一种大动态AGC电路设计

一种大动态音频AGC电路设计申俊星，孙志强（商丘职业技术学院，机电工程系，河南商丘476000）【摘要】超高频段通讯中，由于复杂的信道环境以及多径效应等的影响，信号到达接收机时可能具有巨大的动态范围致使接收机前端出现阻塞甚至烧毁。即使前级具有衰减或增大等AGC(自动增益控制)功能，但在工厂等恶劣环境中可能产生到达基带解调器时仍无法正常工作，因此有必要在解调器前增置低频AGC电路，实现信号在在到达解调器时在较大的动态范围内都保持恒定，以保证基带解调的正确实现。关键词：信道；自动增益控制；检波；场效应管变阻；AHighDynamicAGCCircultDesignAbstractUHFbandcommunication,astheeffectsofcomplexedsignalpathandmultipatheffect,signalsthatreachtoreceiverhavehighdynamic,whichcanleadsbackupandburnoffoffront-circuit.Althoughmostreceiverhaveanautogaincontrolcircuit,itisimpossiblethatthesignalcan’tbedemodulatedwhenthesignalcometothedemodulatorincriticalsituation.Itisnecessarythataddalowfrequenceautogaincontrolcircuitbeforethedemodulator.Inthisway,thesignalscanbestabilizedanddemodulaterightlyinahighdynamic.KeyWardssignalpath;autogaincontral;demodulation；theosast;1引言现代通讯中，在UHF频段电波遇到各种障碍物时会发生反射和散射现象，对直射波会引起干涉，在距接收机较近的环境中各路径波束会急剧叠加，产生多径衰落现象。天气、地形等影响，也会加剧电波的绕射，反射和损耗。同时在多信道通讯中，在转换信道时可能会出现信号的急剧动荡。这些都对接收机的选址，尤其是对接收机的动态范围提出了严格的要求。现代通讯接收机中为使到达基带的信号具有合理的动态范围，都在中频添加AGC电路。但在一些特殊应用中，由于使用环境的复杂导致仅有中频AGC不能完全满足要求，需要在基带处理前加入二级AGC电路。本文面对此问题，设计了一种简易的低频AGC电路，具有结构简单、使用环境多样化、电路稳定、动态范围广等特点。2设计原理2.1常用AGC原理到达基带的信号能够正确解调的前提是信号一定要在解调器的可识别范围内，这就要求对到达的信号进行增益控制。引入增益控制会带来一些问题，增益控制是一种闭环控制方式，一般它会引起系统三方面问题：（1）稳定性（2）控制惰性，即反馈具有滞后性。（3）控制范围，通常与调制方式有关。其中稳定性至关重要，因为增益控制是反馈回路，设计不当会引起电路自激，毁坏系统。图1为常用AGC电路基本框图。11作者简介：申俊星（1983），男，助教，学士学位，研究方向：电气自动化@sina.com图1AGC电路基本框图常用控制增益的方法：模拟方法和数字方法。模拟方法如利用改变晶体管的直流工作状态的方法控制增益。当Ic变化时，正向传输导纳也随之变化增益也改变。控制方式有正向AGC和反向AGC。正向用增加Ic来实现增益控制，反向用减小Ic来实现增益控制，两者都使增益下降，但通常可控的动态范围不大。同时随着工作温度上升，增益稳定范围也会发生变化。数字实现方法为利用查找表映射的方法，利用A/D器件和可编程器件结合，将输入信号采样，量化后根据换算关系查表实现增益的稳定，具有控制范围广，稳定精准等特点。2.2设计原理在UHF无线收发模块中当接收机输出的音频信号送至解调器时要求稳定在Vpp=1V，同时叠加2.5V的直流，以保证解调器正确解调。因此有必要在信号送至解调器前经过AGC电路，确保正确解调。设计中采用模拟方法实现。经过试验，采用运放和MOSFET管结合的方法可实现VCA（电压控制放大器）功能，其中运放采用减法电路方法，FET管作为减法电路的一个可变电阻,如图2所示。图2VCA电路结构图图3IRFZ34Vgs与Id关系图MOSFET是场效应器件，以增强型为例，Ids与Vgs的关系式为，201gsddTviIV(gsTvV)（1）当Vds恒定时，1dsdRi（2）由公式（1）、（2）式可知1dsgsRv（3）由运算放大器和FET构成的减法电路为图2所示Vout与Vin的运算关系为2321FEToutINFETRRRVVRRR（4）设2321RRRC,则1111FEToutININOUTFETFETRRVVVCVCRRR（5）C为常数。可知当Vout恒时，dsFETINRRV11（6）联系（3），（6）式可知，gsINVV（7）由(7)式可知，要使Vout稳定，只需在Vout端引出信号经检波滤波形成负反馈信号控制FET的栅源电压Vgs,利用FET的漏源电阻随Vgs变化特性，与运放电路结合构成VCA。3电路实现及验证系统要求当混频输出的峰峰值在50mv~5v时，AGC输出要稳定在峰峰值1V左右，同时叠加2.5V的直流，以满足调制需要，只提供+12V电源。系统数字调制部分采用MSK调制，两个频点为1200Hz和1800Hz,同时也要传输音频信号。所以AGC的频率范围只要覆盖整个音频范围即可。电路实际设计中，关键因素有三个：（1）找到线性度好的MOSFET用作变阻器。（2）精准稳定的峰值检波电路。（3）把峰值检波出的电压转换到反馈需要的幅度范围内。经反复试验，选定IRFZ34管作为变阻器件，Id与Vgs曲线由图3所示。峰值检波单元采用运放、二极管和RC滤波相结合的方法。试验发现若检波反馈值调整放在检波单元后容易影响检波效果，所以最终电路中将反馈值调整单元放在检波单元前实现。因为系统的单电源要求和最终送至解调器的波形要叠加2.5V直流，电路又加入分压驱动电路和叠加电路。电路结构如图4所示。图4系统AGC电路原理图图4中R1,R2,R3,R4和OPA1用于提高电路的输入阻抗和提升信号电压范围，使输入信号全周期内大于0v，确保运放全周期内都能工作，大电阻用于防止由于前级的负载效应导致电路性能下降。R5,MOSFET管IRFZ34，R6，R7和OPA2组成受控增益变化单元，增益受MOSFET栅极电压控制。由于输入此级的信号叠加有直流，所以FET管的源极和R6也接至叠加电压，保证同电位。R8,R9,R10和OPA3组成前置反馈信号调整单元，可用于调整反馈信号的大小。R11,R12，IN4148和OPA4构成峰值检波单元，此结构检波性能良好。C1和R13组成滤波单元。R14,R15,R16,R17和OPA6用于对OPA2输出的信号叠加直流后输出。R18,R19,R20和OPA5用于+12V电源的分压后利用电压跟随器方式输出，增强分压后驱动能力。经过测量验证，Vin的峰峰值从20mv到5v时，输出峰峰值都能稳定在1V左右，若加大分压后，动态范围将更大。频率范围在0~30K都能正常工作，完全满足设计要求。表1测试数据20mv50mv100mv500mv1v3v5v10v(5v偏压)100Hz0.8v0.85v0.95v1v1v1v1.1v1.1v500Hz0.8v0.85v0.95v1v1v1v1v1.1v1kHz0.85v0.9v0.95v1v1v1v1v1.1v10kHz0.9v0.95v1v1v1v1v1v1.15v30kHz0.9v0.95v1v1v1v1v1v1.1v4结语本文分析了AGC电路的基本原理，结合系统要求设计出了简单实用的AGC电路。根据表1计算，电路具有20mv(26dBmv)~10V(80dBmv)共54dB的动态范围。完全满足了系统要求50mv~5v的动态需求，且可灵活组合实用。即解决了由成品VCA构成AGC电路要求双电源的缺点，又能填补数字方法复杂，成本较高的缺陷，在工程中具有实用价值。参考文献[1]康华光.电子技术基础模拟部分（第四版）[M].北京;高等教育出版社,2001.[2]张玉兴.射频模拟电路[M].北京；电子工业出版社，2003.[3]郭梯云.邬国扬.李建东.移动通信[M],西安；西安电子科技大学出版社，2002.[4]陈启兴.靳桅.刘化海.电视机伴音电路的优化设计[J].中国有线电视,2003,9(10):106-107.[5]刘吉录.解析智能型音频处理器[J].西部有线电视.2002,2(34):36-37.VinVoutF