孫連昊，王 亮，石建飛

（中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

1 引言

多波束成像聲吶屬于高頻小目標(biāo)探測(cè)聲吶系列，設(shè)計(jì)采用主動(dòng)聲吶工作原理對(duì)水下場(chǎng)景進(jìn)行成像。多波束成像聲吶中發(fā)射換能器發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度一定，不同距離的目標(biāo)反射信號(hào)強(qiáng)度不同，因此接收換能器接收聲學(xué)信號(hào)強(qiáng)度不相同。當(dāng)目標(biāo)較近時(shí)，目標(biāo)反射強(qiáng)度很強(qiáng)，接收信號(hào)經(jīng)電路放大后會(huì)發(fā)生飽和失真，影響信號(hào)質(zhì)量而對(duì)目標(biāo)識(shí)別造成影響；當(dāng)目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)，目標(biāo)反射強(qiáng)度很弱，弱信號(hào)經(jīng)電路放大后可能由于放大量不能達(dá)到信號(hào)檢測(cè)閾而造成檢測(cè)漏報(bào)。因此，根據(jù)目標(biāo)距離選擇合適的放大倍數(shù)，對(duì)多波束成像聲吶來說尤為重要。

為了解決不同距離回波信號(hào)幅度不一致的問題，加入可控增益控制功能來調(diào)整信號(hào)幅度。通過計(jì)算可以通過信號(hào)隨時(shí)間TVG 曲線和儲(chǔ)存次曲線值的變化來控制DA 輸出模擬電壓以控制信號(hào)增益。探測(cè)的距離指標(biāo)為1.5～100.0 m，于是計(jì)算得到接收陣輸出信號(hào)在8.8 μV～60 mV。一般情況下，5 V 供電差分AD 輸入電壓達(dá)到四分之三滿幅的范圍是諧波雜散最小的位置，通過增益控制使到AD 前端的信號(hào)達(dá)到峰峰2 V。為了把信號(hào)調(diào)整到峰峰2 V 以滿足整體30～108 dB 的增益范圍，選擇AD8332 包括2 個(gè)-6.5～43.5 dB的VGA。兩級(jí)級(jí)聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)-9～87 dB 的增益控制，加上前端阻抗匹配變壓器和儀表放大器放大倍數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)增益控制范圍稍大于需要的范圍。

2 AD8332 的特性及原理

AD8332 是一款低噪聲兩通道VGA 芯片，功能框圖如圖1 所示。每個(gè)通道包括LNA、PAMP 以及VGA，控制電壓0～1 V，輸出電壓單端峰峰值2.25 V，差分輸出電壓4.5 V。LNA 為單端輸入差分輸出19 dB 的固定增益放大器。VGA 內(nèi)置一個(gè)48 dB范圍的衰減器，后接一個(gè)21 dB 增益的放大器，因而凈增益范圍為-27～+21 dB。X-AMP 增益內(nèi)插法會(huì)形成低增益誤差和均衡帶寬，且差分信號(hào)路徑將失真降至最低。最后一級(jí)是一個(gè)增益為3.5 dB或15.5 dB 的邏輯可編程放大器［1］。

VGA 的增益通過模擬控制電壓來控制。線性dB 增益控制接口針對(duì)斜率和絕對(duì)精度進(jìn)行調(diào)整。增益控制接口的斜率為50 dB/V，增益控制范圍為40 mV～1 V，增益極差為+48 dB。在LO 模式下，增益表達(dá)式為GAIN(dB)=50(dB/V)×VGAIN-6.5 dB，增益范圍-4.5～43.5 dB；在HI 模式下，增益表達(dá)式為GAIN(dB)=50(dB/V)×VGAIN+5.5 dB，增益范圍+7.5～+55.5 dB。理想增益特性曲線，如圖2 所示。

3 AD8332 電路設(shè)計(jì)

利用AD8332 芯片設(shè)計(jì)可控增益放大電路時(shí)，需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

（1）LMD 引腳必須利用2.2 nF～0.1 μF 的電容進(jìn)行容性耦合旁路到地。

（2）數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出LNA 的未端接輸入阻抗為6 kΩ，因此可以合成50 Ω～6 kΩ 的任何輸入電阻。根據(jù)RIZ=33×RIN/(6-RIN)，計(jì)算RIZ，單位為kΩ，或從表1 中選擇［2］。使用有源輸入端接時(shí)，需要通過一個(gè)去耦電容CIS隔離LNA 的輸入和輸出偏置電壓。

兩路可變?cè)鲆娣糯笃鬏斎攵朔謩e為儀表放大器和濾波器輸出端，儀表放大器和濾波器輸出電阻很小約為50 Ω，因此根據(jù)表1 選擇RIZ為280 Ω，CSH為22 pF。

表1 針對(duì)共源阻抗的LNA 外部器件值

（3）兩通道增益放大器共用一個(gè)GAIN 增益控制控制引腳，為確保增益放大量穩(wěn)定，應(yīng)保證此引腳輸入噪聲。

（4）增益斜率根據(jù)MODE 引腳高低電平選擇。當(dāng)MODE 引腳為高時(shí)，增益斜率為負(fù)；MODE 引腳為低時(shí)，增益斜率為正。設(shè)計(jì)中選擇MODE 引腳接地，增益斜率為正且隨著GAIN 引腳接入電壓的增加而增大。

（5）HILO 引腳控制可控增益放大器工作模式。當(dāng)HILO 為高時(shí)，放大器工作在HI 模式，最后一級(jí)增益為15.5 dB；當(dāng)HILO 為低時(shí)，放大器工作在LO 模式，最后一級(jí)增益為3.5 dB。設(shè)計(jì)中選擇HILO 引腳接地，可控增益放大器總增益變化范圍為-13～87 dB。

綜上所述，設(shè)計(jì)可控增益放大電路如圖3 所示。

4 可控增益電路測(cè)試

（1）增益控制引腳GAIN 接入0.1 V 電平，使用信號(hào)源輸入Vpp=900 mV、頻率為450 kHz 的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，如圖4 所示。

用示波器測(cè)量輸出端信號(hào)，如圖5 所示?？梢钥闯?，輸出信號(hào)頻率為450.4 kHz，與輸入信號(hào)頻率基本一致。讀出單端信號(hào)Vpp=378 mV。由于可控增益芯片為差分輸出，因此輸出差分信號(hào)Vpp=756 mV。經(jīng)計(jì)算，放大倍數(shù)為-1.51 dB，與LO 模式下增益表達(dá)式GAIN(dB)=50(dB/V)×0.1-6.5 dB=-1.5 dB 計(jì)算結(jié)果基本一致。

（2）增益控制引腳GAIN 接入1 V 電平，使用信號(hào)源輸入Vpp=17 mV、頻率為450 kHz 的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，如圖6 所示。

用示波器測(cè)量輸出端信號(hào)，如圖7 所示?？梢钥闯觯敵鲂盘?hào)頻率為449.4 kHz，與輸入信號(hào)頻率基本一致。讀出單端信號(hào)Vpp=1.27 V。由于可控增益芯片為差分輸出，因此輸出差分信號(hào)Vpp=2.54 V。經(jīng)計(jì)算，放大倍數(shù)為43.47 dB，與LO 模式下增益表達(dá)式GAIN(dB)=50(dB/V)×1-6.5 dB=43.5 dB 計(jì)算結(jié)果基本一致。

（3）信號(hào)源輸入頻率450 kHz、幅度適宜的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，通過示波器測(cè)量差分輸出端電壓值（單端值的2 倍），計(jì)算實(shí)際放大增益與增益控制引腳GAIN 接入電平的關(guān)系，結(jié)果如表2 所示。幅度適宜主要原因是GAIN 在0.1～1.0 V 范圍內(nèi)增益范圍為-1.5～43.5 dB，信號(hào)可以被放大也可以被縮小。如果輸入信號(hào)太小增益沒有達(dá)到一定值時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)很小，不利于示波器讀取輸出信號(hào)結(jié)果；如果信號(hào)太大放大增益到達(dá)一定值時(shí)，輸出信號(hào)幅值會(huì)大于4.5 V 而造成信號(hào)失真。

表2 實(shí)際、理論增益與GAIN 值關(guān)系表

5 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了AD8332 可控增益芯片的原理特性。根據(jù)芯片典型電路設(shè)計(jì)形式，利用Altium Designer 軟件設(shè)計(jì)了一種可控增益放大器。經(jīng)過測(cè)試，實(shí)際增益與GAIN的關(guān)系與理論增益曲線一致。此外，測(cè)試顯示多通道模擬接收電路中由于可控增益電路引入的相位誤差的問題基本不存在，說明多波束成像聲吶根據(jù)目標(biāo)距離選擇合適的放大倍數(shù)得到了很好地應(yīng)用。