卿晨

（中國西南電子技術(shù)研究所 四川 成都610036）

基于AD8367的超大動(dòng)態(tài)范圍AGC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試

卿晨

（中國西南電子技術(shù)研究所 四川 成都610036）

為了滿足超大動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)的需求，提出了一種基于AD8367的超大動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制AGC（Auto Gain Control）系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過分析AGC系統(tǒng)中各級(jí)的噪聲功率，并結(jié)合AD8367起控電平的實(shí)測數(shù)據(jù)，選取合適增益的放大器和合適帶寬的濾波器，級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了超大動(dòng)態(tài)范圍AGC系統(tǒng)。完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和測試，驗(yàn)證了此AGC系統(tǒng)良好的超大動(dòng)態(tài)范圍特性。

AGC；超大動(dòng)態(tài)范圍；噪聲功率；AD8367

隨著雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗和電子測量等領(lǐng)域技術(shù)飛速的發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)的帶寬、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度等指標(biāo)的要求越來越高。一般而言，接收機(jī)會(huì)針對(duì)多個(gè)發(fā)射源的信號(hào)進(jìn)行接收和處理，而多個(gè)發(fā)射源的位置具有不確定性，即使是單個(gè)發(fā)射源，它的位置也可能是在變化的，因此接收機(jī)接收到的信號(hào)電平也是變化的。再者，由于電波在空間傳播過程中的衰落現(xiàn)象和多徑效應(yīng)，以及空間中復(fù)雜的電磁環(huán)境和其他干擾因素，因此接收機(jī)接收到的信號(hào)電平會(huì)在很大的范圍內(nèi)波動(dòng)。而終端設(shè)備能處理的信號(hào)電平范圍有限，太強(qiáng)的信號(hào)會(huì)燒毀終端設(shè)備，太弱的信號(hào)又無法被A/D采樣到[1]。因此，AGC系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到大動(dòng)態(tài)范圍的接收機(jī)中[2-6]?？v觀近年來國內(nèi)外研究情況，基于各種方式和芯片構(gòu)建的AGC系統(tǒng)已達(dá)到80 dB動(dòng)態(tài)范圍[8-14]；此外，AD8367芯片已被成熟應(yīng)用，其內(nèi)部電路得到充分分析，特性也從數(shù)學(xué)角度得到了描述[7]。本文提出的基于AD8367的AGC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍超過了100 dB，實(shí)測結(jié)果充分驗(yàn)證了所采取的設(shè)計(jì)方案。

1 AD8367芯片簡介

AD8367芯片是ADI公司的45 dB可變?cè)鲆娣糯笃鳎?5 V供電，工作頻率范圍從低頻到500 MHz，單端輸入輸出，輸入輸出特性阻抗為200 Ω，輸出起控電平為-2.03 dBm（354 mVrms），最大42.5 dB增益，最小2.5 dB衰減，增益變化以dB為單位線性變化，由于內(nèi)部存在平方律檢波器和高斯內(nèi)插，因此得到的衰減特性是平滑而單調(diào)的。AD8367典型應(yīng)用電路圖如圖1所示，由于輸入輸出特性阻抗為200 Ω，因此在輸入輸出端設(shè)置了寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)[15]。

圖1 AD8367典型應(yīng)用電路

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

在進(jìn)行大動(dòng)態(tài)AGC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要明確AD8367的輸入起控電平范圍，即自動(dòng)增益控制動(dòng)態(tài)范圍。由于AD8367的輸出起控電平為-2 dBm，具備最大42.5 dB的增益和最小2.5 dB的衰減，因此，它的輸入起控電平范圍為-44.5～-0.5 dBm，即輸入信號(hào)電平在-44.5～0.5 dBm范圍內(nèi)變化時(shí)，AD8367穩(wěn)定輸出-2 dBm的信號(hào)。接下來，需要計(jì)算AGC系統(tǒng)中AD8367的輸入噪聲功率Ni，Ni必須小于其最小輸入起控電平-44.5 dBm。否則，輸入起控電平范圍會(huì)變成Ni～-0.5 dBm，動(dòng)態(tài)范圍會(huì)因此變小。而AGC系統(tǒng)往往會(huì)用到多級(jí)AD8367，噪聲功率需要逐級(jí)計(jì)算，以保證每級(jí)AD8367的動(dòng)態(tài)范圍不變，從而保證整個(gè)AGC系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。AGC系統(tǒng)中的每一級(jí)AD83687的輸入噪聲功率Ni可由式（1）計(jì)算得到[16]：

其中，G、NF、B分別為AD8367之前信道的增益、噪聲系數(shù)和帶寬。為了控制Ni的值，在滿足信道指標(biāo)的情況下，盡量選用帶寬較小的放大器和濾波器。系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)NF0可由式（2）得到：

單級(jí)AD8367可實(shí)現(xiàn)45 dB動(dòng)態(tài)范圍的AGC系統(tǒng)，二級(jí)AD8367可實(shí)現(xiàn)90 dB的動(dòng)態(tài)范圍，三級(jí)AD8367理論上可實(shí)現(xiàn)135 dB的動(dòng)態(tài)范圍。由于實(shí)際使用中，AD8367輸入輸出端都設(shè)置了匹配網(wǎng)絡(luò)[17]，以使輸入輸出阻抗由200 Ω轉(zhuǎn)化到50 Ω，而匹配網(wǎng)絡(luò)有11.5 dB的插損，因此AGC系統(tǒng)中AD8367的輸入起控電平范圍變?yōu)?33～12 dBm，線性增益變?yōu)?9.5 dB，輸出電平穩(wěn)定在-13.5 dBm。而當(dāng)AD8367級(jí)聯(lián)使用時(shí)，為達(dá)到最大的動(dòng)態(tài)范圍，需要將前級(jí)AD8367的輸出電平-13.5 dBm放大到后級(jí)AGC的輸入最大起控電平12 dBm，這需要在級(jí)間級(jí)聯(lián)放大器。而此放大器和前一級(jí)AD8367會(huì)使噪聲功率提高，因此還需在放大器后級(jí)聯(lián)一個(gè)濾波器抑制噪聲功率，以保證每一級(jí)AD8367的輸入噪聲功率小于-33 dBm，濾波器的帶寬B的選取會(huì)在后面的設(shè)計(jì)實(shí)例中詳細(xì)介紹。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 單級(jí)AGC系統(tǒng)

單級(jí)AGC系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)45 dB（-33～12 dBm）動(dòng)態(tài)范圍的自動(dòng)增益控制，得到穩(wěn)定輸出為-13.5 dBm±0.5 dBm （線損和儀器會(huì)引入誤差）。按照?qǐng)D1的典型應(yīng)用電路構(gòu)建了單級(jí)AGC系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)范圍測試結(jié)果如表1。多級(jí)AGC系統(tǒng)由多個(gè)單級(jí)AGC系統(tǒng)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)公式（1），為實(shí)現(xiàn)多級(jí) AGC系統(tǒng)還需測試單級(jí)AGC系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，測試結(jié)果如表2。盡管噪聲系數(shù)達(dá)到了20 dB左右，但在實(shí)際寬帶接收機(jī)應(yīng)用中，AGC系統(tǒng)一般都設(shè)置在中頻模塊中，只要保證接收機(jī)前端模塊有優(yōu)良噪聲系數(shù)和較高的增益，此系統(tǒng)的噪聲系數(shù)是可以接受[16]。

表1 單級(jí)AGC系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍測試結(jié)果

表2 單級(jí)AGC系統(tǒng)噪聲系數(shù)測試結(jié)果

3.2 二級(jí)AGC系統(tǒng)

二級(jí)AGC可實(shí)現(xiàn)90 dB（-78～12 dBm）動(dòng)態(tài)范圍的自動(dòng)增益控制，得到穩(wěn)定輸出為-13.5 dBm±0.5 dBm。二級(jí)AGC系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)90 dB的動(dòng)態(tài)范圍，后級(jí)AGC最大輸入起控電平應(yīng)達(dá)到12 dBm，因此兩級(jí)AGC之間放大器和濾波器級(jí)聯(lián)后的增益應(yīng)達(dá)到25.5 dB。此外，后級(jí)的輸入噪聲功率Ni必須小于最小起控電平-33 dBm。前級(jí)AGC系統(tǒng)、放大器和濾波器級(jí)聯(lián)后的增益G=45 dB，噪聲系數(shù)NF=20 dB，Ni＜-33 dBm，代入式（1）得到B＜39.8 MHz。二級(jí)AGC系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍與系統(tǒng)帶寬之間的關(guān)系為：動(dòng)態(tài)范圍=90-10 lg（B（MHz）/39.8（MHz））（dB）。

應(yīng)用實(shí)例如圖2。實(shí)例中放大器選用了Stanford公司的SGC-6586，工作頻率為DC～2500 MHz，增益在100 MHz附近的實(shí)測值為25.5 dB，噪聲系數(shù)NF為2.6 dB；濾波器選用了博倫公司的LC濾波器B70A-20-6S1，中心頻率70 MHz，帶寬B=20 MHz，插損1 dB。后級(jí)AGC系統(tǒng)之前的增益G=44 dB，由式（2）可得到系統(tǒng)噪聲系數(shù)NF=20 dB，將B、G、NF代入式（1），可得到Ni=-40 dBm＜-33 dBm，噪聲功率不起控。然而。由于放大器和濾波器級(jí)聯(lián)后的增益24.5 dB與理想增益相差1 dB，因此動(dòng)態(tài)范圍能達(dá)到89 dB。測試結(jié)果如表2。

圖2 二級(jí)AGC系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

表3 二級(jí)AGC系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍測試結(jié)果

3.3 三級(jí)AGC系統(tǒng)

三級(jí)AGC系統(tǒng)理論上可實(shí)現(xiàn)135 dB（-123 dBm～ 12 dBm）動(dòng)態(tài)范圍的自動(dòng)增益控制，得到穩(wěn)定輸出為-13.5 dBm±0.5 dBm。三級(jí)AGC系統(tǒng)原理框圖如圖3。為了實(shí)現(xiàn)135 dB的動(dòng)態(tài)范圍，三級(jí)AGC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與二級(jí)AGC系統(tǒng)一致。理想的90 dB動(dòng)態(tài)范圍的二級(jí)AGC系統(tǒng)的G=64.5 dB，NF=20 dB，因此單級(jí)AGC系統(tǒng)之前的增益G=63.5 dB+25.5 dB=90 dB，Ni＜-33 dBm，代入式（1）得到濾波器 B＜1.259 KHz。由于濾波器很難做到如此窄的帶寬，因此135 dB的動(dòng)態(tài)范圍很難達(dá)到。而對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用而言，動(dòng)態(tài)范圍120 dB已經(jīng)非常理想了，單級(jí)和二級(jí)AGC系統(tǒng)之間的增益減小為10.5 dB即可，這樣濾波器帶寬B＜39.81 kHz，中頻的晶體濾波器是容易達(dá)到此指標(biāo)的。三級(jí)AGC系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍與系統(tǒng)帶寬之間的關(guān)系為：動(dòng)態(tài)范圍=135-10 lg（B（kHz）/1.259（kHz））（dB）。

應(yīng)用實(shí)例如圖3所示。實(shí)例中二級(jí)AGC系統(tǒng)沿用上一小節(jié)的設(shè)計(jì)，放大器選用SGC-6386；工作頻率為DC～3000 MHz，增益在100 MHz附近的實(shí)測值為15.5 dB，噪聲系數(shù)NF為3.8 dB；窄帶濾波器選用天奧電子公司的晶體濾波器STXFA03-E70M18-60[18]，中心頻率70 MHz，帶寬B=18 kHz，插損5 dB。后級(jí)AGC系統(tǒng)之前的增益G=74 dB，噪聲系數(shù)NF=20 dB，將B、G、NF代入式 （1），可得到Ni=-37.4 dBm＜-33 dBm，噪聲功率不起控。由于上小節(jié)設(shè)計(jì)的二級(jí)AGC系統(tǒng)實(shí)例動(dòng)態(tài)范圍為89 dB，因此三級(jí)AGC系統(tǒng)實(shí)例動(dòng)態(tài)范圍能達(dá)到119 dB。測試結(jié)果如表4所示。

圖3 三級(jí)AGC系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

表4 三級(jí)AGC系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍測試結(jié)果

4 結(jié) 論

文中以AD8367芯片為基礎(chǔ)，從單級(jí)AGC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)延伸到多級(jí)AGC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，分析了多級(jí)AGC系統(tǒng)的工作原理，提出了超大動(dòng)態(tài)范圍（超過100 dB）的實(shí)現(xiàn)方案。選型合適的元器件，構(gòu)建出了119 dB動(dòng)態(tài)范圍的三級(jí)AGC系統(tǒng)并進(jìn)行了測試，實(shí)測結(jié)果表明此設(shè)計(jì)方案是準(zhǔn)確可行的，對(duì)超大動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)的設(shè)計(jì)有支撐和借鑒意義。

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Design and test of ultra large dynamic range AGC system based on AD8367

QING Chen
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

In order to satisfy the requirement of the ultra large dynamic range receiver，a design of the ultra large dynamic range AGC system based on AD8367 is proposed.By the way of analyzing the noise power of every series in the AGC system，combining the test data of AD8367's internally-determined setpoint，selecting amplifiers of the proper gain and filters of the proper bandwidth，the ultra large dynamic range AGC system was established.The test data of the system shows its excellent ultra large dynamic range property.

AGC；ultra large dynamic range；noise power；AD8367

TN721

：A

：1674-6236（2017）08-0097-03

2016-03-31稿件編號(hào)：201603420

卿晨（1987—），男，四川什邡人，碩士，工程師。研究方向：射頻接收機(jī)設(shè)計(jì)、射頻信道綜合化設(shè)計(jì)、微波電路與系統(tǒng)。