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。

　　ISM（Industrial Scientific Medical） Band,是由 ITU-R （ITU Radiocommunication Sector,國際通信聯(lián)盟無線電通信局）定義的。此頻段主要是開放給工業(yè)，科學(xué)、醫(yī)學(xué)，三個(gè)主要機(jī)構(gòu)使用，屬于Free License,無需授權(quán)許可，只需要遵守一定的發(fā)射功率（一般低于1W），并且不要對其它頻段造成干擾即可。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。在放大器級聯(lián)電路中，不同的增益分配對系統(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，求解出的系統(tǒng)指標(biāo)。圖1為放大器級聯(lián)模型。

　　增益控制電路可以動(dòng)態(tài)分配放大器的增益。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(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放大器增益。前級放大器增益越大系統(tǒng)的噪聲系數(shù)越小，但放大器三級交調(diào)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(chǎn)生的諧波再經(jīng)過后級的放大，將會造成嚴(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)

　　中頻電路之所以在早期的無線電設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樵谠缙诘募夹g(shù)條件下，中頻放大器和濾波器性能穩(wěn)定，可獲得較大的增益且易于實(shí)現(xiàn)。隨著直接變頻技術(shù)的發(fā)展，零中頻接收機(jī)被越來越多的新手機(jī)采用。如圖2-5所示，這里不需要中頻電路?；祛l器直接輸出基帶信號，簡化了射頻電路。

　　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，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，以保證在輸入信號波動(dòng)中產(chǎn)生的輸出信號穩(wěn)定在要求范圍之內(nèi)，使得輸入后端的檢測信號不失真、不溢出。

　　工濾波器（Duplexer/filter）和隔離器（isolator）是為了分離發(fā)送通路和接收通路，并減少發(fā)送和接收通路之間的干擾。低噪聲放大器（LNA）是將微弱的接收射頻信號放大的小信號放大器，常用低噪聲元器件來實(shí)現(xiàn)。而在接收端，混頻器實(shí)現(xiàn)下變頻，起到將射頻信號搬移到中頻頻譜的作用。混頻器中的兩個(gè)輸入信號一個(gè)是射頻信號，另一個(gè)則是由本地產(chǎn)生的中頻振蕩器，也叫本震（LO）產(chǎn)生?；祛l器的輸出是這兩個(gè)信號的頻率差和頻率和。然后由帶通（BP）聲表面濾波器（SAW Filter）過濾出其中的一個(gè)中頻信號。由于中頻頻率固定，且頻率較低，信號放大的增益主要來自于中頻放大器。

　　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。AD8367內(nèi)含一個(gè)律方根檢波器可以敏感檢測增益控制端的電平，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，也可以直接來自輸出端的電平，分別是VGA和AGC兩種工作狀態(tài)。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）V_GAIN(V)之間的關(guān)系如式（1）:

　　VGAIN的范圍為50 mV~950 mV.在輸入小信號時(shí)由于增益較大，放大器會產(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（和增益控制電壓VGAIN（V）之間的關(guān)系如式（2）：

　　VGAIN的范圍為0 mV~950 mV.同樣在VGAIN（V）接近0 V,即放大器達(dá)到增益狀態(tài)時(shí)，放大器也會產(chǎn)生一定的增益壓縮，此時(shí)有增益42.5 dB.放大器不論工作在哪種模式，在對接收機(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，噪聲系數(shù)應(yīng)該出現(xiàn)在放大器增益，即接收信號微弱的情況下，而當(dāng)輸入為大信號狀態(tài)時(shí)增益較小，這時(shí)噪聲系數(shù)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。AD8367無論工作在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；但是增益增加過程中三級交調(diào)失真的輸入功率隨之降低，容易在大信號輸入狀態(tài)下產(chǎn)生各級諧波，進(jìn)而對放大器的線性性能產(chǎn)生影響?？糀D8367工作在高模方式下的噪聲系數(shù)、三級交調(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)的級聯(lián)方式對噪聲系數(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，前端增益對系統(tǒng)噪聲系數(shù)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(diào)失真輸入電壓提高，有利于擴(kuò)大放大器的線性范圍。在級聯(lián)過程中，可以通過優(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)，但又不會對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)過外部電容積分產(chǎn)生增益控制電壓，工作在AGC狀態(tài)[5];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有很大的波動(dòng)范圍，但是AD8367的上述級聯(lián)方式和增益控制電路，可以通過第二片AGC的作用對波動(dòng)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(wěn)定在較小范圍內(nèi)。在初設(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處于開路狀態(tài)。當(dāng)輸入信號為-86 dBm時(shí)，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(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)見的是：提放大器增益可以得到更大的信號輸出，并且由噪聲系數(shù)的表達(dá)式可知，前級增益的提高必然帶來噪聲系數(shù)的下降。經(jīng)過試驗(yàn)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(shí)，

　　由于工作在低模方式，所以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(jīng)過上述方式的優(yōu)化后，相同輸入信號下的測試頻譜圖如圖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有所增加，但是這個(gè)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(chǎn)生自激現(xiàn)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(chǎn)生的諧波將和有用信號同時(shí)被后級放大器放大；同時(shí)，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(chǎn)生諧波；兩級放大器諧波的疊加就會造成嚴(yán)重的諧波干擾，不利于定位系統(tǒng)后端對中頻信號的處理。當(dāng)A=22 kΩ、B=22 kΩ時(shí)，VGAIN1:VGAIN2=0.5,輸入信號為-15 dBm時(shí)的試驗(yàn)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(tǒng)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(yōu)化設(shè)計(jì)，既要滿足在小信號輸入狀態(tài)下的較高增益，又能夠在大信號輸入狀態(tài)下對諧波進(jìn)行有效控制。圖7和圖4的控制電路相同。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(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)簡單；通過提高前級放大器增益有效降低了噪聲系數(shù)，使得在小信號輸入時(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)過對控制電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保持中頻放大電路高增益的前提下，對諧波干擾控制在35 dB以上。上述增益控制設(shè)計(jì)方案具有一定的參考價(jià)值。