精品文檔-下載后可編輯分析接收射頻前端中頻放大器增益控制電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：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（IndustrialScientificMedical）Band,是由ITU-R（ITURadiocommunicationSector,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FreeLicense,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(duì)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(jí)聯(lián)電路中，不同的增益分配對(duì)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(jí)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(jí)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(jí)放大器增益。前級(jí)放大器增益越大系統(tǒng)的噪聲系數(shù)越小，但放大器三級(jí)交調(diào)輸入功率也隨之減小，影響到前級(jí)放大器線性性能，如果前級(jí)放大器產(chǎn)生的諧波再經(jīng)過后級(jí)的放大，將會(huì)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(hào)，簡(jiǎn)化了射頻電路。

輸入頻率和輸出頻率：2450MHz和140MHz;接收射頻前端帶寬10MHz;接收機(jī)靈敏度：-91dBm;輸出功率：-10dBm~1dBm.其中，中頻放大器輸入端頻率140MHz,輸入信號(hào)功率范圍-85dBm~-5dBm.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(hào)波動(dòng)中產(chǎn)生的輸出信號(hào)穩(wěn)定在要求范圍之內(nèi)，使得輸入后端的檢測(cè)信號(hào)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(hào)放大的小信號(hào)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(hào)搬移到中頻頻譜的作用?；祛l器中的兩個(gè)輸入信號(hào)一個(gè)是射頻信號(hào)，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(hào)的頻率差和頻率和。然后由帶通（BP）聲表面濾波器（SAWFilter）過濾出其中的一個(gè)中頻信號(hào)。由于中頻頻率固定，且頻率較低，信號(hào)放大的增益主要來自于中頻放大器。

1.2AD8367主要性能介紹

增益控制方式：AGC或VGA;線性增益范圍：-2.5dB~+42.5dB;3dB截止頻率：500MHz;140MHz增益狀態(tài)下噪聲系數(shù)：7.3dB.AD8367具有45dB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200Ω，輸出阻抗50Ω，應(yīng)用在50Ω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(cè)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(jí)聯(lián)使用。

2AD8367增益控制電路設(shè)計(jì)

2.1VGA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20mV/dB的斜率變化，其增益Gain（dB）和增益控制電壓VGAIN（V）VGAIN(V)之間的關(guān)系如式（1）:

VGAIN的范圍為50mV~950mV.在輸入小信號(hào)時(shí)由于增益較大，放大器會(huì)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-20mV/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0mV~950mV.同樣在VGAIN（V）接近0V,即放大器達(dá)到增益狀態(tài)時(shí)，放大器也會(huì)產(chǎn)生一定的增益壓縮，此時(shí)有增益42.5dB.放大器不論工作在哪種模式，在對(duì)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(hào)微弱的情況下，而當(dāng)輸入為大信號(hào)狀態(tài)時(shí)增益較小，這時(shí)噪聲系數(shù)雖然較大但是對(duì)大信號(hào)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(jí)交調(diào)失真的輸入功率隨之降低，容易在大信號(hào)輸入狀態(tài)下產(chǎn)生各級(jí)諧波，進(jìn)而對(duì)放大器的線性性能產(chǎn)生影響。考AD8367工作在高模方式下的噪聲系數(shù)、三級(jí)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(jí)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(jí)聯(lián)方式對(duì)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(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)影響較大。另外，在大信號(hào)輸入增益控制電壓較小的情況下，三級(jí)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(jí)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(huì)對(duì)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(jiǎn)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(jí)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(hào)有很大的波動(dòng)范圍，但是AD8367的上述級(jí)聯(lián)方式和增益控制電路，可以通過第二片AGC的作用對(duì)波動(dòng)范圍為85dBm的輸入信號(hào)有效放大，并且保證放大器輸出信號(hào)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=0Ω、電阻B處于開路狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)為-86dBm時(shí)，測(cè)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(jí)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：提高級(jí)放大器增益可以得到更大的信號(hào)輸出，并且由噪聲系數(shù)的表達(dá)式可知，前級(jí)增益的提高必然帶來噪聲系數(shù)的下降。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)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=22kΩ，B=56kΩ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G1G2,總體增益同樣也會(huì)有所提高。經(jīng)過上述方式的優(yōu)化后，相同輸入信號(hào)下的測(cè)試頻譜圖如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)輸出信噪比有了4dB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(huì)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(jí)放大器的增益就會(huì)越高，在大功率信號(hào)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(jí)放大器增益過大，放大器諧波失真輸入功率就會(huì)降低，產(chǎn)生的諧波將和有用信號(hào)同時(shí)被后級(jí)放大器放大；同時(shí)，后級(jí)放大器增益雖然沒有太大變化，但是輸入信號(hào)的變大也會(huì)使其產(chǎn)生諧波；兩級(jí)放大器諧波的疊加就會(huì)造成嚴(yán)重的諧波干擾，不利于定位系統(tǒng)后端對(duì)中頻信號(hào)的處理。當(dāng)A=22kΩ、B=22kΩ時(shí)，VGAIN1:VGAIN2=0.5,輸入信號(hào)為-15dBm時(shí)的試驗(yàn)測(cè)試頻譜如圖6所示。

可以看出，由于前級(jí)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(hào)功率之間相差只有20dB,所以增益控制電路對(duì)前級(jí)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(hào)輸入狀態(tài)下的較高增益，又能夠在大信號(hào)輸入狀態(tài)下對(duì)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(hào)為-15dBm的輸出頻譜圖，可以看出電路對(duì)諧波干擾控制在35dB以上，圖4也表明小信號(hào)輸入時(shí)的信噪比大于22dB.該控制電路應(yīng)用于ISM頻段定位系統(tǒng)時(shí)，對(duì)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(hào)輸入情況下又