接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

1、接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計 接收 機(jī)設(shè) 計是 一種綜合性的挑戰(zhàn) ，首先要明確設(shè)計目 的，即 設(shè) 計那 一種接收 機(jī)，不 同種類接收機(jī)的設(shè)計方法是 大不 相同的。然 后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計 的指 標(biāo)要求進(jìn) 行全面分析，尋 找出設(shè)計重點或難點，即是高靈敏度設(shè)計；或是高線性設(shè)計；或 是大動態(tài)范圍設(shè)計；還是寬頻帶設(shè)計。不 同的設(shè)計重點有不同的實現(xiàn)方法，根據(jù) 系統(tǒng)要求的性能指標(biāo)，首先要確定： 1 接收 機(jī)的 結(jié)構(gòu) 形式，設(shè)計系統(tǒng)實 現(xiàn)的 原理方框 圖。 確定采樣超外差式結(jié)構(gòu)，零中頻結(jié)構(gòu)，還是數(shù)字IF結(jié)構(gòu)；確定采樣本 振頻率合成器的類型； 確定是一次變頻還是多次變頻結(jié)構(gòu)， 是否用高 中頻 ； 確 定信 號的動態(tài)范圍及接 收機(jī)

2、 的線性度 。 2 接收 機(jī)功 能電 路實現(xiàn)及系統(tǒng)線路 組成 ， 設(shè)計電 路圖。 本章對一般接收機(jī)的設(shè)計方法不作詳細(xì)的討論，只重點討論接收機(jī)設(shè)計中有 關(guān)高線性度和大動態(tài)范圍實現(xiàn)的具體方法， 這也是本課題實現(xiàn)中的難點所在。 1.1 大動 態(tài)范圍 接收機(jī) 設(shè)計方法 接收機(jī)動態(tài)范圍 DR( Dynamic Range ) , 是指接收機(jī)能夠接收檢測到的信號 功率從最小可檢測信號MDS到接收機(jī)輸入1-dB壓縮點之間的功率變化范圍， 是接收機(jī)最重要的性能指標(biāo)之一。第二章對動態(tài)范圍已經(jīng)作了詳細(xì)的論述。通 常，一般的接收機(jī)都具有60dB80dB的動態(tài)范圍，現(xiàn)代接收機(jī)則對動態(tài)范圍指 標(biāo)提出相當(dāng)苛刻的要求，往往

3、超過100dB。如本項目動態(tài)范圍指標(biāo)要求做的大 于 120dB 。 實現(xiàn)接收機(jī)動態(tài)范圍的功能電路是接收機(jī)中的 AGC， 自動增益控制電路。 AGC是一個閉環(huán)負(fù)反饋自動控制系統(tǒng)，是接收機(jī)最重要的功能電路之一。接收 機(jī)的總增益通常分配在各級AGC電路中，各級AGC電路級聯(lián)構(gòu)成總的增益。在 接收微弱信號時， 接收機(jī)要具有高增益， 將微弱信號放大到要求的電平， 在接 收機(jī)靠近發(fā)射電臺式時，AGC控制接收機(jī)的總增益，使接收機(jī)對大信號的增益 很小， 甚至衰減。 接收機(jī)動態(tài)范圍實現(xiàn)的示意圖如下圖所示。 40 20 Pou 0 60 80 100 120 圖1-1 接收機(jī)動態(tài)范圍實現(xiàn) AGC的一般原理框圖如下

4、， 是一個直流電壓負(fù)反饋系統(tǒng)，控制信號代表信道 輸出幅度檢波后的直流值與參考電壓之間的誤差值，若輸 圖1-2 接收機(jī)動態(tài)范圍實現(xiàn) 入信號幅度變化，則控制信號也隨著變化，其作用是使誤差減小到最小值。對 AGC環(huán)路的要求隨輸入信號的調(diào)制類型不同而不同。通常，AM信號對AGC的要 求較FM接收機(jī)或脈沖雷達(dá)接收機(jī)要嚴(yán)格的多。 通常接收機(jī)第一級AGC的輸入級的信號動態(tài)范圍最大，而且第一級AGC一 般要求要具有衰減作用以提高接收機(jī)接收大信號的能力。在AGC電路中必須保 證信道放大器工作在線性區(qū)域，即小于器件的1 - dB壓縮點，否則就會產(chǎn)生失 真。 1.1.1自動增益 控制AGC原理 1.1.1.1線性A

5、GC原理 AGC系統(tǒng)從根本上說是一個非線性系統(tǒng)。很難得到描述系統(tǒng)動態(tài)特性的非 線性動態(tài)方程的通解。但是，對于一些系統(tǒng)，可以求得系統(tǒng)的閉環(huán)解。對于大 多數(shù)系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)的小信號模型導(dǎo)出近似解。 圖1-3 線性(以分貝為單位)AGC系統(tǒng) 上圖是一個能用解析法求解的線性AGC系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，可變增益放 大器VGA的增益為P，服從以下的控制律： P K1e aVc(1-1) 因此：Vo ViK1e aVc(1-2) 上式中Vi和Vo分別表示輸入和輸出信號的包絡(luò)幅度。而對數(shù)放大器的增益 為： V2 al ny(1-3) 上式中K2為包絡(luò)檢波器的增益。包絡(luò)檢波器的輸出總式正的，因此，對數(shù) 放大器的輸

6、出為實數(shù)，即可正可負(fù)。于是控制電壓為 F(s)(Vr In Vo)(1-3) 上式中，F(xiàn)( s)為濾波器的傳遞函數(shù)。 因為可變增益放大器服從指數(shù)規(guī)律，有： InVo aVc In K1Vi(1-4) 控制電 壓為：aVc InVo In K1Vi(1-5) (1-7) (1-8) (1-9) 則： (1-10) 即：lnV1 aF(s) lnVi aF(s)Vr In K, aF(s)ln K2(1-6) 對輸入信號的響應(yīng)為： InVo1 aF(s) lnVi aF (s)Vr 因為由對數(shù)運算有下式關(guān)系： In Vo2.3IogioVo 所以，可得到下式： 2 3 InVoVo 0.115V。

7、( dB) 20 令eo和ei分別表示以分貝為單位的輸出和輸入， e 8.7aF(s)Vr 入 1 aF(s) 1 aF(s) 因此，只要給出的輸入量和輸出量以分貝為單位表示，則具體的AGC電路 便可以用線性微分方程來描述。該AGC系統(tǒng)就可以用如下圖所示的線性負(fù)反饋 系統(tǒng)等效方框圖來描述系統(tǒng)。 圖1-4 線性(以分貝為單位)AGC系統(tǒng)等效方框圖 上圖中，環(huán)路的動態(tài)特性由濾波器的傳遞函數(shù)F ( S)和可變增益放大器的 系數(shù)a來描述。由于環(huán)路帶寬必須受到限制，使它對存在于輸入信號的任何幅 度調(diào)制不作出響應(yīng)，所以F ( S)必須使低通濾波器。環(huán)路的穩(wěn)定性取決于濾波 器的階數(shù)和環(huán)路增益。隨著輸入幅度的

8、變化而產(chǎn)生的輸出穩(wěn)態(tài)增益為： eoe(1-10) 1aF(0) 式中f( 0)為濾波器的直流增益。應(yīng)該使增量 eo隨輸入幅度的變化盡可能小為達(dá)到這一目的，應(yīng)使直流環(huán)路增益盡可能大 如果F ( S)是一個一階濾波器，且： F(s) K s/B 1 (1-11) 式中，K是濾波器的直流增益，B是濾波器的帶寬，那么直流特性為： ei 1 aK (1-12) 則圖3 4所示的線性AGC系統(tǒng)的總直流輸出為: ei8.655VaK(1 13) e。(1-13) 1 aK 1 aK 通常，環(huán)路傳輸aK遠(yuǎn)大于1，所以輸出e。等于8.655V r。若以分貝為單位，則 輸出幅度與參考電壓Vr成正比。 含有參考電壓

9、的AGC環(huán)路，稱為延遲AGC延遲AGC并不是指帶寬的限制 而延遲了增益控制，主要是指AGC環(huán)路包含有參考信號。簡單的AGC環(huán)路里不 含有參考電壓，這在一般低要求的接收機(jī)中是常見的，比如普通的收音機(jī)。 具有一階低通濾波器環(huán)路的AGC閉環(huán)傳遞函數(shù)為： eL 1 aK (1-14) B(1 aK) 對于所有的aK0的閉環(huán)極點總在左半平面，所以這個系統(tǒng)基本是穩(wěn)定的。閉環(huán) 系統(tǒng)頻率響應(yīng)的幅頻響應(yīng)圖如下圖1 5所示 為了對輸入信號幅度變化作出響應(yīng)，AGC環(huán)路應(yīng)具有高通濾波器特性，即 在高頻時，AGC的作用很小。對于幅度調(diào)制信號，角頻率3 l應(yīng)低于最低調(diào)制 頻率 3 M： L B(1 aK) m(1-15)

10、這意味 著濾波器帶寬要比最低調(diào)制頻率小得多，其原因是負(fù)反饋增大了閉環(huán)帶 寬。 圖1-5 線性AGC系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 如上所述，為了保持輸出電平地恒定，應(yīng)該保持盡可能大的直流環(huán)路增益。 一種方法是采用積分器作為濾波器，即F ( S) =C/S。理想的積分器對直流的增 益為無窮大，因此穩(wěn)態(tài)輸出幅度不會隨著輸入幅度的慢變化而變化。這種濾波 器的輸出為： e(s) egs 8.6Vra s aC s aC (1-16) 在輸入恒定時，穩(wěn)態(tài)輸出仍與參考電壓成正比，即 tim eo(t) 86冬(1-17) tC 1.1.1.2 另一種AGC模型分析 許AGC環(huán)路不含有對數(shù)放大器，因為對數(shù)放大器要和指數(shù)型可

11、變增益放大 器一起應(yīng)用時才能構(gòu)成線性AGC模型。但是對于不含對數(shù)放大器的AGC系統(tǒng)， 仍然可以導(dǎo)出其小信號模型。小信號的限制時指：分析系統(tǒng)只對某一特定的工 作點附近的微小變化量時正確的。下圖3- 6是一個AGC系統(tǒng)的原理方框圖模型。 在該AGC系統(tǒng)中，可變增益放大器和檢測器是環(huán)路中僅有的非線性部件。為了 簡化分析，而又不失一般性，假定檢測器、差動放大器以及在可變增益放大器 之后的放大器的增益都為1。 圖3-6 具有兩個非線性部件的AGC系統(tǒng) 基于以上的假設(shè)，上圖所示的系統(tǒng)可用下圖3- 7所示的簡化模型表示 圖1-7 圖3 6所示AGC系統(tǒng)的簡化模型 上圖中，Vo和Vi現(xiàn)在指的是包絡(luò)值，F(xiàn)為低通

12、濾波器和放大器組合的與頻 率有關(guān)的傳遞函數(shù)。輸出電壓Vo = PVo, 控制電壓為： Vc （Vr V0）F 輸出電壓對輸入電壓的導(dǎo)數(shù)為： 可變增益放大器的增益P是Vc的函數(shù) dVo dVi d (PVi) P dVi 由于： dP dP dVc dP dVc dVo dVi dVc dVi dVc dVo dVi (1-18) dP (1-19) Vi dVi dP dVo“ (F) o (1-20) dVc dVi 將式（3 20）代入到式（3 19）,可得至心 dV dV (1 (1-21) dVc (1-22) dVo Vo dVi Vi 式(1 21 )和(1 22)是圖1 7所示A

13、GC環(huán)路的小信號微分方程。 在某一特定控制電壓的增量變化，上式是正確的。環(huán)路的傳輸函數(shù)為： L F(s)Vi-dP- dVc (1-23) 隨著 因為 Vc可變增益放大器和一個作為低通濾波器F 的積分器，且F( s) = K/s， 從式(3 23)可得: L KVi s (1-24) 而輸入信號的微小階躍變化為: Z(s) Vi (1-25) 因此，輸 出電壓的歸一化變化量為: VT(s) s KVi (1-26) 反變換到時域: KVjt ie (1-27) 是輸入信號的函數(shù)，因此系統(tǒng)一般是非線性的。由于系統(tǒng)的非線性特性, 輸入幅度變化而產(chǎn)生的如圖1 5所示的系統(tǒng)暫態(tài)性能一般是難以得到的 環(huán)

14、路傳輸取決于輸入幅度，故而閉環(huán)系統(tǒng)的極點也取決于輸入幅度，暫態(tài)響應(yīng) 的速率也是如此。 如果圖1 7所示系統(tǒng)中,AGC環(huán)路含有一個具有線性特性的P ( Vc) 可以看出環(huán)路動態(tài)特性時任何取決于輸入信號的幅度的。在AGC系統(tǒng)中，關(guān)鍵 時對暫態(tài)響應(yīng)的控制，一般需要更復(fù)雜的環(huán)路。如果可變增益特性P ( Vc)已 知，就可以通過選擇一個控制電壓值作為起始點，來進(jìn)行環(huán)路直流特性的數(shù)值 計算。 以上討論的AGC系統(tǒng)都能提供對輸出振幅的連續(xù)監(jiān)測和對可變增益放大器 的連續(xù)調(diào)整。還有許多系統(tǒng)是間歇地監(jiān)測輸出負(fù)載的，并在間歇期間調(diào)節(jié)增益。在其余時間，環(huán)路控制是開路的，并且在開路期間增益保持恒定。例如，電視接 收機(jī)就

15、是一個用選通門控制的AGC系統(tǒng)。如果用作AGC的選通門信號不包含任 何調(diào)制（例如TV同步脈沖），則AGC系統(tǒng)帶寬可以做得很寬以提供快速響應(yīng)， 而且不會抑制脈沖之間的調(diào)制?，F(xiàn)在已經(jīng)用數(shù)據(jù)采樣技術(shù)來分析脈沖型AGC系 統(tǒng)。當(dāng)AGC系統(tǒng)有線性模型可以適用時，這種方法具有實用意義。 1.1.1.3 AGC 系統(tǒng)部件 AGC系統(tǒng)的設(shè)計者應(yīng)該了解幾種可變增益放大器（VGA的控制律，以便從 中選擇。選擇的標(biāo)準(zhǔn)包括：頻率響應(yīng)、控制電壓的有效范圍、以及所需可變增 益放大器的工作范圍等。增益為控制電壓的指數(shù)函數(shù)的VGA比線性控制函數(shù) 的VGA有較寬的增益變化范圍。模擬乘法器按定義有線性控制律，雙柵MOSFET 增

16、益控制器和PIN二極管衰減器是呈現(xiàn)指數(shù)控制律的許多電路中的常用的兩種 電路。 圖1-8 AGC系統(tǒng)常用得指數(shù)放大器圖和環(huán)路中常用得對數(shù)放大器 雙極差動放大器一般用于集成電路中，它的電壓增益與集電極偏置電流成 正比，因而可以通過調(diào)節(jié)集電極直流電流來改變增益。上圖1 8中左所示得是 簡化的差動放大器電路，其中晶體管Q為一恒流源，Q的集電極電流為： Ic IseVR/VT（1-28） 因此指數(shù)放大器的增益（與Ic成正比）是控制電壓Vr的指數(shù)函數(shù)。上圖3 7中右所示的電路可供采樣對數(shù)放大器的AGC環(huán)路作為對數(shù)放大器使用。由 于運算放大器的同相端接地，因此： Q Ii Vi RS Ic Vo/Vt se

17、 (1-29) 輸出電壓為: Vo Vt In Vi Rsl s (1-30) 是輸入電壓的對數(shù)函數(shù)。 1.1.2 PIN 二極管電調(diào)衰減器AGC設(shè)計 用PIN二極管構(gòu)成的電調(diào)衰減器在通用寬帶接收機(jī)中經(jīng)常使用，控制線性 度好，適用頻段寬，插損小，體積小，成本低，而且是完全阻性線性衰減，與 VGA相比，不受P 1dB點的制約，因此可以用在接收機(jī)RF前端，提高接收機(jī) 的抗堵塞能力和大信號接收能力。因此大多數(shù)控制電路都采樣PIN管。 1.1.2.1 PIN 二極管原理極其特性 在兩個高參雜的P*和N*半導(dǎo)體之間夾入一個未參雜的本征層即I層，就可 以構(gòu)成PIN二極管， 結(jié)構(gòu)和符號如下圖1 9所示 PI

18、N管與一般的PN結(jié)二極 度 因 具 /、 控 P+IN+ PIN管結(jié)構(gòu) PIN管符合 相似，具有整流特性，但是它的結(jié)電容要小一 些。因為耗盡層的寬度與P層或N層的電阻率 （或者參雜濃度）成反比，且PIN管的參雜濃 較低，所以PIN管的耗盡層比PN結(jié)二極管寬， 此結(jié)電容也就較小。由于PIN管在方向偏置時 有低電容，高阻抗特性，可以等效圖1-9 PIN 二極管的結(jié)構(gòu)與符號 未開路，所以在作為 制電路時效果很好。如開關(guān)、阻性衰減 器、限幅器、數(shù)字移相器及數(shù)字調(diào)制器等 PIN 二極管的等效電路如下圖1 10所示: Rj(v) 圖1-10 PIN 二極管的等效電路與I V特性曲線 左圖中，正向偏置時，開

19、關(guān)指向R，反向偏置時，開關(guān)指向C,如下兩種情況： 1 . 正向偏置時：上圖右中A點，忽略封裝效應(yīng)Ls和Cp，則可以等效為: Zf RfRs Rj 0(1-31) Rf =R； +Rj 即PIN管正向偏置時與PN結(jié)二極管相似，只有極小的結(jié) 電阻，等效為斷路。見左圖所示。 圖1-11 PIN 管正向等效電路 2 . 和Cp，則可 以等 反向偏置時：上圖1 10中B點，忽略封裝效應(yīng)Ls 即反向偏置時等效未 正向與反向偏置時的 圖1-12 PIN 管反向等效 Cj 效為： 1 乙Rsj（1-32） Cj 開路。等效電路如左圖所示。 典型參數(shù)值變化規(guī)律如下表所示: 電路 表 1-1PIN管正向偏置時R隨

20、Io的變化規(guī)律 I o （正偏電 流） mA 5 10 20 25 40 50 100 R（正偏電阻） Q 7.8 4.8 2.0 1.5 1.0 0.8 0.55 表1-2 PIN 管反向偏置時電容Cj隨偏壓的變化規(guī)律 V（正偏電 流） V 0 -5 -20 -40 -50 -75 -100 -150 C （結(jié)電 容） 3.55 1.602 0.766 0.667 0.648 0.633 0.633 0.633 1 S Design Explorer - E:thesi sproteldissertat ion. ddb S Eile文件可見正偏時，胃NE管基本上時一個線性可控的可變電阻器，

21、且結(jié)電容很小弓口 Help幫肋 小遇r對i頻率特性的影餉很小，.在幾十兆到幾千兆頻段上都適用，因此廣泛用于大動 態(tài)范圍寬帶接收機(jī)中。 3.122 PIN 二極管電調(diào)衰減器 RFin RF out W 卜 Hi RJin 8( I? V ACC-IV (2-4V) o 般PIN管電調(diào)衰減器的插損可以做的小于2dB o l X:1036 Y：752 當(dāng)信號增大，在需要進(jìn)行衰減的信號電平輸入時，將AGC輸入設(shè)置為臨界值， 圖1-13 PIN 管電調(diào)衰減器的幾種電路結(jié)構(gòu) 上圖1 - 13中所示為PIN電調(diào)衰減器的幾種電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)小信號時，不希 卅 望有衰減，則PIN應(yīng)該處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，這時候?qū)π盘柕?/p>

22、衰減是電調(diào)衰減器 的最小衰減量，即電路的插損 即此時AGC輸入電壓與PIN管的正極電壓差為PIN管的正向?qū)妷?，通常?0.7V左右，隨著信號的增大，同時增大AGC輸入端的電壓，使PIN管的導(dǎo)通程 度線性降低， 即 PIN 管的正向電流線性減少， 對信號的衰減器逐漸增加， 輸出 信號的電平因此基本保持恒定。 需要說明的是，AGC輸入的控制電壓一般是AGC反饋系統(tǒng)自動提供的，AGC 電壓隨著輸入信號電平的增大而線性增大，當(dāng)AGC輸入電壓是人為的控制電壓 時， 則稱為 MGC， 人工增益控制。 一般用作AGC系統(tǒng)中電調(diào)衰減器的PIN管多數(shù)是成對的使用，用多個PIN 管來提高最大衰減量，改善控制線

23、性度。PIN管可以串聯(lián)，也可以并聯(lián)。 通常PIN管電調(diào)衰減器最大衰減量為2040dB，取決于PIN管的數(shù)目及構(gòu) 成方式。下圖1 - 14所示的n型結(jié)構(gòu)PIN管電調(diào)衰減器是HP公司最早提出， 且結(jié)構(gòu)多年改進(jìn)的結(jié)構(gòu)， 具有優(yōu)異的衰減線性度、校大的動態(tài)范圍和較低的插 損。 圖1-14寬頻帶4 PIN管n型電調(diào)衰減器結(jié)構(gòu) 上圖1 14所示的寬帶4 PIN管n型結(jié)構(gòu)電調(diào)衰減器有許多優(yōu)點如下： 1、雙管串聯(lián)結(jié)構(gòu)大大提高了衰減器的最大衰減量， 和上限頻率限制。 使衰 減器的適應(yīng)度更高。最大衰減量可以到60dB以上，且可以工作在100KHZ 3000MHz 頻段上。 2、由于兩個PIN管串聯(lián)取代了 n型結(jié)構(gòu)衰

24、減器中的串聯(lián)電阻，PIN管的相 位特性消除了通過電調(diào)衰減器的信號中的偶次失真分量， 且理論上抵消 了一半的噪聲， 這種結(jié)構(gòu)大大減小了失真量和噪聲量， 具有較高的線性 度。 3、這種結(jié)構(gòu)的衰減器在電路結(jié)構(gòu)上使對稱的，因此簡化了電路的直流饋電， 直流饋電是電調(diào)衰減器的難點之一。 下圖是這種n型結(jié)構(gòu)衰減器的主要性能曲線。 圖 115 衰減量頻率響應(yīng)圖 116 回退損耗頻率響應(yīng) 圖 117 電壓控制衰減特性 通過多次實驗和電路上的改進(jìn)，應(yīng)用在本項目實現(xiàn)中的這種4 PIN管n 型結(jié)構(gòu)衰減器具有相當(dāng)優(yōu)異的性能： 1 插損在工作頻段中優(yōu)于 3dB。 2 . 最大衰減量為45dB。即動態(tài)范圍為3dB45dB，

25、大于40dB。 3 控制線性度好，通過調(diào)整電路參數(shù)，控制靈敏度可以做到 0.1 0.3V/dB 。 1.123 PIN 二極管電調(diào)衰減器AGC實現(xiàn) 放大器 g型2電b調(diào)衰減秋AGC實現(xiàn) 調(diào)衰減器衰減器構(gòu)成的AGC系統(tǒng) RF輸入圖P-N8電調(diào)寬衰減帶4 PIN 上圖所示的為由_4i0個B pin 型結(jié) 該結(jié)構(gòu)電路可以工作在0.1mHz3000MHz頻段上?？色@得優(yōu)于35dB的動態(tài)范圍， aGc電壓 若接收機(jī)前端3電路控 0.2V/dB P- 1dB輸出壓縮點為 號功率可以高達(dá)+ 20 AGC 這種AGC電路，最小插損優(yōu)于檢（波。若許多中RF放大器的 I器 + 13dBm,則在回退10dB保證線，

26、 dBm輸入。 性度的情況下，RF輸入信 DC放大器 增益 放大通器 AGC設(shè)計卜 濾波器 VGA可變增益放大器構(gòu)成波器AGC系統(tǒng)具 1.1.3 VGA 可變 流簡單電壓使用方便，成本低， 集成度高，控制線性度好，動態(tài)范圍大等許多優(yōu)點，非常適合用在接收機(jī)中頻 AGC電路中，一級通常就可以獲得30dB50dB的動態(tài)范圍。 1.1.3.1 VGA 可變增益放大器 過去通常用控制晶體管集電極電流來控制正向傳輸導(dǎo)納，因而控制晶體管 的增益，來實現(xiàn)放大器的增益可變。但是這種可變增益的晶體管放大器用在AGC 中，其諧振特性往往發(fā)生很大的變化，頻率特性不理想。隨著半導(dǎo)體器件的發(fā) 展，出現(xiàn)了雙柵MOSFET它

27、相當(dāng)于把兩個場效應(yīng)管結(jié)合在一起，這種器件特別 適合用作AGC系統(tǒng)中的可變增益放大器或混頻器。雙柵MOSFET 個柵極用作 RF信號輸入端，另一個柵極作為AGC控制電壓的輸入端。由于雙柵分別連接， 當(dāng)AGC電壓控制放大器增益時，MOSFET放大器的輸入輸出阻抗基本不變。 目前在VGA芯片領(lǐng)域，幾乎較為著名的公司都在開發(fā)VGA芯片，性能結(jié)構(gòu) 發(fā)展非常迅速。比較具有代表性的VGA結(jié)構(gòu)原理框圖如下圖3 19所示： 圖1-19可變電阻衰減網(wǎng)絡(luò)+高增益放大器實現(xiàn)VGA原理框圖 這種結(jié)構(gòu)由一個可變阻性衰減網(wǎng)絡(luò)和一個固定增益的放大器相結(jié)合，用 控制阻性衰減網(wǎng)絡(luò)的衰減量來實現(xiàn)整體的增益可變。由于阻性衰減時最理想

28、的 衰減方式，基本上不受頻率的影響，且時線性衰減，輸入輸出匹配不受影響。 用在中頻AGC中非常理想。 如美國著名的IC芯片制造商AD公司的VGA芯片AD603，上圖就是其結(jié) 構(gòu)原理框圖，具有非常優(yōu)異的性能： 1 . 42dB的大動態(tài)范圍，且通過改變輸出與電阻衰減網(wǎng)絡(luò)之間的反饋方式， 可以增益方式，增益可為：11dB+ 31dB （ 90MHz帶寬）或1dB+ 41dB （ 30MHz帶寬）或+ 9dB+ 51dB （ 9MHz寬帶）。 2. 完全線性控制，控制靈敏度為25mV/dB?？荚鲆婵刂七\算放大器的同相端 和反向端之間的電壓差來控制阻性衰減網(wǎng)絡(luò)的衰減量，控制電壓差為 0.5V，共1V以獲

29、得42dB的動態(tài)范圍。 3. 控制精度高，典型控制精度為誤差0.5dB。 4. 低噪聲設(shè)計，噪聲譜密度為1.3nV /, Hz。 1.1.2.3 VGA可變增益放大器AGC實現(xiàn) 用VGA AGC檢波器，直流運放和RC低通濾波器就可以構(gòu)成AGC系統(tǒng)。AGC 檢波器對VGA的輸出進(jìn)行包絡(luò)檢波，輸出的電壓與VGA輸出信號的包絡(luò)即調(diào)制 成正比，經(jīng)過直流運放放大后，低通濾波器對其濾波，消除交流雜散，而后控 制VGA的增益，實現(xiàn)自動增益控制。 用VGA構(gòu)成的AGC系統(tǒng)的性能主要取決于VGA的性能，通常VGA的工作頻 段不高，一般在幾十兆赫茲，這是限制VGA應(yīng)用的主要因素，現(xiàn)在各大公司都 在向射頻VGA挑戰(zhàn)

30、，但是上百兆的VGA芯片價格非常昂貴。 VGA構(gòu)成的AGC系統(tǒng)還有一個重大的缺陷，就是VGA芯片本身的P 1dB壓 縮點問題，對大信號的處理能力差。一般的VGA芯片為CMOS型，其輸入功率通 常較小，輸入P 1dB壓縮點一般為30dB m30dBm之間，因此，既使VGA 可以工作在接收機(jī)工作頻段中，VGA- AGC也不能用在RF前端。但是用在中頻 AGC中是非常適合的，一級就可以獲得大于40dB的動態(tài)范圍，而且控制線性度 好，性價比高。 1.1.3 級聯(lián)AGC實現(xiàn)接 收機(jī) 大動態(tài) 范圍 將多級AGC級聯(lián)起來就可以展寬接收機(jī)得動態(tài)范圍，但AGC級聯(lián)得方式是 多種多樣得，并且根據(jù)不同得接收機(jī)類型有

31、不同得考慮。在整體AGC實現(xiàn)時需 要主要考慮： 1 . AGC控制電壓是直流電壓，RC低通濾波器的時間常數(shù)應(yīng)該根據(jù)信號的形 式來選擇。RC時間常數(shù)太大，AGC控制電壓跟不上信號的變化，AGC就不 起作用；RC時間常數(shù)太小，則AGC控制不太靈敏，會產(chǎn)生反調(diào)制，抵消 調(diào)幅波中的的幅度變化。 2. 增益控制的級數(shù)以及在接收機(jī)電路中所處的位置，這要根據(jù)設(shè)計的要求 的不同而重點考慮之處，特別要防止信道中出現(xiàn)飽和。但是第一級高放 不宜受控，因為要保證接收機(jī)的靈敏度，整機(jī)的噪聲系數(shù)必須控制在一 定的范圍內(nèi)，而第一級高放對整機(jī)的噪聲系數(shù)起決定性的作用。選擇受 控級位置的一般原則是：在不影響最大信噪比，保證接收

32、機(jī)靈敏度的前 提下受控級應(yīng)盡量靠前。 3. 設(shè)計AGC環(huán)路的增益，保證環(huán)路的穩(wěn)定性。 一般來說，第一級AGC用該用處理大信號能力強，工作頻段高的AGC PIN 管結(jié)構(gòu)的AGC較為合適，來獲取大于30dB的動態(tài)范圍，第二級可以用VGA構(gòu)成 的AGC，也可以用分量器件的AGC，主要是看輸入信號的最大電平是否適合。第 三級AGC一般在IF級，由于頻段較低，可以用VGA- AGC通常，三級AGC級 聯(lián)可以獲得大于80dB，的動態(tài)范圍，為了保證許多的穩(wěn)定性，AGC級聯(lián)之間一 般要加一定的衰減保證在小信號時不自激。如果接收機(jī)所接收的RF信號頻段不 高，VGA可以在接收機(jī)的RF段上工作，那么可以在變頻前就將

33、信號電平拉平， 完成動態(tài)范圍要求，這樣可以保證信號變頻前功率處于同一量級，時 IF 電路能 較好的工作，減少IF級以及后級電路調(diào)試難度，減少問題。但是多級AGC電路 在同一頻率上之間級聯(lián)，會帶來一些問題，增加AGC電路的調(diào)試難度。必須保 證以下幾點要求，這是在本項目經(jīng)過三次改版，多次反復(fù)調(diào)試AGC電路后的一 點體會， 如下： 1 . 第一級AGC在小信號時的插損必須很小，因為如果在這級AGC之前沒有 第一級高放的情況下，這一級AGC的插損就之間加到整機(jī)的噪聲系數(shù)上， 帶來的后果時很嚴(yán)重的。因此插損一般必須小于24dB。在設(shè)計苛刻的 靈敏度的接收機(jī)時，這種方案時不可行的，信號是不能直接進(jìn)入AGC

34、的。 2 .仔細(xì)考慮起控點。一般第一級AGC要在輸出信號電平滿足下一級要求的 情況下， 完全實現(xiàn)動態(tài)范圍， 這一級對小信號的作用是最關(guān)鍵的。 后級 AGC的起控點必須仔細(xì)考慮，越后級的AGC的控制靈敏度應(yīng)設(shè)置的越高。 比如信號輸入為110dBmOdBm,要滿足110dB的動態(tài)范圍，第一級PIN AGC的動態(tài)范圍為30dB， 10+ 20dB ;第二、三級為 VGA- AGC,動 態(tài)范圍分別為40dB，。第二級為10+ 30dB，第三級為040dB，每級 輸入不能超過15dBm，每兩級之間加5dB的衰減量。信號經(jīng)過第一級AGC 后為：9010dBm；衰減5dB: 9515dBm；經(jīng)過第二級AGC

35、后為： 65 25dBm；衰減 5dB: 70 30dBm；最后一級 AGC后：0dBm 2dBm。 這樣基本上實現(xiàn)了 110dB的動態(tài)范圍。AGC級與級之間加衰減是為了防止 小信號時信道自激，因為小信號輸入時AGC對信號沒有衰減，每級AGC 中的放大器直接級聯(lián)經(jīng)常會自激。以上討論時基于理論上的，在實際調(diào) 試中，級聯(lián)AGC的調(diào)試難度是非常大的，會出現(xiàn)許多意想不到的問題， 需要反復(fù)調(diào)試。如上所述的110dB的動態(tài)范圍實現(xiàn)用三級AGC一般是不 夠的，實際中，并不是每級的動態(tài)范圍加起來就能滿足總的動態(tài)范圍， 后級AGC的控制靈敏度一般很難做到所要求的，而且在小信號時，接收 機(jī)噪聲及雜散的影響很大，級

36、聯(lián)AGC對小信號的放大量并不是每級AGC 中放大器的增益只和。 3. 慎重考慮信道中每一點處的最大功率值，尤其時在放大器前，要滿足有 源器件的P 1dB壓縮點要求，防止信號壓縮。因此第一級AGC中的放大 器選擇要選壓縮點高，線性度好的管子，接收機(jī)接收的最大信號到第一 級AGC電路，經(jīng)過AGC的最大衰減后的功率必須小于放大器的1dB壓縮 點。一般為了保證信道的不失真，要在P 1dB壓縮點處回退610dB。 同樣以次設(shè)置后級有源器件前的最大功率值，這需要在設(shè)計電路時就要 仔細(xì)的考慮，在調(diào)試時通過對AGC起控點的設(shè)置來滿足此要求。 4. 最后一級AGC最難實現(xiàn)。因為經(jīng)過前幾級AGC電路，到最后一級AGC時， 信號功率一般較高，因此檢波后直流值比較大，這要求AGC控制靈敏度 很高才能滿足要求，而且前級電路的噪聲以及雜散在這一級的影響明顯 增大，會出現(xiàn)在不需要衰減時，直流運放的輸出過大，控制電壓大而時 衰減量過大。 5. 級聯(lián)AGC的調(diào)試應(yīng)從前往后一級一級級聯(lián)調(diào)試，當(dāng)全部級聯(lián)后不滿足系 統(tǒng)要求時，斷開后從后級一級一級往前級聯(lián)調(diào)試，從中不斷發(fā)現(xiàn)問題的 根本所在，找到解決問題的方法。如果時設(shè)計中的