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自动增益控制

摘要：AD603是美国ADI公司利用专利技术生产的一种低噪声增益可程控集成运算放大器，可广泛用于射频自动增益放大、视频增益控制、A/D转换时的量程控制和信号测量系统中。本文介绍了AD603的工作原理及使用要点，给出了以AD603为核心构成的应用电路。
关键词：AD603；程控增益放大器；低噪声
分类号：TN722.7+7     文献标识：B    文章编号：1006-6977（2000）11-0015-02

1　引言
　　在很多信号采集系统中，信号变化的幅度都比较大，如果采用单一的增益放大，那么放大以后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益。在自动化程度要求较高的系统中，希望能够在程序中用软件控制放大器的增益，或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。AD603正是这样一种具有程控增益调整功能的芯片。它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/μs。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在－11～＋30dB时的带宽为90MHz，增益在＋9～＋41dB时具有9MHz带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统。
2　引脚排列、功能及极限参数
　　AD603的引脚排列如图1所示，表1所列为其引脚功能。AD603的极限参数如下：
　　●电源电压VS：±7.5V；
　　●输入信号幅度VINP：＋2V；
　　●增益控制端电压GNEG和GPOS：±VS
　　●功耗：400mW；
　　●工作温度范围：AD603A：－40℃～85℃；AD603S：－55℃～＋125℃；
　　●存储温度：－65℃～＋150℃
3　AD603的内部结构及原理
    AD603的简化原理框图如图2所示，它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。图中加在梯型网络输入端(VINP)的信号经衰减后由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值VG有关，由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50MΩ，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。以上特点很适合构成程控增益放大器。图2中的“滑动臂”从左到右是可以连续移动的。当VOUT和FDBK两管脚的连接不同时，其放大器的增益范围也不一样。
　　当脚5和脚短接时，AD603的增益为40Vg＋10，这时的增益范围在－10～＋30dB。当脚5和脚7断开时，其增益为40Vg＋30,这时的增益范围为10～50dB。
　　如果在5脚和7脚接上电阻，其增益范围将处于上述两者之间。
　　AD603的增益控制接口的输入阻抗很高，在多通道或级联应用中，一个控制电压可以驱动多个运放；同时，其增益控制接口还具有差分输入能力，设计时可根据信号电平和极性选择合适的控制方案。
4　应用电路　　
　　图3是由两级AD603构成的具有自动增益控制的放大电路，图中由Q1和R8组成一个检波器，用于检测输出信号幅度的变化。由CAV形成自动增益控制电压VAGC，流进电容CAV的电流Q2和Q1两管的集电极电流之差，而且其大小随A2输出信号的幅度大小变化而变化，这使得加在A1、A2放大器1脚的自动增益控制电压VAGC随输出信号幅度变化而变化，从而达到自动调整放大器增益的目的。
　　图4是AD603在信号采集系统中的应用电路，两级AD603构成程控增益放大器。该电路采用二级AD603顺序级联构成，其输出经过高速A/D采样后，由DSP计算需调节的增益量并控制A/D以获得调节增益控制电压，从而精确地控制放大器的增益。图中的C16、C17、C18、C19用于电源去耦；C20、C21、C26为放大器的级间耦合电容；C23，C25用于AD603频响的高频提升。
5　注意事项
　　在AD603的应用中要注意以下几点：
    (1) 供电电压一般应选为±5V，最大不得超过±7.5V。
    (2) 在±5V供电情况下，加在输入端VINP的额定电压有效值应为1V，峰值为±1.4V，最大不得超过±2V。如要扩大测量范围，应在AD603的前面加一级衰减。这样可使输出电压峰值的典型值达到±3.0V。因此AD603后面通常要加一级放大才能接A/D转换器。
    (3)电压控制端所加的电压必须非常稳定，否则将造成增益的不稳定，从而增加放大信号的噪声。
    (4) 信号地必须直接连在放大器的脚4，否则将由于阻抗较大而引起放大器精度的降低。

8.1學習目標與時數　
        時數：教學時數建議２小時
        學習目標
        能了解ＡＭ檢波器的原理。
        能了解ＡＭ檢波器的種類，及其動作原理。
        能了解ＡＭ接收機附屬電路之自動增益控制電路的功用及其原理。
        能了解ＳＳＢ接收機的結構。
8.2教材摘要　
    8.2.1ＡＭ檢波器與自動增益控制
        檢波(Detection)指的是將被調變的信號，去除其載波成份以還原回原始調變信號的過程。而檢波器則是登任此工作的電路。
        檢波電路最常見的是二極體檢波器，另有電晶體檢波器以及IC化的同步檢波器。
        AM檢波器會產生以下之失真(1)非線性失真(2)斜線性切削失真(3)負峰切削失真(4)同步失真。
        自動增益控制(Automatic Gain Control ,AGC)電路設置的用意，在防止當一些因素造成接收的電場強度變動導致接收機輸出亦跟著變動時的情形發生。
        AGC電路的種類，常見的有順向AGC以及逆向AGC二種。
    8.2.2ＳＳＢ接收機
        SSB接收機在檢波之前，必須重新加入載波，因此振盪器之輸出穩定度必須相當高。
        SSB接收機與DSB(FC)接收機不同之處在於前者的中頻頻寬是後者的一半。
        SSB接收的檢波器，可用線性檢波器、環形檢波器以及乘積檢波器作檢波之用。

8.3教學活動　
    8.3.1ＡＭ檢波器與自動增益控制
        1.AM接收機的大部份結構，均已在第七章述及，本章僅接續上一章未進一步討論的AM檢波器及自動增益控制(AGC)電路。AM檢波器(Detector)其功用，即在將已接收到的AM波，將載波成份去除，以還原出原始信號。應用上常見的檢波電路有二極檢波器、電晶體檢波器以及IC化的同步檢波器等。
        2.如圖所示，即一二極體檢波器例

          二極體檢波電路是一種線性檢波法，其原理是利用二極體將AM的IF波負半週去除，再利用後面連接的低通濾波器濾除高頻載波份，以恢復原始低頻的調變信號(即包跡線)。一般常用二極體檢波器之輸出作AGC控制電壓的來源。
        3.電晶體檢波器如下圖所示

          此種檢波器是利用電晶體或FET的非線性特性所作成的平方檢波電路。因電晶體具有放大作用，故信號輸出強度較大，但其失真度亦大。
        4.同步檢波器的原理是將AM波送PLL電路，再將其輸出與AM波輸入乘法器得到之積再輸入二極體的一種檢波方式。其方塊圖如下圖所示

        5.通常，因為某些因素之影響，導致接收電場強度改變，因而使接收機輸出不穩定，音量時大時小是不為人們所能接受的。而自動增益控制電路(AGC)的目的，即在因應接收電場強度之變動，使接收機維持穩定輸出的電路。AGC電路自檢波級輸出取出信號，並將其整流成直流電壓以用來控制前級放大器的增益。在雙極性接面電晶體(BJT)放大電路，常藉由改變集極電流來改變功率增益；而在FET所組的放大電路中，則常用改變閘極電壓的方式進而改變互導gm以影響增益的方式作AGC控制。AGC電路較常見的有順向AGC以及逆向AGC二種。
        6.所謂順向AGC(Forward AGC)的原理是利用BJT放大電路在集極電流上升，功率增益反而下降的部份作AGC控制。而逆向AGC則是利用BJT放大電路在集極電流上升，功率增益亦上升的部份，作AGC控制。如下圖所示

        7.下圖所示為順向AGC電路例，其原理是當接收信號強度突變大時，AGC電壓會變得更負，再經OP放大器作反相且適當放大後輸入中頻放大器之基極，使基極電壓升高，促使集極電流上升而使功率增益下降。特別注意的是，AGC控制電壓必須足夠大，方可在順向AGC區域操作，故須有OP放大器作放大工作，但相對地，其亦會消耗多餘電源，故不適合移動式以電池為電源之接收機使用。

        8.如圖所示為逆向AGC電路例

          其原理是AGC取樣信號經低通濾波器得一直流電壓信號，再經FET放大電路進行放大，自源極取的正電壓輸入射頻放大器雙閘極FET元件其中一閘極。故若RF信號突然變大時，AGC電路FET的閘極電壓會減少，導致源極的AGC電壓亦下降，最後使RF放大器增益下降。
    8.3.2ＳＳＢ接收機
        1.SSB接收機與一般標準AM接收機不同的是，SSB接收機必須在檢波級之前，重新加入載波。SSB接收機的本地振盪頻率穩定度必須相當地高，以免頻率漂移造成訊號失真。下圖所示，為SSB接收機重新加入載波的方塊圖

          例如原始調變信號頻率為4KHz，且SSB接收機接收到的旁波帶頻率為10004000Hz，則振盪器必須產生10MHz的載波與之進行混波。而混波後的輸出分別為二者本身頻率以及和與差頻率，最後再經低通濾波器，保留差頻率4KHz其餘濾除。以上討論可知，本地振盪電路(LO)的頻率穩定度相當重要，若其輸出有些漂移，則還原回信號已非吾人所要的信號。通常欲得到更穩定LO輸出則有賴於「自動頻率控制(AFC)電路」之幫助才行。而且，在大部份情況下，引示載波(Pilot Carrier)信號亦須隨SSB信號發射，接收機方可知須重新載入多少頻率的載波。
        2.若採用引示載波的方法，LO頻率輸出且為可變，此情況下，振盪器常稱之為「拍差頻率振盪器(Beat Frequency Oscillator)」拍差指的是BFO與引示載波頻率之差幾乎為零之意。
        3.下圖所示為SSB接收機的方塊圖

        4.SSB接收機最常用的是乘積檢波器(Product Detector)此一特殊檢波器即上述將載波重新加入與旁波帶作混波，在數學意義上猶如作相乘積，故稱乘積檢波器如下圖例即一乘積檢波器

          SSB接收機之檢波器另有外差線性檢波器以及環形檢波器(如下圖所示)

.4參考與補充資料　
    1.AM接收機的檢波方式，一般都是採用二極體檢波方式。為了避免二極體過大順向壓降，減弱信號振幅，最好以肖特基二極體作二極體作二極體檢波，而二極體的位置應連接成可取出負電壓值作為AGC電壓較佳。如下圖所示

    2.由線圈L與電容C所組成的低通濾波器有兀型濾波器、Ｔ型濾波器以及Ｋ型濾波器如下圖所示