13级自动增益控制电路的设计与实现.docx

电子电路综合设计实验

实验4 自动增益控制电路的设计与实现

实验报告

学院：
班级：
姓名：
学号：
班内序号：
指导教师：

一．课题名称：自动增益控制电路的设计与实现
二．实验目的
1. 了解AGC电路的原理及其应用。
2. 掌握AGC电路的一种设计及实现方法。
3. 提高独立设计电路和验证实验的能力。

三．实验摘要
在处理输入模拟信号时，经常会遇到通信信道或传感器衰减强度大幅变化的情况。自动增益控制电路使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法。现实广泛应用于广播电视、无线通信、光纤通信、传感器处理电路等。本实验通过：驱动缓冲级、级联放大级、反馈级三级电路实现AGC电路。要求输入指标为：输入信号：0.5-50mVrms,输出：0.5-1.5mVrms,信号带宽100-5KHz
关键词：
自动增益控制 反馈控制 检波整流级联放大 滤波器

四．设计任务要求
1.基本要求：
当音频输入信号在40dB的变化范围内，输出信号的幅度变化不超过5dB
1)设计指标以及给定条件为：
·输入信号：0.5～50mVrms；
·输出信号：0.5～1.5Vrms；
·信号带宽：100～5KHz。
2)设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完整的电路原理图（SCH）及印制电路版图（PCB）。

五．设计思路和总体结构框图
1.设计思路
AGC电路的实现有反馈控制、前馈控制和混合控制等三种，典型的反馈控制AGC由可变增益放大器（VGA）以及检波整流控制组成，本实验中电路采用了短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法，从而简单而有效的实现AGC功能，如图1。

图1-反馈式AGC

如图2，可变分压器由一个固定电阻R1和一个可变电阻构成，控制信号的交流振幅。可变电阻由采用基极—集电极短路方式的双极晶体管微分电阻实现，为改变Q1的电阻，可从一个有电压源V2和大阻值电阻R2组成的电流源直接向短路晶体管注入电流。为防止R2影响电路的交流电压传输特性，R2的阻值必须远大于R1。

图2由短路三极管构成的衰减器电路

对于输入Q1集电极的正电流的所有可用值，Q1的集电极－发射极饱和电压小于它的基极－发射极阈值电压，于是晶体管工作在有效状态，其VI特性曲线如图2所示。可以看出，短路晶体管的微分电阻与流过的直流电流成反比，即器件的微分电导直接与电流成正比。在工作状态下，共射极连接的双极型晶体管的电流放大系数一般在100或100以上，在相当大的电流范围内，微分电阻都正确地遵守这一规则。图中所示的晶体管至少可以在五个十倍程范围内控制微分电阻，即控制幅度超过100dB。
2.总体构架框图
为实现自动增益控制电路的功能，设计的电路应具有四级，分别为：信号先由驱动缓冲级输入，进入直流耦合互补级进行放大，在射极跟随器输出，同时，在射极输出前连一反馈电路到缓冲级，实现电流相加电压取样的并联电压负反馈，其中，反馈电路中含有由两个二极管组成的倍压整流器和衰减器的可变电阻部分。从而实现在输入信号变化很大时，输出信号稳定的功能。
电路总体架构图如下：

图 3 电路总体架构
六.分块电路和总体电路的设计（含电路图）
1.分块电路
1）驱动缓冲级
其设计电路图如图4所示，当输入信号VIN驱动缓冲极Q1时，组成基极集电极输出的共射电路，它的非旁路射极电阻R3有四个作用：
① 它将Q1的微分输出电阻提高到接近公式（1）所示的值。该电路中 的微分输出电阻增加很多，使R4的阻值几乎可以唯一地确定这个输出电阻。
RD1≈rbe+(1+βrce/rbe)(R3//rbe) （1）
② 由于R3未旁路，使Q1电压增益降低至：
AQ1=－βR4/〔rbe+(1+β)R3〕≈－R4/ R3 (2)
③ 如公式（2）所示，未旁路的R3有助于Q1集电极电流－电压驱动的线性响应。
④ Q1的基极微分输入电阻升至RdBASE=rbe+(1+β)R3，与只有rbe相比，它远远大于Q1的瞬时工作点，并且对其依赖性较低。
实验测试得晶体管Q1放大倍数很小，起到稳定输入的缓冲作用。

图 4 驱动缓冲级电路

2）直流耦合互补级联放大部分
电路图如图5所示；
图中晶体管Q2为NPN管，Q3为PNP管，将Q2的集电极与Q3的基极相连，两个管子实现共射—共射放大，利用直流耦合构成互补放大器，为电路提供大部分电压增益。

图 5 直流耦合互补级电路

3）输出级电路
Q3集电极与Q4的基极相连，电流信号从Q4发射极流出，为共集电路，利用了共集射极跟随器的特点，。。。。另外，R14将发射极输出跟随器Q4与信号输出端隔离开来。

图表6输出级电路

4）自动增益控制部分电路（AGC）
电路图如图6所示，其中R4构成可变衰减器的固定电阻，类似于图2中的电阻R1，而Q6构成衰减器的可变电阻部分， Q5为Q6提供集电极驱动电流，Q5的共射极结构只需要很少的基极电流，而射极电流流入Q6集电极，由于可变电阻的阻值与其流过的电流成反比，可改变电阻值。
因为电阻R17与C6并联，由于有二极管D1、D2单向导通作用，C6只能通过R17放电，故R17决定了AGC的释放时间。在实际中，R17阻值可以选得大一的，延长AGC释放时间，方便观察。
电阻R19用于限制通过Q5和Q6的最大直流控制电流。
D1和D2构成一个倍压整流器，从输出级Q4提取信号的一部分，为Q5生成控制电压。这种构置可以容纳非对称信号波形的两极性的大峰值振幅。
电阻R15决定了AGC的开始时间。若与C6组合的R15过小，则使反馈传输函数产生极点，导致不稳定。
反馈原理：反馈电路在Q4发射极进行电压取样，另一端接C3后面，在输入中电路进行电流相加，由瞬时极性法可判断该反馈类型为电压并联负反馈。即当输入信号增大时，输出电流也增大，Q6的微分电阻就会跟这变小，由于负反馈的作用，输入信号就会变小，导致输出减小，最终实现了输出信号基本稳定。反之亦然，从而实现自动增益控制功能。

图 7 自动增益控制电路

2.总体电路
用Protel仿真的SCH原理图：

图 8 总体电路图

图表1
实验数据：（单位/mV）
Vi/mV f/Hz
1000
2000
3000
4000
5000
5
756
753
759
758
762
15
767
767
771
770
769
25
771
776
771
772
770
35
783
784
782
780
783
45
795
799
792
794
796
50
803
804
801
801
805
结果分析：
从数据结果可以看出，输出信号随输入信号增大而缓慢增大，输入信号增大为原来的10倍，而输出信号仅仅增大1.2倍左右，符合自动增益控制电路的原理及要求，而输出信号不受频率的影响，频率变化时输出信号基本稳定。

八．故障及问题分析
1．无输出信号
最初没有输出信号，调试电路的时候没有将直流电源断开，导致将三极管烧毁，逐级测试调试电路，找到有故障的三极管并进行替换。
最初连接电路没有共地处理

2.输出波形失真为矩形波。
反馈级对称三极管Q5、Q6由于放置距离太近而导致管脚对应错误，使得输出波形失真为矩形波。
3.电路连接较为混乱，造成导线、管脚接触短路，还有一些元器件接触不实使得电路不能正常工作。

九．总结和结论
1.由于电路元器件较多，电路连接构成较为复杂，所以要在仿真完成电路原理图后先构思实际电路的搭配组合结构，尽量将电路连接清晰有层次，一是防止短接，也更方便分清各级电路，以便于在出现问题时逐级查找调试问题。
2.通过本次实验了解了AGC电路的工作原理，并通过实际搭建电路观测、测试明白了AGC电路的重要意义。设计电路的过程也明白了AGC各级电路的组成和原理。
3.通过复杂电路的搭建提高了自己的动手能力及构思合理布局的能力。
4.仿真和真实实验中都遇到了一定的困难，但是通过自己认真思考并查阅资料，一步步求索发现解决困难的过程增长了知识又培养了信心及耐心。
此次实验受益匪浅。

十、PROTEL绘制的原理图
1、用PROTEL生成的PCB板

图 9 PCB板

3、9V稳压源电路原理图：

图 10 9V稳压电路

4、9V稳压源生成PCB板

图 11 9V稳压电路PCB板

multlism仿真原理图及实际测试波形图

十一.所用元器件及测试仪表清单
1、元器件清单

2.测试仪器清单

十二、参考文献
[1]《电子电路综合设计实验教程》北京邮电大学电路实验中心
[2]《电子电路基础》刘宝玲主编高等教育出版社