摘 要： 一種優(yōu)化增益控制電路設(shè)計(jì)方案，在滿足靈敏度要求的前提下，線性性能達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，并且將該設(shè)計(jì)方案成功應(yīng)用于ISM頻段定位系統(tǒng)的接收射頻前端。
關(guān)鍵詞： 增益控制；噪聲系數(shù)；靈敏度；射頻前端
ISM頻段的定位系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，所以對(duì)接收機(jī)射頻前端的靈敏度要求很高。接收射頻前端一般采用超外差的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)混頻器下變頻到固定中頻信號(hào)。中頻放大器可以實(shí)現(xiàn)很高的增益，為后端信號(hào)處理提供較大和穩(wěn)定的功率。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，現(xiàn)代中頻放大器使用了增益控制技術(shù)。增益控制電路的設(shè)計(jì)，直接影響到整個(gè)接收射頻前端的靈敏度和線性性能。在放大器級(jí)聯(lián)電路中，不同的增益分配對(duì)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和線性性能有重要影響；同時(shí)，噪聲系數(shù)和放大器的線性性能在一定程度上又是相互制約的。增益控制電路的設(shè)計(jì)可以規(guī)劃不同放大器的增益，求解出最佳的系統(tǒng)指標(biāo)。圖1為放大器級(jí)聯(lián)模型。
增益控制電路可以動(dòng)態(tài)分配放大器的增益。在上述放大器級(jí)聯(lián)模型中，增益分配會(huì)出現(xiàn)G1>G2、G1<G2和G1=G2等三種情況。由于增益控制電壓由第二級(jí)放大電路決定，在增益控制電壓相等時(shí)，上述三種情況下的G2相等，這樣增益放大器主要控制前級(jí)放大器增益。前級(jí)放大器增益越大系統(tǒng)的噪聲系數(shù)越小，但放大器三級(jí)交調(diào)輸入功率也隨之減小，影響到前級(jí)放大器線性性能，如果前級(jí)放大器產(chǎn)生的諧波再經(jīng)過(guò)后級(jí)的放大，將會(huì)造成嚴(yán)重諧波失真。因此，在增益控制電路的設(shè)計(jì)中，既要通過(guò)系統(tǒng)增益的提高降低系統(tǒng)噪聲系數(shù)，又要把諧波失真控制在允許的范圍。
1 系統(tǒng)主要指標(biāo)和芯片介紹
1.1 接收射頻前端主要設(shè)計(jì)指標(biāo)
輸入頻率和輸出頻率：2 450 MHz和140 MHz；接收射頻前端帶寬10 MHz；接收機(jī)靈敏度：-91 dBm；輸出功率：-10 dBm~1 dBm。其中，中頻放大器輸入端頻率140 MHz，輸入信號(hào)功率范圍-85 dBm~-5 dBm。由于輸入功率范圍較大，要求中頻放大器有很高的線性增益動(dòng)態(tài)范圍，并且需要良好的噪聲指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)較好的靈敏度；同時(shí)，中頻放大器還要有穩(wěn)幅電路，以保證在輸入信號(hào)波動(dòng)中產(chǎn)生的輸出信號(hào)穩(wěn)定在要求范圍之內(nèi)，使得輸入后端的檢測(cè)信號(hào)不失真、不溢出。
1.2 AD8367主要性能介紹
增益控制方式：AGC或VGA；線性增益范圍：-2.5 dB~+42.5 dB；3 dB截止頻率：500 MHz；140 MHz最大增益狀態(tài)下噪聲系數(shù)：7.3 dB。AD8367具有45 dB的增益動(dòng)態(tài)范圍，在低頻到幾百M(fèi)Hz的范圍內(nèi)都具有很好的線性控制；輸入阻抗200 Ω，輸出阻抗50 Ω，應(yīng)用在50 Ω的系統(tǒng)中時(shí)輸入端需要使用阻抗匹配電路[1]。AD8367內(nèi)含一個(gè)律方根檢波器可以敏感檢測(cè)增益控制端的電平，并且與內(nèi)置參考點(diǎn)進(jìn)行比較，比較產(chǎn)生的電流通過(guò)一個(gè)外部電容積分，得到相應(yīng)的控制電壓；增益控制端的電平可以由外部檢波電路產(chǎn)生，也可以直接來(lái)自輸出端的電平，分別是VGA和AGC兩種工作狀態(tài)[2]。增益控制電路可以實(shí)現(xiàn)輸出端信號(hào)的相對(duì)平穩(wěn)，便于后端對(duì)中頻信號(hào)處理。由于單片放大器增益難以達(dá)到要求，所以在本設(shè)計(jì)中，需要兩片進(jìn)行級(jí)聯(lián)使用。
2 AD8367增益控制電路設(shè)計(jì)
2.1 VGA和AGC電路特征描述
AD8367的線性增益可以工作在高模和低模兩種方式。工作在高模方式時(shí)，放大電路增益以20 mV/dB的斜率變化，其增益Gain(dB)和增益控制電壓VGAIN(V)之間的關(guān)系如式(1)[1]：
VGAIN的范圍為50 mV~950 mV。在輸入小信號(hào)時(shí)由于增益較大，放大器會(huì)產(chǎn)生一定的增益壓縮，但是放大器基本保持線性增益輸出。工作于VGA狀態(tài)下時(shí)，放大器可以采用低模和高模兩種工作方式，但是工作在AGC狀態(tài)下時(shí)，放大器必須采用低模的工作方式。低模方式下的電路增益以-20 mV/dB的斜率進(jìn)行變化，其增益Gain(dB)和增益控制電壓VGAIN(V)之間的關(guān)系如式(2)[1]：
VGAIN的范圍為0 mV~950 mV。同樣在VGAIN(V)接近0 V，即放大器達(dá)到最大增益狀態(tài)時(shí)，放大器也會(huì)產(chǎn)生一定的增益壓縮，此時(shí)有最大增益42.5 dB。放大器不論工作在哪種模式，增益變化基本隨增益控制電壓線性變化，在對(duì)接收機(jī)射頻前端進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以很方便規(guī)劃放大器的增益，而且也有利于使用外部電壓進(jìn)行增益控制電路設(shè)計(jì)。
在接收機(jī)的應(yīng)用中，最小噪聲系數(shù)應(yīng)該出現(xiàn)在放大器最大增益，即接收信號(hào)最微弱的情況下，而當(dāng)輸入為大信號(hào)狀態(tài)時(shí)增益較小，這時(shí)噪聲系數(shù)雖然較大但是對(duì)大信號(hào)的影響有限，仍然可以保證輸出具有較高的信噪比[3]。AD8367無(wú)論工作在VGA方式還是工作在AGC方式，增益增加，相應(yīng)的噪聲系數(shù)降低，增益降低，噪聲系數(shù)反而增加；但是增益增加過(guò)程中三級(jí)交調(diào)失真的輸入功率隨之降低，容易在大信號(hào)輸入狀態(tài)下產(chǎn)生各級(jí)諧波，進(jìn)而對(duì)放大器的線性性能產(chǎn)生影響?？紤]到接收射頻前端系統(tǒng)對(duì)中頻放大器噪聲系數(shù)和線性性能兩方面的要求，需要對(duì)AD8367的增益控制電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。AD8367工作在高模方式下的噪聲系數(shù)、三級(jí)交調(diào)失真與增益控制電壓的關(guān)系，如圖2所示。
除了上述噪聲系數(shù)、三級(jí)交調(diào)失真輸入電壓和增益控制電壓之間的關(guān)系之外，系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)方式對(duì)噪聲系數(shù)也有很大影響。不同的增益分配，直接影響到噪聲系數(shù)的大小。系統(tǒng)噪聲系數(shù)的大小由式(3)[4]給出：
由式(3)可知，前端增益對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)影響較大。另外，在大信號(hào)輸入增益控制電壓較小的情況下，三級(jí)交調(diào)失真輸入電壓提高，有利于擴(kuò)大放大器的線性范圍。中頻放大器AD8367具有很寬的線性動(dòng)態(tài)范圍，可以有效抑制諧波的產(chǎn)生，但是這會(huì)在一定程度上降低系統(tǒng)的增益。在級(jí)聯(lián)過(guò)程中，可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)增益控制電路提高系統(tǒng)增益，同時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾也控制在允許的范圍之內(nèi)。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)可以降低噪聲系數(shù)，但又不會(huì)對(duì)放大器的線性性能造成嚴(yán)重影響。
2.2 增益控制電路和應(yīng)用電路設(shè)計(jì)
在ISM頻段定位系統(tǒng)接收射頻前端的設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化電路，AD8367采用自動(dòng)增益控制的工作方式，后端的控制電壓同時(shí)控制兩片增益的大小。兩片AD8367的級(jí)聯(lián)方式如圖3所示。
兩片AD8367都工作在低模方式，其中第二片采用內(nèi)部精準(zhǔn)的律方根檢波器，輸出電流經(jīng)過(guò)外部電容積分產(chǎn)生增益控制電壓，工作在AGC狀態(tài)[5]；第一片的增益控制電壓端直接與第二片增益控制端相連接，由第二片提供增益控制電壓，工作在VGA狀態(tài)。雖然中頻放大器的輸入信號(hào)有很大的波動(dòng)范圍，但是AD8367的上述級(jí)聯(lián)方式和增益控制電路，可以通過(guò)第二片AGC的作用對(duì)波動(dòng)范圍為85 dBm的輸入信號(hào)有效放大，并且保證放大器輸出信號(hào)穩(wěn)定在較小范圍內(nèi)。上述級(jí)聯(lián)方式下AD8367的噪聲系數(shù)和線性性能指標(biāo)，可以通過(guò)圖1的放大器級(jí)聯(lián)模型進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。在最初設(shè)計(jì)中，兩片AD8367增益控制采用直接相連的方法，即電阻A=0 Ω、電阻B處于開(kāi)路狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)為-86 dBm時(shí)，測(cè)試電路頻譜如圖4所示。
這種控制方式下，兩片放大器的增益相等，即圖1放大器級(jí)聯(lián)模型中G1=G2的情況。該增益控制方式應(yīng)用于定位系統(tǒng)時(shí)，由于噪聲系數(shù)較大使得系統(tǒng)靈敏度難以達(dá)到要求?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是：提高第一級(jí)放大器增益可以得到更大的信號(hào)輸出，并且由噪聲系數(shù)的表達(dá)式可知，前級(jí)增益的提高必然帶來(lái)噪聲系數(shù)的下降。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的增益控制電路，證明了這一點(diǎn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試可知，放大器增益控制端輸入阻抗為無(wú)窮大，增益控制電路中A=22 kΩ，B=56 kΩ時(shí)，
由于工作在低模方式，所以第一片放大器增益要大于第二片放大器增益，即G1>G2，總體增益同樣也會(huì)有所提高。經(jīng)過(guò)上述方式的優(yōu)化后，相同輸入信號(hào)下的測(cè)試頻譜圖如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)輸出信噪比有了4 dB左右的改善，并且該控制方式可以成功應(yīng)用于ISM波段的定位系統(tǒng)接收射頻前端，得到的系統(tǒng)靈敏度也要優(yōu)于指標(biāo)要求。VGAIN1：VGAIN2的值減小得到的輸出功率都會(huì)有所增加，但是這個(gè)比值并不能無(wú)限制地減小。
VGAIN1：VGAIN2的比值越小，前級(jí)放大器的增益就會(huì)越高，在大功率信號(hào)輸入的情況下，放大器很容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象，這種情況是必須避免的。另外，前級(jí)放大器增益過(guò)大，放大器諧波失真輸入功率就會(huì)降低，產(chǎn)生的諧波將和有用信號(hào)同時(shí)被后級(jí)放大器放大；同時(shí)，后級(jí)放大器增益雖然沒(méi)有太大變化，但是輸入信號(hào)的變大也會(huì)使其產(chǎn)生諧波；兩級(jí)放大器諧波的疊加就會(huì)造成嚴(yán)重的諧波干擾，不利于定位系統(tǒng)后端對(duì)中頻信號(hào)的處理。當(dāng)A=22 kΩ、B=22 kΩ時(shí)，VGAIN1：VGAIN2=0.5，輸入信號(hào)為-15 dBm時(shí)的試驗(yàn)測(cè)試頻譜如圖6所示。
可以看出，由于前級(jí)放大器增益過(guò)大造成了系統(tǒng)的諧波干擾，并且三次諧波的功率與信號(hào)功率之間相差只有20 dB，所以增益控制電路對(duì)前級(jí)放大器的控制程度需要優(yōu)化設(shè)計(jì)，既要滿足在小信號(hào)輸入狀態(tài)下的較高增益，又能夠在大信號(hào)輸入狀態(tài)下對(duì)諧波進(jìn)行有效控制。圖7和圖4的控制電路相同，即A=22 kΩ，B=56 kΩ，VGAIN1：VGAIN2=0.72。圖7是輸入信號(hào)為-15 dBm的輸出頻譜圖，可以看出電路對(duì)諧波干擾控制在35 dB以上，圖4也表明小信號(hào)輸入時(shí)的信噪比大于22 dB。該控制電路應(yīng)用于ISM頻段定位系統(tǒng)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和線性性能都有很大貢獻(xiàn)，并且由于增益較大，在小信號(hào)輸入情況下又可以保持較大的輸出功率。
這種增益控制設(shè)計(jì)存在如下的優(yōu)點(diǎn)：不需要外部檢波電路，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；通過(guò)提高前級(jí)放大器增益有效降低了噪聲系數(shù)，使得在小信號(hào)輸入時(shí)的系統(tǒng)輸出信噪比提高了4.5 dB，提高了接收射頻前端的靈敏度，同時(shí)保證了輸出功率可以穩(wěn)定在較高點(diǎn)；采用非均衡分配增益的方式，經(jīng)過(guò)對(duì)控制電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保持中頻放大電路高增益的前提下，對(duì)諧波干擾控制在35 dB以上。在其他放大器級(jí)聯(lián)的過(guò)程中，噪聲系數(shù)和線性性能同樣存在需要優(yōu)化設(shè)計(jì)的問(wèn)題。上述增益控制設(shè)計(jì)方案具有一定的參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] AD8367 Data Sheet.ADI，2001，11.
[2] 周智勇.基于AD8367的接收機(jī)VGA電路設(shè)計(jì).電子偵察干擾，2005(1).
[3] 雷振亞.微波/射頻電路導(dǎo)論.西安電子科技大學(xué)出版社，2005.
[4] DAVID M.Pozar Microwave and RF Wireless Systems.New York，Wiley，2001.
[5] 范德睿.用AD8367簡(jiǎn)化接收機(jī)AGC電路設(shè)計(jì).電子產(chǎn)品世界，2003(5).