基于AD8367的某監測設備自動增益控制模塊設計與測試?

周 進 申伯純 王雪寶

（1.海軍702廠 上海 200434）（2.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

1 引言

無線電信號在傳輸過程中幅度往往變化較大。無論是無線電接收機，還是電子測量儀器，都需要接收穩定的中頻/本振信號，才能夠準確測量出接收信號的幅度［1］。其中穩幅控制中最常用、最有效的技術手段就是反饋控制［2～7］。當信號上下波動時，通過反饋控制，系統中的增益變化按照被控信號的變化規律而變化，此類方法被稱為自動增益控制（AGC）。

AD8367是一款具有45dB控制范圍的高性能可變增益放大器，廣泛應用于自動增益控制電路中［8～14］。文獻［8］簡要闡述了通信系統中常見的自動增益控制技術的發展及現狀，對基于AD8367的自動增益控制的特點進行介紹；文獻［9］從數學角度分析了基于AD8367的AGC電路，得到了其輸入輸出關系，以及電路工作于AGC狀態時信號幅度的范圍；文獻［10～11］分別實現工作在不同頻點的AGC電路；文獻［12～14］研究了通過級聯形式實現了超大動態范圍的AGC系統。本文基于AD8367完成了某監測設備的AGC模塊設計，并通過測試表明其有效性和實用性。

2 AD8367簡介［15］

AD8367是一款具有45dB控制范圍的高性能可變增益放大器，采用線性增益控制，頻率可從低頻率到幾百兆赫。采用Analog Devices公司的X-AMP結構，具有優異的帶內頻率響應特性。其主要特點：1）具有寬范圍模擬可變增益（-2.5dB～+42.5dB）；2）3dB帶寬為500MHz；3）兩種增益模式（增大和減小）；4）增益以20mV/dB成線性變化；5）電阻接地參考輸入；6）輸入阻抗為200Ω；7）完整的線性中頻AGC放大器；8）高速數據輸入輸出端。

圖1 AD8367原理框圖

AD8367的功能框圖如圖1所示，該芯片包括四個部分：9級5dB可變衰減器、高斯內插器、固定增益放大器和平方律檢波器。前兩者相互配合實現總衰減量達45dB可控衰減的功能。高斯內插器選擇衰減因子，在控制電壓的作用下，通過離散節點衰減的加權平均值來獲得與控制電壓相對應的衰減量，并以這種方式獲得平滑、單調的衰減特性。它在大于40dB的增益控制范圍內，工作頻率為200MHz時，可提供優于±0.5dB的線性誤差。其中高斯內插器選通順序由管腳4（MODE）控制：

當MODE=1時，增益是正斜率，控制電壓VGAIN與增益關系如式（1）所示，斜率是20mV/dB，當增益范圍從-2.5dB～+42.5dB變化時，控制電壓從50mV～950mV變化。

當MODE=0時，增益是負斜率，控制電壓VGAIN與增益關系如式（2）所示，斜率是-20mV/dB，當增益范圍從-2.5dB～+42.5dB變化時，控制電壓從950mV～50mV變化。

3 某監測設備AGC設計

該監測設備AGC的主要指標要求：LO頻率在40MHz～70MHz之間，幅度穩定在0dB，穩定度±0.4dB。

3.1 AGC整體方案設計

無線接收設備中混頻器輸出幅度穩定度為

式（3）中：ΔP是混頻器輸出信號的穩定度，ΔPLO是本振幅度穩定度，ΔPRF是輸入RF信號的穩定度，ΔI是混頻器通路插入損耗不確定值，為常量。

從式（3）可看出：輸入的RF信號是被測信號，只有當ΔPLO=0，混頻輸出信號的電平值才和輸入RF信號的電平值保持線性關系。對該設備通過綜合考慮，ΔPLO指標取在±0.4dB。

如圖2所示為該設備的AGC設計方案原理框圖。因為本振信號源采用VCO電路，在40MHz～70MHz頻率范圍內輸出功率波動在±1.5dB范圍內，所以采用一級AD8367足以完成此項任務。輸入信號首先通過VGA（AD8367）放大器放大，然后經帶通濾波器后分為兩路信號，其中一路輸出作為本振信號用直接送到下一個電路單元使用，另一路送到檢波器進行功率檢波，將檢波出的電壓和設定電壓進行比較，比較結果送到VGA，控制VGA的增益，達到穩定輸出功率的目的。

圖2 AGC方案原理框圖

3.2 AGC電路設計實現

如圖3所示為AGC電路原理圖，由（a），（b），（c）三部分組成。圖3（a）中，設置AD8367（6U4）的MODE管腳接高電平，則其工作在正斜率模式。從本振信號發生器產生的信號LO_IN，經匹配電路進入輸入端。圖3（b）中，放大后信號經帶通濾波器（6U5）送往二功分器（由電阻6R10、6R11和6R12組成），二功分器將信號分成兩路：一路經衰減器（6U7）將信號送到下一個電路單元；另一路送給檢波器（6U6）。圖3（c）中，檢波器輸出的電壓和設定電壓比較，比較單元電路由運算放大器（6U8）為核心組成差分放大器，輸出的電壓送到6U4的增益控制端（GAIN），控制放大器增益的大小。

信號變化過程如下：當6U4輸出功率上升時，二功分輸出功率上升，檢波器輸入功率上升，檢波輸出電壓上升，差分放大器輸出電壓下降（即增益控制電壓下降），6U4增益下降，即輸出功率下降；當6U4輸出功率下降時，二功分輸出功率下降，檢波器輸入功率下降，檢波輸出電壓下降，差分放大器輸出電壓上升（即增益控制電壓上升），6U4增益上升，即輸出功率上升。由此，輸出功率穩定在設定值。

圖3 監測設備AGC電路原理圖

3.3 輸入端網絡匹配

由AD8367性能指標可知，其輸入端阻抗是200Ω，而系統阻抗是50Ω，所以輸入端必須進行阻抗匹配設計。考慮到本系統中的頻率在70MHz以下，不需要復雜的LC匹配，采用簡單的電阻匹配。匹配電阻示意圖如圖4所示。

圖4 輸入端匹配電阻計算示意圖

從輸入端往右看是50Ω，則由式（4）：

計算得：x=66.7Ω。取標準阻值，即原理圖中的6XPin。

3.4 檢波電路

檢波電路采用Linear公司的LTC5507芯片，其檢波特性如圖5（a）所示，且由圖5可得，當輸入功率大于0dBm時，檢波器的線性較優。在測試時，選擇50MHz頻點，輸入功率選擇到0dBm附近，測量檢波器輸出電壓值。如圖5（b）所示，檢波器輸入輸出關系在輸入功率大于0dBm時呈現較好的線性關系，印證了圖5（a）中的檢波器特性圖。具體數據如表1所示。

圖5 檢波器測試

3.5 工作點設定

如圖3所示，比較器電路由運算放大器構成。將運放6U8設置為差分輸入工作模式，工作點設置電壓加到運放的同相輸入端，檢波電壓加到運放的反相輸入端，6C24、6C25連接成低通濾波器形式，起到平滑輸入信號作用。由于6R15=6R16=4R17=4R18，所以放大倍數Av=1。從表1中檢波器實測特性可知：檢波器在1dBm輸入附近時，斜率大約在60mV/dB，因此在差分放大器輸出端加兩個電阻對輸出分壓，分壓比=3：1，將檢波器的斜率調整到20mV/dB左右，和AD8367的斜率基本相同。

表1 檢波器輸入輸出實測數據（50MHz）

設LO2_out處輸出1dBm，那么二功分輸入端處功率+3.5dBm，濾波器差入損耗-1.5dB，則要求AD8367的輸出端功率OUT1=+6dBm。由表1可知檢波器在+1dBm輸入時輸出電壓是0.875V。輸入信號LO_IN信號大約在-10dBm±1.5左右，那么AD8367的增益要G=+16dB左右，帶入式（1）計算得VGAIN=0.42V。

綜合上述分析，比較電路的參考點電壓V=0.42*3+0.875=2.135V。在調試電路時，將電位器輸出電壓調整到2.14V左右。

4 AGC電路性能測試

對設計的AGC電路進行性能測試，根據工作點設定部分測試輸入功率-12dBm～-8dBm范圍的輸出結果。圖6為相應的AGC輸入輸出性能測試結果，表2為具體數據。由測試結果可得，輸出功率在0.920dBm～1.287dBm之間變化，轉化成相應的電壓范圍為±0.183dB，滿足系統提出的±0.4dB要求。如圖6所示，輸入為線性增加，而輸出并未呈現出線性增加。由此可以推斷：1）電路中增益隨輸入變化而變化；2）檢波器并非絕對線性；3）比較器輸入輸出關系并非絕對穩定和線性，如電壓紋波影響等，所以比較器要增加合適的濾波等。

圖6 AGC輸入輸出性能測試

表2 輸入輸出測試數據

5 結語

采用AD8367器件為核心的自動增益控制設計方案，簡單、便于調試。當輸入功率為-12.0～-8.0dBm時，輸出電壓穩定度在±0.183dB內。如果進一步處理好系統的電源和其它各種雜散信號的干擾，輸出電壓穩定度可進一步提高。