摘 要： 一種優化增益控制電路設計方案，在滿足靈敏度要求的前提下，線性性能達到了系統設計要求，并且將該設計方案成功應用于ISM頻段定位系統的接收射頻前端。
關鍵詞： 增益控制；噪聲系數；靈敏度；射頻前端
ISM頻段的定位系統應用環境復雜，所以對接收機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構，經過混頻器下變頻到固定中頻信號。中頻放大器可以實現很高的增益，為后端信號處理提供較大和穩定的功率。為了達到這個目標，現代中頻放大器使用了增益控制技術。增益控制電路的設計，直接影響到整個接收射頻前端的靈敏度和線性性能。在放大器級聯電路中，不同的增益分配對系統的噪聲系數和線性性能有重要影響；同時，噪聲系數和放大器的線性性能在一定程度上又是相互制約的。增益控制電路的設計可以規劃不同放大器的增益，求解出最佳的系統指標。圖1為放大器級聯模型。
增益控制電路可以動態分配放大器的增益。在上述放大器級聯模型中，增益分配會出現G1>G2、G1<G2和G1=G2等三種情況。由于增益控制電壓由第二級放大電路決定，在增益控制電壓相等時，上述三種情況下的G2相等，這樣增益放大器主要控制前級放大器增益。前級放大器增益越大系統的噪聲系數越小，但放大器三級交調輸入功率也隨之減小，影響到前級放大器線性性能，如果前級放大器產生的諧波再經過后級的放大，將會造成嚴重諧波失真。因此，在增益控制電路的設計中，既要通過系統增益的提高降低系統噪聲系數，又要把諧波失真控制在允許的范圍。
1 系統主要指標和芯片介紹
1.1 接收射頻前端主要設計指標
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態范圍，并且需要良好的噪聲指標，以實現系統較好的靈敏度；同時，中頻放大器還要有穩幅電路，以保證在輸入信號波動中產生的輸出信號穩定在要求范圍之內，使得輸入后端的檢測信號不失真、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最大增益狀態下噪聲系數：7.3 dB。AD8367具有45 dB的增益動態范圍，在低頻到幾百MHz的范圍內都具有很好的線性控制；輸入阻抗200 Ω，輸出阻抗50 Ω，應用在50 Ω的系統中時輸入端需要使用阻抗匹配電路[1]。AD8367內含一個律方根檢波器可以敏感檢測增益控制端的電平，并且與內置參考點進行比較，比較產生的電流通過一個外部電容積分，得到相應的控制電壓；增益控制端的電平可以由外部檢波電路產生，也可以直接來自輸出端的電平，分別是VGA和AGC兩種工作狀態[2]。增益控制電路可以實現輸出端信號的相對平穩，便于后端對中頻信號處理。由于單片放大器增益難以達到要求，所以在本設計中，需要兩片進行級聯使用。
2 AD8367增益控制電路設計
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，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)之間的關系如式(1)[1]：
VGAIN的范圍為50 mV~950 mV。在輸入小信號時由于增益較大，放大器會產生一定的增益壓縮，但是放大器基本保持線性增益輸出。工作于VGA狀態下時，放大器可以采用低模和高模兩種工作方式，但是工作在AGC狀態下時，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的斜率進行變化，其增益Gain(dB)和增益控制電壓VGAIN(V)之間的關系如式(2)[1]：
VGAIN的范圍為0 mV~950 mV。同樣在VGAIN(V)接近0 V，即放大器達到最大增益狀態時，放大器也會產生一定的增益壓縮，此時有最大增益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，在對接收機射頻前端進行系統設計時，可以很方便規劃放大器的增益，而且也有利于使用外部電壓進行增益控制電路設計。
在接收機的應用中，最小噪聲系數應該出現在放大器最大增益，即接收信號最微弱的情況下，而當輸入為大信號狀態時增益較小，這時噪聲系數雖然較大但是對大信號的影響有限，仍然可以保證輸出具有較高的信噪比[3]。AD8367無論工作在VGA方式還是工作在AGC方式，增益增加，相應的噪聲系數降低，增益降低，噪聲系數反而增加；但是增益增加過程中三級交調失真的輸入功率隨之降低，容易在大信號輸入狀態下產生各級諧波，進而對放大器的線性性能產生影響。考慮到接收射頻前端系統對中頻放大器噪聲系數和線性性能兩方面的要求，需要對AD8367的增益控制電路進行優化設計。AD8367工作在高模方式下的噪聲系數、三級交調失真與增益控制電壓的關系，如圖2所示。
除了上述噪聲系數、三級交調失真輸入電壓和增益控制電壓之間的關系之外，系統的級聯方式對噪聲系數也有很大影響。不同的增益分配，直接影響到噪聲系數的大小。系統噪聲系數的大小由式(3)[4]給出：
由式(3)可知，前端增益對系統噪聲系數影響較大。另外，在大信號輸入增益控制電壓較小的情況下，三級交調失真輸入電壓提高，有利于擴大放大器的線性范圍。中頻放大器AD8367具有很寬的線性動態范圍，可以有效抑制諧波的產生，但是這會在一定程度上降低系統的增益。在級聯過程中，可以通過優化設計增益控制電路提高系統增益，同時產生的諧波干擾也控制在允許的范圍之內。這種優化設計可以降低噪聲系數，但又不會對放大器的線性性能造成嚴重影響。
2.2 增益控制電路和應用電路設計
在ISM頻段定位系統接收射頻前端的設計中，為了簡化電路，AD8367采用自動增益控制的工作方式，后端的控制電壓同時控制兩片增益的大小。兩片AD8367的級聯方式如圖3所示。
兩片AD8367都工作在低模方式，其中第二片采用內部精準的律方根檢波器，輸出電流經過外部電容積分產生增益控制電壓，工作在AGC狀態[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。雖然中頻放大器的輸入信號有很大的波動范圍，但是AD8367的上述級聯方式和增益控制電路，可以通過第二片AGC的作用對波動范圍為85 dBm的輸入信號有效放大，并且保證放大器輸出信號穩定在較小范圍內。上述級聯方式下AD8367的噪聲系數和線性性能指標，可以通過圖1的放大器級聯模型進行分析和設計。在最初設計中，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處于開路狀態。當輸入信號為-86 dBm時，測試電路頻譜如圖4所示。
這種控制方式下，兩片放大器的增益相等，即圖1放大器級聯模型中G1=G2的情況。該增益控制方式應用于定位系統時，由于噪聲系數較大使得系統靈敏度難以達到要求。可以預見的是：提高第一級放大器增益可以得到更大的信號輸出，并且由噪聲系數的表達式可知，前級增益的提高必然帶來噪聲系數的下降。經過優化設計的增益控制電路，證明了這一點。經過試驗測試可知，放大器增益控制端輸入阻抗為無窮大，增益控制電路中A=22 kΩ，B=56 kΩ時，
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，總體增益同樣也會有所提高。經過上述方式的優化后，相同輸入信號下的測試頻譜圖如圖5所示。可以發現輸出信噪比有了4 dB左右的改善，并且該控制方式可以成功應用于ISM波段的定位系統接收射頻前端，得到的系統靈敏度也要優于指標要求。VGAIN1：VGAIN2的值減小得到的輸出功率都會有所增加，但是這個比值并不能無限制地減小。
VGAIN1：VGAIN2的比值越小，前級放大器的增益就會越高，在大功率信號輸入的情況下，放大器很容易產生自激現象，這種情況是必須避免的。另外，前級放大器增益過大，放大器諧波失真輸入功率就會降低，產生的諧波將和有用信號同時被后級放大器放大；同時，后級放大器增益雖然沒有太大變化，但是輸入信號的變大也會使其產生諧波；兩級放大器諧波的疊加就會造成嚴重的諧波干擾，不利于定位系統后端對中頻信號的處理。當A=22 kΩ、B=22 kΩ時，VGAIN1：VGAIN2=0.5，輸入信號為-15 dBm時的試驗測試頻譜如圖6所示。
可以看出，由于前級放大器增益過大造成了系統的諧波干擾，并且三次諧波的功率與信號功率之間相差只有20 dB，所以增益控制電路對前級放大器的控制程度需要優化設計，既要滿足在小信號輸入狀態下的較高增益，又能夠在大信號輸入狀態下對諧波進行有效控制。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是輸入信號為-15 dBm的輸出頻譜圖，可以看出電路對諧波干擾控制在35 dB以上，圖4也表明小信號輸入時的信噪比大于22 dB。該控制電路應用于ISM頻段定位系統時，對系統的噪聲系數和線性性能都有很大貢獻，并且由于增益較大，在小信號輸入情況下又可以保持較大的輸出功率。
這種增益控制設計存在如下的優點：不需要外部檢波電路，電路設計簡單；通過提高前級放大器增益有效降低了噪聲系數，使得在小信號輸入時的系統輸出信噪比提高了4.5 dB，提高了接收射頻前端的靈敏度，同時保證了輸出功率可以穩定在較高點；采用非均衡分配增益的方式，經過對控制電路優化設計，在保持中頻放大電路高增益的前提下，對諧波干擾控制在35 dB以上。在其他放大器級聯的過程中，噪聲系數和線性性能同樣存在需要優化設計的問題。上述增益控制設計方案具有一定的參考價值。
參考文獻
[1] AD8367 Data Sheet.ADI，2001，11.
[2] 周智勇.基于AD8367的接收機VGA電路設計.電子偵察干擾，2005(1).
[3] 雷振亞.微波/射頻電路導論.西安電子科技大學出版社，2005.
[4] DAVID M.Pozar Microwave and RF Wireless Systems.New York，Wiley，2001.
[5] 范德睿.用AD8367簡化接收機AGC電路設計.電子產品世界，2003(5).