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AD603+VCA821+AD8367:实际AGC(自动增益控制)放大器电路分析

2018-05-11 14:45更新
  • 集成压控增益放大器
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AGC(Automatic Gain Control,自动增益控制)放大器常用在接收机等输入信号电平有很大变化的环境中,其作用是当输入信号较强时,使放大器增益自动降低,而当信号较弱时,又使其增益自动增高,从而保证在AGC作用范围内输出电压比较均匀,使得放大器后级电路对于输入信号具有良好的处理特性。

AGC放大器的特性

常见的AGC放大器的特性如下图所示。

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红色虚线是理想的AGC放大器特性。当输入电压平均值小于Vi1时,输出电压随输入电压的变化而变化,放大器的增益是一个较大的恒定值。当输入电压平均值大于Vi1后,增益随输入电压平均值的增大而下降,输出电压平均值则保持不变。

由于实际器件的限制,AGC放大器的实际特性往往如图中红色实线所示:输入电压平均值小于Vi1时其特性与理想特性基本相同。当输入电压平均值大于Vi1后,放大器的增益仍然随着输入的增加而下降,但输出电压平均值通常不能完全保持不变而是有一些升高或波动。而当输入电压平均值大于Vi2后,电压增益将趋于一个较小的恒定值。

通常将Vi1到Vi2称为AGC电路的起控范围。需要注意的是,在这个范围内,AGC放大器对于输入信号的放大仍然是线性的,不要将上面图中那根红线误认为是放大器输入-输出特性。例如,在某个输入电压平均值为ViA时,输出电压平均值位于图中A点,此时放大器的输入-输出特性(即输出电压瞬时值与输入电压瞬时值之间的关系)是图中那根黄色的虚线,该线的斜率是彼时的电压增益。 

AGC放大器的结构

AGC电路本质上是一个反馈控制电路,将输出电压平均值通过检测电路变换为合适的直流电平并反馈至压控增益放大器的增益控制端。其结构如下图。

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压控增益放大器是AGC电路的核心。早期的压控增益放大器用晶体管设计,其增益控制主要通过改变晶体管的工作点电流实现。然而现在集成压控增益放大器很多,用集成电路设计AGC放大器更加方便,各种技术指标也更加容易得到控制。

压控增益放大器决定了AGC电路的最大增益和增益变化范围。另外,电路的频率特性、噪声指标等主要指标也都取决于这个放大器,由于反馈环反馈准直流信号,所以对于整个放大器的频率特性基本没有影响。

最简单的检波电路是二极管峰值检波电路,复杂一些的可以用运放构成峰值电压检测电路、有效值检测电路等。

低通滤波器(积分器)的作用是得到检波后信号的平均值成分,该成分就是压控增益放大器的控制电压。

通常将这个滤波器或积分器的时间常数称为AGC时间常数,它决定了AGC电路的反应时间。若AGC时间常数过大,则输入信号发生变化后要过一段时间才起到AGC作用,这种情况称为AGC作用迟钝。反过来若时间常数过小,则输入信号中正常的幅度变化(例如AM信号)也会引起AGC作用,那样就会抑制正常的幅度变化,这种情况称为反调制。在AGC电路中反调制现象是不允许的,而反应迟钝使得AGC功能变差,所以一定要针对输入信号的特点,设计合适的AGC时间常数。通常要求低通滤波器的时间常数大于输入信号中最低频率分量的周期以保证没有反调制,然后再考虑AGC反应速度将时间常数限制在一个合适的范围内。

实际AGC放大器电路分析例一

这个电路摘自ADI公司产品AD603的数据手册。

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此电路由两个AD603构成可变增益放大器,注意它们采用了单电源供电的方式。

AD603的增益控制电压为pin1与pin2之间的差分电压(pin1的电平减去pin2的电平),有效控制范围大约为-0.5V~+0.5V。当控制电压为-0.5V时放大器的增益最小,而控制电压为+0.5V时放大器的增益最大。

根据图中的元件参数,本电路中每个AD603的电压增益可以从0dB变化到+42dB,两个放大器构成级联放大器之目的是增加AGC的控制范围。

两个放大器的增益控制端(pin1)被连在一起,接受由晶体管检波电路送来的AGC电平信号(VAGC)。两个芯片的参考电平(pin2)被R5、R6和R7构成的分压电路赋予不同的偏置电压:A1的参考电平为5.5V左右,A2的参考电平为6.5V左右。整个控制过程可以分为以下几个阶段:

  1. VAGC 大于7V。此时两个运放的差分控制电压均大于+0.5V,处于最大增益状态,整个放大器的增益始终等于最大增益(84dB)。
  2. VAGC在7V与6V之间。此时A1的差分控制电压大于0.5V,处于最大增益状态,A2的差分控制电压为(+0.5V)~(-0.5V),处于正常起控状态,放大器的增益随着控制电压的下降而下降。
  3. VAGC在6V与5V之间。此时A1的差分控制电压为(+0.5V)~(-0.5V),处于正常起控状态,A2则由于差分控制电压低于-0.5V而保持最小增益。整个放大器的增益继续随着控制电压的下降而下降。
  4. VAGC小于5V。此时两个运放的差分控制电压均低于-0.5V而始终保持最小增益(0dB)。

由上述分析可见,整个放大器的传输特性可以分为3段:

  • AGC电平高于7V,这时放大器处于最高增益的阶段,相当于本文前面AGC特性图中输入为0~vi1的阶段。
  • AGC电平在7V与5V之间,整个放大器的增益连续下降,相当于本文前面AGC特性图中输入为 vi1~vi2的阶段(AGC起控阶段)。
  • AGC电平小于5V,整个放大器的增益始终为最低增益,相当于本文前面AGC特性图中输入大于vi2的阶段。

上述AGC电平由Q1、Q2、CAV等元件构成的检波-积分电路产生,工作原理如下:

Q2是一个恒流源,对CAV进行恒流充电。Q2基极电压大约为8.8V,发射极电压大约为9.5V,充电电流大约是(10-9.5)/R9=0.32mA。若没有Q1存在,此电容可以充电直至Q2进入饱和导通状态,VAGC大约是9.3V。由前面的分析可知,此时两级放大器都将处于最高增益状态。

再看Q1,注意到它的基极电位由电阻分压为5V,发射极通过电阻R8接到放大器的输出端。由于运放是单电源供电,参考电压输入端(pin4)被分压到5V,所以输出信号的静态电平就是5V,或者说输出信号在5V上下摆动。输出信号正半周一定大于5V,Q1一定处于截止状态。而在输出信号的负半周Q1可能导通,导通的条件是输出幅度大于Q1发射结的阈值电压(大约0.7V),因此就有:

当输出幅度小于0.7V时Q1不会导通,放大器处于最大增益放大状态。

当输出幅度大于0.7V后,在输出电压的负半周峰值附近Q1将开始导通,导通后CAV上的电压将通过Q1放电而下降。由于CAV上的电压就是可变增益放大器的控制电压,所以当此电压低于7V后放大器增益下降。输出幅度越大则Q1导通越多,放电速度越快,也就是控制电压越低,导致放大器的增益越低,这样就起到了AGC作用。

下面定量估算一下在整个AGC起控阶段中的输入输出电压。

显然,在系统达到动态平衡时,放电电流的平均值应该与充电电流相等。这个电路中,当输出电压大于晶体管Q1发射结电压VBE后Q1才能导通,所以放电电流是输出电压峰值附近的一个尖顶余弦脉冲,其平均值与最大值之间的关系是

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,其中θ是导通角,5。另外还有关系6

将已知条件R8=806Ω、7代入上述关系,可以算得充放电平衡即8时的输出电压峰值9。考虑到这个AGC放大器在起控范围内的增益变化为84dB~0dB(放大倍数16384~1),因此在整个起控范围内的输入电压峰值变化范围约为0.11mV~1.8V。另外,由于VBE并不是固定的0.7V,所以实际电路在起控范围内的输出电压峰值在1.8V附近有少许变化。

实际AGC放大器电路分析例二

这个电路摘自TI公司产品VCA821的数据手册。这个电路采用了运放构成的积分器作为滤波环节。

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在这个AGC电路中,VCA821是压控增益放大器。当控制电压大于1.2V后有最大增益,最大增益取决于两个电阻RF与RG的比值,按照图中参数其最大电压增益为20dB。当控制电压低于1.2V后其增益下降,按dB计算的增益与控制电压成正比,增益变化范围大于40dB。

OPA695是一个同相放大器,除了提高整个电路的最大电压增益外还具有提高电路负载能力的作用,电压增益为20dB(在外接的50欧姆负载上测量。若在运放输出端测量为26dB)。

两个电路级联后,放大器的最大增益为40dB。

OPA820是一个反相积分器,它与二极管1N4150一起产生AGC控制电压。

当OPA695的输出电压峰值低于VREF时,二极管反偏,积分电容通过二极管的反向漏电充电,充电方向从左至右,积分器的输出电压慢慢升高,压控增益放大器的增益随之加大,输出电压也随之升高。

若输入电压很小,使得压控增益放大器在达到最大增益时其输出电压峰值仍然不能高于VREF,则上述状态将维持不变,积分器的输出将达到饱和输出电压。这就是前面AGC特性曲线图中输入电压低于Vi1的情况。

若输入电压足够高,使得输出电压峰值能够高于VREF,则二极管在输出电压峰值附近高于VREF的一段时间内正偏,此期间积分电容的充电方向反向。由于这个反向充电电流的作用,积分器的输出电压开始下降,导致放大器的增益下降,最后达到一个动态平衡。这就是前面AGC特性曲线中输入电压高于Vi1的情况。由此可见改变VREF可以改变AGC起控电平。

与第一个例子一样,本例电路在起控阶段输出电压导致的反向积分充电电流也接近一个尖顶余弦脉冲,所以起控阶段的输出电压估算方法与第一个例子相同,此处从略。

若输入电压很高以至积分器的输出电压低于压控增益放大器的最低控制电压,则输入电压再一步升高也不会使AGC放大器的增益下降而将维持在一个较小的值,这就是前面AGC特性曲线中输入电压高于Vi2的情况。

要指出的是,这个AGC电路由于二极管正反向内阻相差悬殊,导致积分电容在两个不同方向充电的时间常数差别极大,这可能会造成AGC作用不正常,所以最好在二极管的负极(二极管与1kΩ电阻连接点)增加一个k欧姆数量级的电阻接地。 

实际AGC放大器电路分析例三

这个电路摘自ADI公司产品AD8367的数据手册。

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这个电路中AD8367是一个压控增益放大器,-3dB截止频率为500MHz,增益控制范围为-2.5dB~+42.5dB,pin5为控制电压输入端。

AD8361是一个有效值检波器,检波得到的电压Vrms是一个与AGC输出电压有效值相关的直流电平。此电压Vrms送入运放AD820构成的积分器,当Vrms低于VSET时,流过积分电容C1的电流方向自左向右,积分器的输出电压VAGC逐渐升高,压控增益放大器的增益也逐步加大。若Vrms高于VSET时,流过积分电容的电流方向自右向左,积分器的输出电压VAGC逐渐下降,压控增益放大器的增益也逐步减小。所以在AGC起控范围内,输出电压基本保持不变,起控电平由VSET确定。

若由于输入信号电压太小或太大,导致积分器的输出电压超出压控增益放大器的有效控制电压范围,则AGC作用失效,这就是在本文最前面提到的AGC特性中越出起控范围的部分。

在本电路的增加了电阻R3,它提供一个零点,可以适当加快对于输入信号幅度突变的响应速度。为了避免此电阻引入反调制现象,又并联了一个20pF的小电容以消除高频信号的反馈。

三个AGC放大器电路例子之比较

前面分析了三个AGC电路,下面做一个简单的比较。

三个AGC电路都采用了集成压控增益放大器作为主放大器,具有增益控制范围大、电路简单可靠等共同特点,三个电路的区别仅在于频响、可变增益范围、噪声系数等参数。

三个AGC电路区别较大的是检波-积分环节。

第一个电路采用了晶体管电路,最大优势是成本低,缺点是起控电平严重依赖于晶体管的VBE,AGC控制特性较差。

第二个电路采用了二极管检波和运放积分器,其起控电平可以通过积分器的参考电平确定,但是不能克服二极管的非线性引起的AGC控制特性不够理想的缺陷。

第三个电路采用了集成有效值检波器和运放积分器,克服了检波电路的非线性影响,可以获得比较理想的AGC控制特性。


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