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通常,一般的接收机都具有60dB~80dB的动态范围,现代接收机则对动态范围指标提出相当苛刻的要求,往往超过100dB。
如本项目动态范围指标要求做的大于120dB。
实现接收机动态范围的功能电路是接收机中的AGC,自动增益控制电路。
AGC是一个闭环负反馈自动控制系统,是接收机最重要的功能电路之一。
接收机的总增益通常分配在各级AGC电路中,各级AGC电路级联构成总的增益。
在接收微弱信号时,接收机要具有高增益,将微弱信号放大到要求的电平,在接收机靠近发射电台式时,AGC控制接收机的总增益,使接收机对大信号的增益很小,甚至衰减。
接收机动态范围实现的示意图如下图所示。
图1-1接收机动态范围实现
AGC的一般原理框图如下,是一个直流电压负反馈系统,控制信号代表信道输出幅度检波后的直流值与参考电压之间的误差值,若输
图1-2接收机动态范围实现
入信号幅度变化,则控制信号也随着变化,其作用是使误差减小到最小值。
对AGC环路的要求随输入信号的调制类型不同而不同。
通常,AM信号对AGC的要求较FM接收机或脉冲雷达接收机要严格的多。
通常接收机第一级AGC的输入级的信号动态范围最大,而且第一级AGC一般要求要具有衰减作用以提高接收机接收大信号的能力。
在AGC电路中必须保证信道放大器工作在线性区域,即小于器件的1-dB压缩点,否则就会产生失真。
1.1.1自动增益控制AGC原理
1.1.1.1线性AGC原理
AGC系统从根本上说是一个非线性系统。
很难得到描述系统动态特性的非线性动态方程的通解。
但是,对于一些系统,可以求得系统的闭环解。
对于大多数系统可以根据系统的小信号模型导出近似解。
图1-3线性(以分贝为单位)AGC系统
上图是一个能用解析法求解的线性AGC系统。
在这个系统中,可变增益放大器VGA的增益为P,服从以下的控制律:
(1-1)
因此:
(1-2)
上式中Vi和Vo分别表示输入和输出信号的包络幅度。
而对数放大器的增益为:
(1-3)
上式中K2为包络检波器的增益。
包络检波器的输出总式正的,因此,对数放大器的输出为实数,即可正可负。
于是控制电压为
(1-3)
上式中,F(s)为滤波器的传递函数。
因为可变增益放大器服从指数规律,有:
(1-4)
控制电压为:
(1-5)
即:
(1-6)
对输入信号的响应为:
(1-7)
因为由对数运算有下式关系:
(1-8)
所以,可得到下式:
(dB)(1-9)
令eo和ei分别表示以分贝为单位的输出和输入,则:
(1-10)
因此,只要给出的输入量和输出量以分贝为单位表示,则具体的AGC电路便可以用线性微分方程来描述。
该AGC系统就可以用如下图所示的线性负反馈系统等效方框图来描述系统。
图1-4线性(以分贝为单位)AGC系统等效方框图
上图中,环路的动态特性由滤波器的传递函数F(S)和可变增益放大器的系数a来描述。
由于环路带宽必须受到限制,使它对存在于输入信号的任何幅度调制不作出响应,所以F(S)必须使低通滤波器。
环路的稳定性取决于滤波器的阶数和环路增益。
随着输入幅度的变化而产生的输出稳态增益为:
式中F(0)为滤波器的直流增益。
应该使增量Δeo随输入幅度的变化尽可能小。
为达到这一目的,应使直流环路增益尽可能大。
如果F(S)是一个一阶滤波器,且:
(1-11)
式中,K是滤波器的直流增益,B是滤波器的带宽,那么直流特性为:
(1-12)
则图3-4所示的线性AGC系统的总直流输出为:
(1-13)
通常,环路传输aK远大于1,所以输出eo等于。
若以分贝为单位,则输出幅度与参考电压Vr成正比。
含有参考电压的AGC环路,称为延迟AGC。
延迟AGC并不是指带宽的限制而延迟了增益控制,主要是指AGC环路包含有参考信号。
简单的AGC环路里不含有参考电压,这在一般低要求的接收机中是常见的,比如普通的收音机。
具有一阶低通滤波器环路的AGC闭环传递函数为:
(1-14)
对于所有的aK>
0的闭环极点总在左半平面,所以这个系统基本是稳定的。
闭环系统频率响应的幅频响应图如下图1-5所示。
为了对输入信号幅度变化作出响应,AGC环路应具有高通滤波器特性,即在高频时,AGC的作用很小。
对于幅度调制信号,角频率ωL应低于最低调制频率ωM:
(1-15)这意味着滤波器带宽要比最低调制频率小得多,其原因是负反馈增大了闭环带宽。
图1-5线性AGC系统的频率响应
如上所述,为了保持输出电平地恒定,应该保持尽可能大的直流环路增益。
一种方法是采用积分器作为滤波器,即F(S)=C/S。
理想的积分器对直流的增益为无穷大,因此稳态输出幅度不会随着输入幅度的慢变化而变化。
这种滤波器的输出为:
(1-16)
在输入恒定时,稳态输出仍与参考电压成正比,即
(1-17)
1.1.1.2另一种AGC模型分析
许AGC环路不含有对数放大器,因为对数放大器要和指数型可变增益放大器一起应用时才能构成线性AGC模型。
但是对于不含对数放大器的AGC系统,仍然可以导出其小信号模型。
小信号的限制时指:
分析系统只对某一特定的工作点附近的微小变化量时正确的。
下图3-6是一个AGC系统的原理方框图模型。
在该AGC系统中,可变增益放大器和检测器是环路中仅有的非线性部件。
为了简化分析,而又不失一般性,假定检测器、差动放大器以及在可变增益放大器之后的放大器的增益都为1。
图3-6具有两个非线性部件的AGC系统
基于以上的假设,上图所示的系统可用下图3-7所示的简化模型表示。
图1-7图3-6所示AGC系统的简化模型
上图中,Vo和Vi现在指的是包络值,F为低通滤波器和放大器组合的与频率有关的传递函数。
输出电压Vo=PVo,可变增益放大器的增益P是Vc的函数。
(1-18)
输出电压对输入电压的导数为:
(1-19)
由于:
(1-20)
将式(3-20)代入到式(3-19),可得到:
(1-21)
或
(1-22)
式(1-21)和(1-22)是图1-7所示AGC环路的小信号微分方程。
对于在某一特定控制电压的增量变化,上式是正确的。
环路的传输函数为:
(1-23)
是输入信号的函数,因此系统一般是非线性的。
由于系统的非线性特性,随着输入幅度变化而产生的如图1-5所示的系统暂态性能一般是难以得到的。
因为环路传输取决于输入幅度,故而闭环系统的极点也取决于输入幅度,暂态响应的速率也是如此。
如果图1-7所示系统中,AGC环路含有一个具有线性特性的P(Vc)=Vc可变增益放大器和一个作为低通滤波器F(s)的积分器,且F(s)=K/s,从式(3-23)可得:
(1-24)
而输入信号的微小阶跃变化为:
(1-25)因此,输出电压的归一化变化量为:
(1-26)
反变换到时域:
(1-27)
可以看出环路动态特性时任何取决于输入信号的幅度的。
在AGC系统中,关键时对暂态响应的控制,一般需要更复杂的环路。
如果可变增益特性P(Vc)已知,就可以通过选择一个控制电压值作为起始点,来进行环路直流特性的数值计算。
以上讨论的AGC系统都能提供对输出振幅的连续监测和对可变增益放大器的连续调整。
还有许多系统是间歇地监测输出负载的,并在间歇期间调节增益。
在其余时间,环路控制是开路的,并且在开路期间增益保持恒定。
例如,电视接收机就是一个用选通门控制的AGC系统。
如果用作AGC的选通门信号不包含任何调制(例如TV同步脉冲),则AGC系统带宽可以做得很宽以提供快速响应,而且不会抑制脉冲之间的调制。
现在已经用数据采样技术来分析脉冲型AGC系统。
当AGC系统有线性模型可以适用时,这种方法具有实用意义。
1.1.1.3AGC系统部件
AGC系统的设计者应该了解几种可变增益放大器(VGA)的控制律,以便从中选择。
选择的标准包括:
频率响应、控制电压的有效范围、以及所需可变增益放大器的工作范围等。
增益为控制电压的指数函数的VGA,比线性控制函数的VGA有较宽的增益变化范围。
模拟乘法器按定义有线性控制律,双栅MOSFET增益控制器和PIN二极管衰减器是呈现指数控制律的许多电路中的常用的两种电路。
图1-8AGC系统常用得指数放大器图和环路中常用得对数放大器
双极差动放大器一般用于集成电路中,它的电压增益与集电极偏置电流成正比,因而可以通过调节集电极直流电流来改变增益。
上图1-8中左所示得是简化的差动放大器电路,其中晶体管Q3为一恒流源,Q3的集电极电流为:
(1-28)
因此指数放大器的增益(与Ic成正比)是控制电压VR的指数函数。
上图3-7中右所示的电路可供采样对数放大器的AGC环路作为对数放大器使用。
由于运算放大器的同相端接地,因此:
(1-29)
输出电压为:
(1-30)
是输入电压的对数函数。
1.1.2PIN二极管电调衰减器AGC设计
用PIN二极管构成的电调衰减器在通用宽带接收机中经常使用,控制线性度好,适用频段宽,插损小,体积小,成本低,而且是完全阻性线性衰减,与VGA相比,不受P-1dB点的制约,因此可以用在接收机RF前端,提高接收机的抗堵塞能力和大信号接收能力。
因此大多数控制电路都采样PIN管。
1.1.2.1PIN二极管原理极其特性
在两个高参杂的P+和N+半导体之间夹入一个未参杂的本征层即I层,就可以构成PIN二极管,结构和符号如下图1-9所示。
PIN管与一般的PN结二极管相似,具有整流特性,但是它的结电容要小一些。
因为耗尽层的宽度与P层或N层的电阻率(或者参杂浓度)成反比,且PIN管的参杂浓度较低,所以PIN管的耗尽层比PN结二极管宽,因此结电容也就较小。
由于PIN管在方向偏置时具有低电容,高阻抗特性,可以等效图1-9PIN二极管的结构与符号未开路,所以在作为控制电路时效果很好。
如开关、阻性衰减器、限幅器、数字移相器及数字调制器等。
PIN二极管的等效电路如下图1-10所示:
图1-10PIN二极管的等效电路与I-V特性曲线
左图中,正向偏置时,开关指向Rj,反向偏置时,开关指向Cj,如下两种情况:
1.
正向偏置时:
上图右中A点,忽略封装效应Ls和Cp,则可以等效为:
(1-31)
即PIN管正向偏置时与PN结二极管相似,只有极小的结电阻,等效为断路。
见左图所示。
图1-11PIN管正向等效电路
2.
反向偏置时:
上图1-10中B点,
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