基于FPGA的中頻AGC電路設計

鄭隆浩，彭艷云

（1.華東師范大學 信息科學技術學院, 上海 200241；2.長沙理工大學 湖南 長沙 410114）

大多數動態范圍數據采集系統都需要調整輸入信號的電平，以適應模數轉換器（Analog-to-Digital-Converter,ADC）的要求。比如通信數字接收機中，輸入信號從μV到m V級別范圍變化[1]。

ADC的典型輸入電壓范圍是1～5 V。為了適應數字接收機ADC采集電平要求和精度，自動增益控制（Automatic Gain Control,AGC）電路作為主要的輔助電路廣泛的應用在接收機中，傳統數字AGC電路使用ADC采集信號，對信號進行處理，根據得到的信號幅值信息調整增益，其對ADC采樣率要求較高，為從離散的信號中得到準確幅值信息還需對信號進行一定算法的處理[2]。

文中提出一種采用高速比較器、數模轉換芯片(DAC)與高速數字處理單元（FPGA/CPLD）對信號就行峰值檢測，通過數字處理單元對可變增益放大器進行控制，達到對信號的自動增益控制，該電路降低了對ADC芯片采樣率與后端信號處理算法的要求。

1 AGC電路原理與方案

自動增益控制，即在信號變化范圍較大情況下，電路自動調整放大增益，使輸出信號幅度保持不變或在較小波動范圍內[3]。文中所采用的數字AGC電路方案如圖1所示。

為實現自動增益控制，電路需要一個電壓（有效值或峰值）或功率檢測器、程控放大器，前者得到幅值信息，后者實現增益控制。由于所采用的高速比較器是單電源供電的TLV3501，而輸出信號Sout有正有負，需將Sout抬高到TLV3501工作范圍內。文中的峰值檢測原理與逐次比較ADC采集原理類似。DAC產生一個從高到低的掃描信號，如果Sout的峰值比某個時段的掃描電壓高，比較器便會產生一個脈沖信號，控制單元收到比較器輸出的脈沖信號便可知信號的峰值，反之不會產生脈沖。理論上峰值在上次的掃描電壓和該次掃描電壓之間。

圖1 數字AGC電路方案圖Fig.1 Schematic diagram of the digital AGC circuit

圖2 峰值檢測過程示意圖Fig.2 Principle diagram of peak detection

控制單元得到峰值信息后通過DAC控制可變增益放大器的增益到合適值，從而實現自動增益控制。上述過程中，需保證掃描電壓的保持時間大于信號的周期時間，例如為確定一個頻率大于40 MHz的信號峰值是否比4.000 V大，掃描電壓4.000 V至少需保持25 ns，這樣才能保證信號一周期內所有電壓值都參與這次掃描電壓的比較。峰值檢測過程如圖2所示。

2 AGC電路設計

AGC電路模擬部分主要分程控增益放大器與峰值檢測電路兩個部分。由于該AGC電路工作在中頻段，電路設計時需選取高帶寬、低噪聲器件。前級的可變增益放大器使用寬帶、大于40 dB調節范圍、增益隨控制電壓dB線性變化的VCA821[4]。其后的固定增益放大器采用超寬帶電流反饋運算放大器OPA695，高速比較器采用4.5 ns 軌至軌高速比較器TLV3501,控制與掃描使用的DAC芯片是TLV5638（1 μs，12位，采用內部2.048 V參考電壓，但是最大輸出為兩倍參考電壓[5]），這四款芯片均系德州儀器生產。控制單元采用FPGA及其內嵌的NIOS II軟核。設計目標，將信號峰值值穩定在2.048±0.200 V，可控增益范圍30 dB。

2.1 程控增益放大器電路

所謂程控增益放大器（Programmable Gain Amplifier,PGA），是指一類可以通過直流電壓或者數字輸入端來調整增益的放大器，文中采用DAC（TLV5638）產生直流電壓來控制增益，控制的直流電壓不同，PGA增益不同。設計中的VCA821是一款寬頻帶壓控增益放大器，該器件增益可調整范圍大于40 dB，增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定。VCA821的-3 dB帶寬為 710 MHz，壓擺率為 2 500 V/μs，完全滿足設計的帶寬和壓擺率要求。程控增益放大器電路原理如圖3所示。電路輸入使用SMA接頭，50 Ω電阻R2進行阻抗匹配，由于VCA821存在毫伏級的失調電壓，在反相輸入端加入校正電路。其中反饋電阻Rf會影響帶寬和通帶起伏，電阻取太大會影響帶寬（一般不取大于1 kΩ的電阻），太小會增加功耗并影響放大器穩定性。本設計Rf取 600 Ω，Rg取 120 Ω，Rf/Rg=5，VCA821的最大增益為2*Rf/Rg，即最大增益為10倍（20 dB）。在外邊電阻確定情況下，增益隨控制電壓dB線性增加。如需增大帶寬，可在Rf/Rg比值不變情況下，Rf取400 Ω，Rg取80 Ω，根據芯片手冊描述，該取值下放大器的-3 dB帶寬可達710 MHz。

為了提高電路輸出幅度，在程控放大器后增加一級采用高速電流反饋型運放OPA695的固定增益放大電路。OPA695是一款超寬帶電流反饋運算放大器，增益為2V/V時帶寬1600 MHz，增益為8 V/V時帶寬450 MHz，壓擺率高達2 900 V/μs，最大輸出電流120 mA，具有低噪聲、低失調電路、低溫漂、高三階截取的特點[6]。運放采用同相放大形式，反饋電阻Rf參考芯片手冊取800 Ω，放大倍數取5倍。輸出電阻50 Ω，以便下級阻抗匹配。

2.2 峰值檢測電路

文中的自動增益控制的所需幅值信息由峰值檢測電路提供，峰值檢測電路由高速運放與數字控制單元組成。峰值檢測電路模擬部分原理圖如圖4所示。

其中高速比較器的同相端輸入的是數字控制單元控制DAC(TLV5638)產生的掃頻電壓，信號Sout抬高2 V后(由于TLV3501是單電源供電)接至高速比較器反相端。

如果信號的峰值大于掃描電壓，比較器便會產生一個下降沿，否則保持高電平，控制單元接收到下降沿后便知掃描電壓小于被測信號峰值。為了保證輸出脈沖的質量及低電平時間寬度，比較器采用遲滯形式，遲滯電壓設置為50 mV。另外實測電路在信號頻率大于70 MHz以上時，輸出脈沖信號質量較差，這是受比較器速度限制，TLV3501的傳輸延時最低為4.5 ns[7]。如需工作在更高頻段可選用如傳輸延時低至150 ps的ADCMP573等。

2.3 峰值檢測與自動增益控制算法

電路的峰值檢測原理如圖2所示，但圖2中示意的逼近辦法是線性逼近，效率較低，文中采用二分搜索法逼近，提高效率。文中的自動增益控制程序如圖5所示，初始化時，將增益設置為0 dB，掃描電壓為最高的4.095 V（相應控制字為0x7ff），然后檢測峰值是否大于3.1 V（2 V抬高電壓+1 V峰值+0.1 V容差）。

3 測試及結果分析

測試采用示波器結合信號源的靜態掃描方式。示波器使用泰克TDS2022B，其帶寬為200 MHz，實時取樣速率為2 GS/s ；信號源采用普源F120，其輸出阻抗50 Ω，最高可以產生120 MHz信號。示波器、信號源與電路板連接均采用BNC轉SMA線。測試數據如表1所示。其中Vin為電路板輸入信號峰峰值，f為輸入信號頻率。

圖3 數字AGC電路方案圖Fig.3 Schematic diagram of the digital AGC circuit

圖4 峰值檢測過程示意圖Fig.4 Principle diagram of peak detection

圖5 自動增益控制程序流程圖Fig.5 Flow chart of AGC

由表1可知，輸入0.05V時，輸出未穩定在2.0 V左右，這是因為信號源與前級放大器阻抗匹配而損失一半增益，而電路最大增益是5*10 V/V，算上匹配損失的一半增益，最大增益為25V/V。從其他數據可知，電路達到了將峰峰值穩定在2±0.2 V的設計指標。電路高頻段略有衰減，其原因一可能為示波器本身衰減，二可能電路的衰減，另外受噪聲影響，高頻時，示波器讀數顯示不穩定，難以讀值，限于測試條件，未能找到真正原因。本電路只是采用單級40 dB可控范圍的可變增益放大器，在實際應用中可采用2級或3級可變增益放大器級聯實現大動態范圍AGC，以滿足數字接收機輸入μV級到mV級變化要求。

表1 AGC電路測試輸出V out(V pp)表Tab. 1 Test result of the AGC circuit’s output(V pp)

4 結束語

文中研究并設計一種采用高速比較器與高速數字器件進行峰值檢測并自動增益控制的電路。經實測，電路可以在1 ～60 MHz對信號進行自動增益控制，可以將峰峰值穩定在2±0.2 V范圍，該方法可以降低數字AGC電路對AD芯片采樣率和后級信號處理算法要求。另外為提高更大增益范圍的控制和更寬工作頻段，可以采用多級可變增益放大器級聯、使用更高速的比較器，為提高逼近效率，使用更高速DAC芯片、采用多個比較器同時和不同掃描電壓進行比較，提高響應時間。

[1]蔡凌云，方振和，李銘祥,等.自動增益控制技術應用[J].電子工程師，2002(4)：22-23,37.CAI Ling-yun,FANG Zhen-he,LI Ming-xiang.Application of AGC technique[J].Electronic Engineer,2002(4)：22-23,37.

[2]李悅麗，薛國義 .雷達數字AGC技術的工程實現[J].電子工程師，2004(12)：15-17.LI Yue-li.XUE Guo-yi.The engineering realization of radar digital AGC technology[J].Electronic Engineer,2009,30(12):15-17.

[3]賀欣.寬帶大動態AGC電路設計[J]. 電子設計工程,2012(8) ：167-170.HE Xin.Optimal design of broadband and large dynamic AGC circuit[J].Electronic Design Engineering,2012(8):167-170.

[4]TexasInstruments. VCA821 Data sheet [EB/OL].(2008).http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ vca821.pdf .

[5]TexasInstruments.TLV5638 Data sheet [EB/OL].(2004).http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tlv5638.pdf .

[6]TexasInstruments.OPA695 Data sheet [EB/OL].(2009).http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/opa695.pdf.

[7]TexasInstruments.TLV3501 Data sheet [EB/OL].(2005).http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ tlv3501.pdf .