一種寬頻帶大動(dòng)態(tài)AGC電路設(shè)計(jì)

毛云山，尉旭波

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 611731)

在現(xiàn)代無線通信技術(shù)中，軟件無線電、GPS(全球定位系統(tǒng))、移動(dòng)電視、移動(dòng)通信、助聽器等，在絕大多數(shù)場(chǎng)景下接收機(jī)與輻射源的距離是不確定的。并且電波傳播過程中由于各種建筑物的阻擋，形成多徑效應(yīng)，使得接收機(jī)天線感應(yīng)到的有用信號(hào)強(qiáng)度隨機(jī)變化。在這種情況下，為了保證A/D轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)范圍及信號(hào)帶寬，要求電路能提供一個(gè)具有足夠大動(dòng)態(tài)范圍，高靈敏度和大帶寬的放大功能。通常，為滿足動(dòng)態(tài)范圍的要求，在接收機(jī)模擬前端需要設(shè)計(jì)自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control，AGC)電路[1]。傳統(tǒng)的AGC電路通常工作在小于100 MHz的中頻部分，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是在物聯(lián)網(wǎng)的概念提出以后，A/D轉(zhuǎn)換器可以處理的頻率越來越高。為了簡(jiǎn)化射頻前端電路，無需把外部信號(hào)變換到很低頻率即可進(jìn)行采樣，因此需要使用工作在較高頻率下的自動(dòng)增益電路。但是目前針對(duì)該領(lǐng)域的研究還相對(duì)較少[2-6]。

由于受器件性能等因素影響，AGC電路較難同時(shí)滿足帶寬、動(dòng)態(tài)范圍和線性等技術(shù)指標(biāo)。本文利用ADI公司開發(fā)的寬帶VGA(Voltage-controlled Gain Amplifier)ADL5330和對(duì)數(shù)放大器AD8318設(shè)計(jì)了電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用頻率范圍廣、使用頻率高、動(dòng)態(tài)范圍大的設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的AGC電路。

1 技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)方案

文中項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)要求如下：輸入射頻頻率為2 GHz±100 MHz，輸入射頻功率為-90～-10 dBm，輸出功率-20±1 dBm，輸出三階交調(diào)截點(diǎn)為45 dBm。針對(duì)以上指標(biāo)，本設(shè)計(jì)的AGC電路基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。外部信號(hào)經(jīng)過預(yù)選濾波后，進(jìn)入放大預(yù)處理單元，然后經(jīng)過壓控增益放大，進(jìn)入耦合器，耦合器將信號(hào)一分為二[7]。主路信號(hào)輸出給末級(jí)放大濾波；耦合信號(hào)通過窄帶濾波器濾除近端雜波和噪底干擾后，對(duì)數(shù)放大器將信號(hào)功率值(dBm)轉(zhuǎn)化為線性變化的模擬電壓值(Vout)；此電壓值反饋回壓控增益放大器(VGA)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主放大電路的負(fù)反饋控制，可保證信號(hào)在接收動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)以恒定功率輸出。末級(jí)放大單元的設(shè)置則是為了保證AGC電路的輸出線性。

圖1 寬頻帶大動(dòng)態(tài)AGC電路基本結(jié)構(gòu)Figure 1. Basic structure of wideband large dynamic AGC circuit

2 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 濾波電路設(shè)計(jì)

前端預(yù)選濾波單元主要濾除帶外干擾雜波信號(hào)。本設(shè)計(jì)為了簡(jiǎn)化電路，預(yù)選濾波器使用Minicircuit公司的LTCC封裝高低通濾波器組合成帶通濾波器。該濾波器帶外抑制為40 dB，能夠?yàn)V除絕大多數(shù)干擾信號(hào)，提高AGC電路的抗干擾能力。

對(duì)于AGC電路，關(guān)鍵部分就是反饋環(huán)路。提高反饋環(huán)路的檢波精度及其抗干擾能力是提高AGC性能的關(guān)鍵[8]。接收機(jī)的信號(hào)基底噪聲[1]的計(jì)算式為

Ft=k[Ta+Te]+10logB

(1)

式中，Ta為接收天線電阻的等效噪聲溫度，Te為接收機(jī)的等效噪聲溫度；B為系統(tǒng)分析帶寬。

由式(1)可得，當(dāng)Ta、T0均為290 K時(shí)，基底噪聲[9]的計(jì)算方法如式(2)所示。

Ft=-174+NF+10logB

(2)

隨著5G時(shí)代的到來，無線通信朝著寬帶通信快速發(fā)展，對(duì)接收機(jī)各部分電路的寬帶要求越來越高。對(duì)于AGC電路，直接反饋寬帶信號(hào)會(huì)抬高躁底，影響功率檢測(cè)。所以，在不改變接收系統(tǒng)中頻帶寬的前提下，對(duì)反饋回路中的信號(hào)先進(jìn)行一次濾波處理，消除基底噪聲及信號(hào)的近端雜波干擾，然后進(jìn)行功率檢測(cè)反饋，這樣可以提高檢波準(zhǔn)確度，進(jìn)而提高AGC輸出準(zhǔn)確度。因此，設(shè)計(jì)耦合之后的濾波單元采用聲表濾波器，將耦合檢測(cè)帶寬縮窄來解決寬帶接收的大動(dòng)態(tài)、抗干擾等問題。濾波器的中心頻率2 GHz，3 dB帶寬5 MHz，插入損耗<3 dB，帶外抑制>40 dB。

末級(jí)濾波單元主要針濾除信號(hào)的諧波，文中的設(shè)計(jì)采用LTCC低通濾波，對(duì)主信號(hào)的諧波抑制大于40 dB。

2.2 壓控增益放大電路設(shè)計(jì)

針對(duì)此項(xiàng)目的指標(biāo)要求，輸入輸出頻率較高為2 GHz。本設(shè)計(jì)采用Analog Devices公司(ADI)的ADL5330[8]。其頻率范圍10～3 000 MHz，最大增益達(dá)到22 dB，具有56 dB的增益調(diào)節(jié)范圍，增益調(diào)節(jié)步進(jìn)0.5 dB。在滿增益條件下，它的輸出三階交調(diào)能夠達(dá)到31 dBm，是一款性能優(yōu)良的可變?cè)鲆嬷蓄l放大器，其典型電路如圖2所示[10]。

圖2 ADL5330典型電路圖Figure 2. Diagram of ADL5330 typical circuit

本設(shè)計(jì)指標(biāo)要求動(dòng)態(tài)范圍80 dB，單級(jí)只能有約56 dB(-34～22 dB)的動(dòng)態(tài)范圍，所以采用兩級(jí)ADL5330級(jí)聯(lián)，中間加一差分濾波器濾除諧雜波，提高輸入信號(hào)純度。

2.3 AGC環(huán)路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的核心部分是AGC反饋回路，包括電阻耦合器、窄帶聲表濾波器和對(duì)數(shù)放大器[11-13]。AGC環(huán)路工作的關(guān)鍵就是將輸出RF的樣本反饋回檢波器。為了降低成本，本設(shè)計(jì)采用電阻耦合作為反饋方式。

本設(shè)計(jì)采用的對(duì)數(shù)放大器是AD8318，是一款1 MHz～8 GHz精密解調(diào)對(duì)數(shù)放大器，提供較大的檢波范圍(60 dB)，溫度穩(wěn)定性為±0.5 dB[14]。AD8318可以應(yīng)用于8 GHz以下的中頻電路系統(tǒng)，檢波動(dòng)態(tài)范圍是70 dB (-65～5 dBm)，檢波系數(shù)為-24 mV·dB-1，截距為19.6 dBm，電壓輸出范圍為0.4～2 V。

此部分電路的具體做法是將RF信號(hào)的耦合分量反饋至AD8318。AD8318的Vout連接至ADL5330的Gain引腳，至此反饋環(huán)路完成。其工作原理為：預(yù)先設(shè)定點(diǎn)電壓施加于檢波器AD8318的Vset輸入，檢波器根據(jù)此電壓與反饋的信號(hào)作比較，給出一個(gè)控制電壓給ADL5330，令其放大或者衰減，直至使得檢波器的輸入信號(hào)電平與設(shè)定點(diǎn)電壓之間達(dá)到適當(dāng)平衡。通過調(diào)節(jié)Vset電壓調(diào)節(jié)AGC電路輸出穩(wěn)定的功率值[15]。需要注意的是，ADL5330的電壓Vout的范圍為0 V至接近VPSx，需要使用電阻分壓器按比例縮小AD8318的輸出電壓，以便與ADL5330的0 ～1.4 V增益控制范圍接口相匹配。耦合器部分利用一個(gè)23 dB的耦合器，讓所需的VGA最大輸出功率與AD8318線性工作范圍的上限(在1 900 MHz時(shí)約為-5 dBm)相匹配。

本設(shè)計(jì)要求輸入功率為-90～-10 dBm，輸出功率為-20±1 dBm。兩級(jí)ADL5330的增益只有40 dB左右，無法實(shí)現(xiàn)從-90 dBm放大至-20 dBm，故必須外加放大器提高增益。由此分配AGC電路輸出穩(wěn)定功率為-35 dBm，實(shí)測(cè)此時(shí)Vset電壓約為1.4 V，利用分壓電阻調(diào)節(jié)Vset電壓，靈活調(diào)節(jié)AGC電路輸出。與此同時(shí)，在AGC前面加入一放大器，將輸入信號(hào)功率提升至-75～+5 dBm，這樣加上兩級(jí)ADL5330的增益就能使得最小功率-90 dBm的小信號(hào)放大至-35 dBm。

電阻耦合器[2]的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。本次電路中設(shè)計(jì)的耦合量為20 dB，即Port3-Port1=-20 dB。利用微波電路仿真工具M(jìn)icrowave Office計(jì)算得到，當(dāng)R1=220 Ω，R2=56 Ω時(shí)，耦合電路可以滿足指標(biāo)要求，得到的S參數(shù)仿真曲線如圖4所示。從圖中可以看出，該電路耦合量約為20 dB，插入損耗約為0.8 dB，加上聲表濾波器的3 dB插損，耦合支路共有23 dB損耗，可以匹配AD8318的線性工作范圍上限。

圖3 電阻耦合器的電路結(jié)構(gòu)圖Figure 3. The circuit structure diagram of resistance coupler

圖4 電阻耦合器的仿真曲線圖Figure 4. The simulation curve of resistance coupler

2.4 其他電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用線性穩(wěn)壓電源ADP125進(jìn)行供電，輸出放大器采用ADL5611[16]。此放大器增益平坦，頻率范圍合適，線性高。本設(shè)計(jì)采用ADI公司的對(duì)數(shù)放大器AD8318實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)檢波功能。

3 電路測(cè)試及分析

為驗(yàn)證此方案的實(shí)際性能，根據(jù)上述方案設(shè)計(jì)的AGC電路板如圖5所示。

圖5 AGC電路板Figure 5. The circuit board of AGC

本次測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用信號(hào)源(依愛AV1464B)為AGC電路提供輸入信號(hào)，頻譜分析儀(Agilent N9010A)作為輸出信號(hào)分析設(shè)備。

實(shí)驗(yàn)中，Vset電壓調(diào)至AGC電路的基準(zhǔn)輸出功率P0為-35 dBm。利用信號(hào)源輸出功率的變化及頻譜儀顯示AGC電路輸出，測(cè)試AGC電路在2 GHz附近的動(dòng)態(tài)范圍，得到的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 動(dòng)態(tài)范圍性能測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果看出，當(dāng)輸入信號(hào)從10 dBm逐漸減小到-90 dBm時(shí)，輸出信號(hào)均能穩(wěn)定在-20±1 dBm以內(nèi)，該電路的動(dòng)態(tài)范圍約為100 dB(輸入功率范圍約為-90～10 dBm)，輸出信號(hào)的功率誤差在1 dB之內(nèi)。功率再往上增大時(shí)，輸入放大器會(huì)壓縮飽和，此時(shí)諧波比較大。輸入功率衰減到-95 dBm時(shí)，AGC已經(jīng)不能夠鎖定了，從鏈路增益上來看已經(jīng)超出了鏈路最大增益72 dB。在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，AGC電路的增益大小隨輸入功率呈線性變化趨勢(shì)，輸出信號(hào)功率保持不變。當(dāng)輸入信號(hào)功率超出動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，AGC電路保持最大(最小)增益，輸出信號(hào)功率隨輸入信號(hào)線性變化。

上述分析表明，本設(shè)計(jì)的AGC電路方案在頻率為2 GHz時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍仍有100 dB，并且利用窄帶耦合能夠有效地降低近端雜波和基底噪聲對(duì)電路性能的影響，是一種寬帶大動(dòng)態(tài)AGC電路的解決方案。該電路方案可以根據(jù)頻率范圍及功率范圍靈活更換濾波器及放大器，但是總體架構(gòu)及核心器件仍可沿用，既可獨(dú)立使用，也容易集成于接收系統(tǒng)中。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種適用頻率較高的寬頻帶大動(dòng)態(tài)AGC電路。在AGC電路輸入輸出級(jí)加入濾波放大單元，保證了信號(hào)純度，提高了AGC電路的抗干擾性能。文中采用兩級(jí)VGA級(jí)聯(lián)的方式擴(kuò)大AGC電路的動(dòng)態(tài)范圍，通過采用對(duì)AGC電路耦合信號(hào)窄帶濾波，解決了AGC電路對(duì)寬帶信號(hào)功率檢測(cè)不準(zhǔn)的問題。本設(shè)計(jì)應(yīng)用頻段可達(dá)2 GHz，且該電路具有頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、靈活性強(qiáng)、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。在下一步研究中，可以精簡(jiǎn)器件，往小型化、低功耗、可重構(gòu)等方向延伸，進(jìn)一步提高適用性，使其能夠應(yīng)用在無線通信系統(tǒng)、移動(dòng)終端設(shè)備、雷達(dá)系統(tǒng)等多種場(chǎng)合中。