摘 要： 一种优化增益控制电路设计方案，在满足灵敏度要求的前提下，线性性能达到了系统设计要求，并且将该设计方案成功应用于ISM频段定位系统的接收射频前端。
关键词： 增益控制；噪声系数；灵敏度；射频前端
ISM频段的定位系统应用环境复杂，所以对接收机射频前端的灵敏度要求很高。接收射频前端一般采用超外差的结构，经过混频器下变频到固定中频信号。中频放大器可以实现很高的增益，为后端信号处理提供较大和稳定的功率。为了达到这个目标，现代中频放大器使用了增益控制技术。增益控制电路的设计，直接影响到整个接收射频前端的灵敏度和线性性能。在放大器级联电路中，不同的增益分配对系统的噪声系数和线性性能有重要影响；同时，噪声系数和放大器的线性性能在一定程度上又是相互制约的。增益控制电路的设计可以规划不同放大器的增益，求解出最佳的系统指标。图1为放大器级联模型。
增益控制电路可以动态分配放大器的增益。在上述放大器级联模型中，增益分配会出现G1>G2、G1<G2和G1=G2等三种情况。由于增益控制电压由第二级放大电路决定，在增益控制电压相等时，上述三种情况下的G2相等，这样增益放大器主要控制前级放大器增益。前级放大器增益越大系统的噪声系数越小，但放大器三级交调输入功率也随之减小，影响到前级放大器线性性能，如果前级放大器产生的谐波再经过后级的放大，将会造成严重谐波失真。因此，在增益控制电路的设计中，既要通过系统增益的提高降低系统噪声系数，又要把谐波失真控制在允许的范围。
1 系统主要指标和芯片介绍
1.1 接收射频前端主要设计指标
输入频率和输出频率：2 450 MHz和140 MHz；接收射频前端带宽10 MHz；接收机灵敏度：-91 dBm；输出功率：-10 dBm~1 dBm。其中，中频放大器输入端频率140 MHz，输入信号功率范围-85 dBm~-5 dBm。由于输入功率范围较大，要求中频放大器有很高的线性增益动态范围，并且需要良好的噪声指标，以实现系统较好的灵敏度；同时，中频放大器还要有稳幅电路，以保证在输入信号波动中产生的输出信号稳定在要求范围之内，使得输入后端的检测信号不失真、不溢出。
1.2 AD8367主要性能介绍
增益控制方式：AGC或VGA；线性增益范围：-2.5 dB~+42.5 dB；3 dB截止频率：500 MHz；140 MHz最大增益状态下噪声系数：7.3 dB。AD8367具有45 dB的增益动态范围，在低频到几百MHz的范围内都具有很好的线性控制；输入阻抗200 Ω，输出阻抗50 Ω，应用在50 Ω的系统中时输入端需要使用阻抗匹配电路[1]。AD8367内含一个律方根检波器可以敏感检测增益控制端的电平，并且与内置参考点进行比较，比较产生的电流通过一个外部电容积分，得到相应的控制电压；增益控制端的电平可以由外部检波电路产生，也可以直接来自输出端的电平，分别是VGA和AGC两种工作状态[2]。增益控制电路可以实现输出端信号的相对平稳，便于后端对中频信号处理。由于单片放大器增益难以达到要求，所以在本设计中，需要两片进行级联使用。
2 AD8367增益控制电路设计
2.1 VGA和AGC电路特征描述
AD8367的线性增益可以工作在高模和低模两种方式。工作在高模方式时，放大电路增益以20 mV/dB的斜率变化，其增益Gain(dB)和增益控制电压VGAIN(V)之间的关系如式(1)[1]：
VGAIN的范围为50 mV~950 mV。在输入小信号时由于增益较大，放大器会产生一定的增益压缩，但是放大器基本保持线性增益输出。工作于VGA状态下时，放大器可以采用低模和高模两种工作方式，但是工作在AGC状态下时，放大器必须采用低模的工作方式。低模方式下的电路增益以-20 mV/dB的斜率进行变化，其增益Gain(dB)和增益控制电压VGAIN(V)之间的关系如式(2)[1]：
VGAIN的范围为0 mV~950 mV。同样在VGAIN(V)接近0 V，即放大器达到最大增益状态时，放大器也会产生一定的增益压缩，此时有最大增益42.5 dB。放大器不论工作在哪种模式，增益变化基本随增益控制电压线性变化，在对接收机射频前端进行系统设计时，可以很方便规划放大器的增益，而且也有利于使用外部电压进行增益控制电路设计。
在接收机的应用中，最小噪声系数应该出现在放大器最大增益，即接收信号最微弱的情况下，而当输入为大信号状态时增益较小，这时噪声系数虽然较大但是对大信号的影响有限，仍然可以保证输出具有较高的信噪比[3]。AD8367无论工作在VGA方式还是工作在AGC方式，增益增加，相应的噪声系数降低，增益降低，噪声系数反而增加；但是增益增加过程中三级交调失真的输入功率随之降低，容易在大信号输入状态下产生各级谐波，进而对放大器的线性性能产生影响。考虑到接收射频前端系统对中频放大器噪声系数和线性性能两方面的要求，需要对AD8367的增益控制电路进行优化设计。AD8367工作在高模方式下的噪声系数、三级交调失真与增益控制电压的关系，如图2所示。
除了上述噪声系数、三级交调失真输入电压和增益控制电压之间的关系之外，系统的级联方式对噪声系数也有很大影响。不同的增益分配，直接影响到噪声系数的大小。系统噪声系数的大小由式(3)[4]给出：
由式(3)可知，前端增益对系统噪声系数影响较大。另外，在大信号输入增益控制电压较小的情况下，三级交调失真输入电压提高，有利于扩大放大器的线性范围。中频放大器AD8367具有很宽的线性动态范围，可以有效抑制谐波的产生，但是这会在一定程度上降低系统的增益。在级联过程中，可以通过优化设计增益控制电路提高系统增益，同时产生的谐波干扰也控制在允许的范围之内。这种优化设计可以降低噪声系数，但又不会对放大器的线性性能造成严重影响。
2.2 增益控制电路和应用电路设计
在ISM频段定位系统接收射频前端的设计中，为了简化电路，AD8367采用自动增益控制的工作方式，后端的控制电压同时控制两片增益的大小。两片AD8367的级联方式如图3所示。
两片AD8367都工作在低模方式，其中第二片采用内部精准的律方根检波器，输出电流经过外部电容积分产生增益控制电压，工作在AGC状态[5]；第一片的增益控制电压端直接与第二片增益控制端相连接，由第二片提供增益控制电压，工作在VGA状态。虽然中频放大器的输入信号有很大的波动范围，但是AD8367的上述级联方式和增益控制电路，可以通过第二片AGC的作用对波动范围为85 dBm的输入信号有效放大，并且保证放大器输出信号稳定在较小范围内。上述级联方式下AD8367的噪声系数和线性性能指标，可以通过图1的放大器级联模型进行分析和设计。在最初设计中，两片AD8367增益控制采用直接相连的方法，即电阻A=0 Ω、电阻B处于开路状态。当输入信号为-86 dBm时，测试电路频谱如图4所示。
这种控制方式下，两片放大器的增益相等，即图1放大器级联模型中G1=G2的情况。该增益控制方式应用于定位系统时，由于噪声系数较大使得系统灵敏度难以达到要求。可以预见的是：提高第一级放大器增益可以得到更大的信号输出，并且由噪声系数的表达式可知，前级增益的提高必然带来噪声系数的下降。经过优化设计的增益控制电路，证明了这一点。经过试验测试可知，放大器增益控制端输入阻抗为无穷大，增益控制电路中A=22 kΩ，B=56 kΩ时，
由于工作在低模方式，所以第一片放大器增益要大于第二片放大器增益，即G1>G2，总体增益同样也会有所提高。经过上述方式的优化后，相同输入信号下的测试频谱图如图5所示。可以发现输出信噪比有了4 dB左右的改善，并且该控制方式可以成功应用于ISM波段的定位系统接收射频前端，得到的系统灵敏度也要优于指标要求。VGAIN1：VGAIN2的值减小得到的输出功率都会有所增加，但是这个比值并不能无限制地减小。
VGAIN1：VGAIN2的比值越小，前级放大器的增益就会越高，在大功率信号输入的情况下，放大器很容易产生自激现象，这种情况是必须避免的。另外，前级放大器增益过大，放大器谐波失真输入功率就会降低，产生的谐波将和有用信号同时被后级放大器放大；同时，后级放大器增益虽然没有太大变化，但是输入信号的变大也会使其产生谐波；两级放大器谐波的叠加就会造成严重的谐波干扰，不利于定位系统后端对中频信号的处理。当A=22 kΩ、B=22 kΩ时，VGAIN1：VGAIN2=0.5，输入信号为-15 dBm时的试验测试频谱如图6所示。
可以看出，由于前级放大器增益过大造成了系统的谐波干扰，并且三次谐波的功率与信号功率之间相差只有20 dB，所以增益控制电路对前级放大器的控制程度需要优化设计，既要满足在小信号输入状态下的较高增益，又能够在大信号输入状态下对谐波进行有效控制。图7和图4的控制电路相同，即A=22 kΩ，B=56 kΩ，VGAIN1：VGAIN2=0.72。图7是输入信号为-15 dBm的输出频谱图，可以看出电路对谐波干扰控制在35 dB以上，图4也表明小信号输入时的信噪比大于22 dB。该控制电路应用于ISM频段定位系统时，对系统的噪声系数和线性性能都有很大贡献，并且由于增益较大，在小信号输入情况下又可以保持较大的输出功率。
这种增益控制设计存在如下的优点：不需要外部检波电路，电路设计简单；通过提高前级放大器增益有效降低了噪声系数，使得在小信号输入时的系统输出信噪比提高了4.5 dB，提高了接收射频前端的灵敏度，同时保证了输出功率可以稳定在较高点；采用非均衡分配增益的方式，经过对控制电路优化设计，在保持中频放大电路高增益的前提下，对谐波干扰控制在35 dB以上。在其他放大器级联的过程中，噪声系数和线性性能同样存在需要优化设计的问题。上述增益控制设计方案具有一定的参考价值。
参考文献
[1] AD8367 Data Sheet.ADI，2001，11.
[2] 周智勇.基于AD8367的接收机VGA电路设计.电子侦察干扰，2005(1).
[3] 雷振亚.微波/射频电路导论.西安电子科技大学出版社，2005.
[4] DAVID M.Pozar Microwave and RF Wireless Systems.New York，Wiley，2001.
[5] 范德睿.用AD8367简化接收机AGC电路设计.电子产品世界，2003(5).