1幾種增益控制概述目前的增益控制手段主要有三種：（1）電路自動(dòng)增益控制。（2）光自動(dòng)增益控制。（3）鏈路自動(dòng)增益控制。1.1電自動(dòng)增益控制1991年A.D.Ellis等提出了電路自動(dòng)增益控制方案，電自動(dòng)增益主要通過三個(gè)過程，一是檢測(cè)增益變化，二是產(chǎn)生校準(zhǔn)信號(hào)三是恢復(fù)增益。通過監(jiān)視放大器輸出端的增益變化產(chǎn)生校準(zhǔn)信號(hào)來調(diào)整泵源的驅(qū)動(dòng)電流，A.D.Ellis在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)功率在8dB范圍內(nèi)變化時(shí)，增益被控制在很小的范圍內(nèi)。2000年，Ki-WoonNa等又提出了給泵激光器加幾KHz弱調(diào)制信號(hào)用作增益控制的探測(cè)信號(hào)。輸入信號(hào)在超過25dB的范圍內(nèi)，增益被控制在0.4dB以內(nèi)。1.2光自動(dòng)增益控制光自動(dòng)增益控制明顯不同于電路自動(dòng)增益控制，在光自動(dòng)增益控制中不需要調(diào)整泵光的功率，而是通過引入控制激光與信號(hào)光共同消耗光纖放大器的上能級(jí)栗子數(shù)，此消彼長(zhǎng)，可以快速的自動(dòng)調(diào)整信號(hào)光所能得到的上級(jí)粒子數(shù)。使得信號(hào)光的功率在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，其增益始終維持一定值，但實(shí)踐起來比較困難。1.3鏈路自動(dòng)增益控制鏈路自動(dòng)增益控制主要用于級(jí)聯(lián)edfa情況下的增益控制，由于復(fù)雜多變的情況出現(xiàn)在鏈路的前端，而在鏈路中不存在信道上下載的情況，因而鏈路增益控制通常只對(duì)第一級(jí)放大器進(jìn)行增益控制。研究表明在一定程度內(nèi)，鏈路自動(dòng)增益控制可以達(dá)到令人滿意的效果。2發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，我們多采用電自動(dòng)增益控制，以下介紹的自動(dòng)控制均為電自動(dòng)控制：電信號(hào)存在幅值和頻率的信息的變化范圍大的特點(diǎn)，而動(dòng)增益控制系統(tǒng)能夠?qū)敵龇冗M(jìn)行精確控制，穩(wěn)定信號(hào)輸出功率并降低了后級(jí)電路動(dòng)態(tài)范圍要求，現(xiàn)今已廣泛應(yīng)用于通信電路系統(tǒng)中。2.1自動(dòng)增益控制原理自動(dòng)增益控制從電子技術(shù)發(fā)展初期已開始應(yīng)用，現(xiàn)今廣泛應(yīng)用于對(duì)輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍要求很大的電路系統(tǒng)，是一種輸入信號(hào)變化很大而輸出信號(hào)變化很小的動(dòng)增益控制電路。自動(dòng)增益控制系統(tǒng)能夠使得輸出信號(hào)功率相對(duì)穩(wěn)定，因而降低了后級(jí)電路對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的要求。如果信號(hào)幅值變化速率遠(yuǎn)低于其所含的信息速率，即輸入動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢于載波信號(hào)時(shí)，自動(dòng)增益控制電路則可為級(jí)電路提供所需的功率。在大多數(shù)應(yīng)用中，響應(yīng)輸入信號(hào)幅值變化的增益調(diào)整時(shí)間需保持固定，不依賴于信號(hào)幅值與調(diào)整幅值的大小變化。固定的增益調(diào)整時(shí)間能夠使自動(dòng)增益控制環(huán)路帶寬最大化，從而提升可處理信號(hào)頻率。自動(dòng)增益控制電路是一種輸入信號(hào)變化很大而輸出信號(hào)變化很小的自動(dòng)增益控制電路，針對(duì)系統(tǒng)電路中的多個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鬟M(jìn)行相應(yīng)的增益控制以及系統(tǒng)優(yōu)化。運(yùn)算放大器重要參數(shù)除了增益和速度以外，功耗、電源電壓、線性度、噪聲以及最大電壓擺幅等參數(shù)也是非常重要的。于此同時(shí)，輸入輸出阻抗決定電路與前后級(jí)的互相配合問題。對(duì)于存在多個(gè)模塊的增益控制，各模塊的增益分配也是需要解決的一個(gè)問題。在一定的輸入功率下，只需整個(gè)系統(tǒng)的增益之和固定，就能夠使得輸出功率保持不變，而各模塊增益分配可以任意。因此，綜合考慮接收機(jī)的性能要求，木論文將針對(duì)增益分配問題在下文給出一個(gè)較為合理的優(yōu)化分配方案。2.2自動(dòng)增益控制的應(yīng)用自動(dòng)增益控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，如運(yùn)用于無(wú)線局域網(wǎng)接收機(jī)、助聽器電路系統(tǒng)、無(wú)線膠囊內(nèi)窺鏡等，從低功耗、低性能要求的簡(jiǎn)單小型電路系統(tǒng)，到復(fù)雜、高精確度要求的大型電路系統(tǒng)都有自動(dòng)增益控制電路的應(yīng)用。自動(dòng)增益控制系統(tǒng)目前集中于高速、低功耗、大動(dòng)態(tài)范圍或是精確輸出功率控制等幾個(gè)主要的研究方向，對(duì)于幾個(gè)典型自動(dòng)增益控制系統(tǒng)的性能參數(shù)，由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同，對(duì)自動(dòng)增益控制各項(xiàng)系統(tǒng)指標(biāo)要求也完全不一樣，電路設(shè)計(jì)也是考慮各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)的折衷過程。在實(shí)際應(yīng)用中，各個(gè)參數(shù)大部分都會(huì)互相牽制，因此導(dǎo)致設(shè)計(jì)變成一個(gè)多維優(yōu)化與折衷的問題。各種折衷選擇、相互制約的問題對(duì)高性能的放大器設(shè)計(jì)與提出了很多難題。當(dāng)對(duì)于快速鎖定要求的自動(dòng)增益控制系統(tǒng)時(shí)，功率消耗總的來說很大：而對(duì)于極低功耗要求的自動(dòng)增益控制系統(tǒng)，增益鎖定時(shí)間就需要很快，如助聽器電路系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間與恢復(fù)時(shí)間分別小于300ms、1800ms。同樣，自動(dòng)增益控制電路設(shè)計(jì)過程中也存在對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)的折衷考慮。主要集中于增益、噪聲與線性度間的權(quán)衡等方面。因此，自動(dòng)增益控制系統(tǒng)涉及的增益鎖時(shí)間、功耗、靈敏度等性能參數(shù)，在不同的電路系統(tǒng)中變化幅度很大。在實(shí)際的自動(dòng)增益控制電路設(shè)計(jì)中，需要針對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域以及所處的電路系統(tǒng)選定某一個(gè)研究方向，并確定合適的性能指標(biāo)。3模擬自動(dòng)增益控制環(huán)路自動(dòng)增益控制電路則具有輸入動(dòng)態(tài)范圍人、輸出功率穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于通信接收機(jī)。尤其在高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字通信系統(tǒng)中，如WLAN的突發(fā)包交換系統(tǒng)，每個(gè)數(shù)據(jù)包開始都將引入一個(gè)大信號(hào)變化。為了解調(diào)接收到的信號(hào)并提高信噪比，可以采用自動(dòng)增益控制使得基帶信號(hào)的平均功率保持在所需水平。在下一代WLAN高通量的MIMO-OFDM應(yīng)用中，自動(dòng)增益控制的使用能夠確保接收端具有可接受的信噪比，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速率傳輸。3.1基本AGC環(huán)路AGC電路廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信系統(tǒng)，如磁盤驅(qū)動(dòng)讀取通道以及許多其他系統(tǒng).在標(biāo)準(zhǔn)AGC電路中，要求系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要慢于載波頻率。如果需要設(shè)計(jì)一個(gè)高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)且控制范圍較人的AGC時(shí)，因?yàn)槠淇刂骗h(huán)路固有的非線性特性將會(huì)引起某些穩(wěn)定性問題。由于控制系統(tǒng)是非線性的，增益環(huán)路與穩(wěn)定性通常依賴于工作點(diǎn)。為了保證最大環(huán)路增益的穩(wěn)定性，同時(shí)在低增益時(shí)能夠獲得可接受的性能，需要設(shè)計(jì)一個(gè)建立時(shí)間固定的AGC系統(tǒng)。AGC環(huán)路由可變?cè)鲆娣糯笃?、峰值檢測(cè)器與環(huán)路濾波器組成。通常，環(huán)路是一個(gè)非線性系統(tǒng)，其增益調(diào)整的建立時(shí)間是依賴于信號(hào)幅值。AGC電路需要根據(jù)基準(zhǔn)電壓VREF對(duì)輸出電壓幅值VOUT做出調(diào)整，主要消除VIN載波信號(hào)對(duì)AGC環(huán)路建立時(shí)間的影響。通常，只有在AGC電路調(diào)整輸入信號(hào)幅度之后，才能從輸入端得到無(wú)差錯(cuò)的恢復(fù)數(shù)據(jù)。這種幅值檢測(cè)通常出現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)那巴酱a中，且前同步碼寬度持續(xù)時(shí)間必須超過幅值檢測(cè)或AGC環(huán)路的建立時(shí)間，但是為了有效利用通道帶寬而乂要求其最小化。如果所設(shè)計(jì)的AGC電路的建立時(shí)間是輸入信號(hào)幅值的函數(shù)，那么必須使前同步碼寬度大于AGC電路所需建立時(shí)間的最大值。因此，在優(yōu)化系統(tǒng)性能時(shí)，AGC環(huán)路的建立時(shí)間必須謹(jǐn)慎定義且與信號(hào)無(wú)關(guān)，從而得到獨(dú)立于載波幅度的固定輸出幅值、固定環(huán)路增益。如圖1所示，自動(dòng)增益控制系統(tǒng)是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，VGA增益函數(shù)G(Vc)由電壓信號(hào)控制，峰值檢測(cè)器與環(huán)路濾波器組成了檢測(cè)峰值幅度的反饋電路。峰值檢測(cè)器用來檢測(cè)輸出電壓功率，并與參考電壓VREF進(jìn)行比較。兩個(gè)信號(hào)之間的差值則經(jīng)過濾波器，作為VGA的增益控制信號(hào)Vc,增益控制信號(hào)可以是電壓或電流，此處為電壓Vc。Aout是VOUT輸出信號(hào)，調(diào)整VGA的增益直至檢測(cè)到的峰值幅度Vp等于直流參考電壓VREF。AGC電路的輸出是增益與輸入信的乘積。由于反饋網(wǎng)絡(luò)僅響應(yīng)峰值幅度，因此幅度如式所示，AOUT=G(Vc)VIN(t)其中，Ain是VIN的振幅。AGC電路的反饋環(huán)路僅針對(duì)信號(hào)幅度，因此其輸入、輸出信號(hào)只是分別與它們的幅值ain、Aout有關(guān)。ILOOPFILTERH(S)5(ILOOPFILTERH(S)5(加％j1*^-ILOOPFILTERPEAKDETECTOR峪禮F圖4-2通常AGC模塊小G圖圖一3.2固定的AGC時(shí)間常數(shù)直接獲得固定時(shí)間常數(shù)的方法是：如式所示，設(shè)計(jì)一個(gè)增益為Vc指數(shù)形式的VGA。在Bipolar或BiCMOS技術(shù)中，基極-發(fā)射極電壓與集電極電流即可得到指數(shù)函數(shù)，但是在CMOS或其他技術(shù)中沒有這么明顯的指數(shù)關(guān)系。有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。第一種，最簡(jiǎn)單的方法是設(shè)計(jì)一個(gè)電路使其增益函數(shù)是趨近于指數(shù)函數(shù)的分段線性函數(shù)。這種方法肯定可以正常工作，但是增益與控制信號(hào)的微分dG/dVc不連續(xù)，導(dǎo)致電路復(fù)雜化。第二種方法是在VGA前面增加附加模塊讓控制電壓Vc預(yù)失真，使得總的增益響應(yīng)為指數(shù)形式。如圖2所示，非線性函數(shù)為：Wc)為GlWJkk*%其中f(Vc)必須是G(Vcp)的精確建模函數(shù)，也是目標(biāo)指數(shù)函數(shù)。由上述方案可以得到近似的指數(shù)函數(shù)，但是要得到一個(gè)適合所有情況以及溫度變化的值很難。最后一種，如果增益函數(shù)指數(shù)形式，那么指數(shù)函數(shù)以近似表示為如下關(guān)系式:.1+四(1-^/2)如果Kx與信號(hào)無(wú)關(guān)，那么AGC環(huán)路體現(xiàn)為dB形式的一階線性系統(tǒng)。通常在設(shè)計(jì)VGA時(shí)，在GM2/C為常數(shù)的情況下，將Kx維持常數(shù)來獲得增益指數(shù)特性。相較于在通常設(shè)計(jì)中采用線性時(shí)不變的環(huán)路濾波器，更傾向于設(shè)計(jì)一個(gè)自由度更高的非線性環(huán)路濾波器。有了額外的由度，VGA不再需要指數(shù)特性。通常，非線性環(huán)路濾波器的GM2或C獨(dú)立于信號(hào)。AGC電路的建立時(shí)間若固定，則需滿足以下關(guān)系：G*(此)dG(*)=9=constantG(L)dVQx4混合信號(hào)AGC環(huán)路很多接收機(jī)采用數(shù)字信處理來執(zhí)行大部分AGC工作，若采用模擬檢測(cè)鏈路的模擬AGC電路則可以大大降低系統(tǒng)功率，允許數(shù)字信號(hào)處理器在大部分時(shí)間

休眠。因此，結(jié)合模擬與數(shù)字AGC環(huán)路的特點(diǎn)，出現(xiàn)了混合信號(hào)AGC環(huán)路，如圖3所示。VIN信號(hào)經(jīng)口變?cè)鲆婺K(VGA)后，采用能量檢測(cè)電路(RSSI)將輸出功率轉(zhuǎn)化為輸出電壓VOUT，之后由逐次比較數(shù)模轉(zhuǎn)(SAR-ADC)對(duì)模擬電平進(jìn)行量化，得到的結(jié)果與增益控制邏輯寄存器中的目標(biāo)功率的量化值進(jìn)行對(duì)比，確定增益是否需要調(diào)整以及調(diào)整幅度。上述增益調(diào)整過程在接收機(jī)工作時(shí)每隔一段時(shí)間就執(zhí)行一次，確保輸出功率滿足要求，即處在目標(biāo)功率。AGC系統(tǒng)的增益設(shè)定誤差由VGA的最小增益臺(tái)階、RSSI的誤差、以及SAR-ADC的量化誤差共同決定。GaiinControl

LogicADGO而GaiinControl

LogicADG圖冬1?；旌闲盘?hào)AGC江路5數(shù)字電視調(diào)諧器AGC算法5.1數(shù)字電視調(diào)諧器系統(tǒng)架構(gòu)圖中給出了數(shù)字電視調(diào)諧器的系統(tǒng)架構(gòu)圖，采用直接下變頻的無(wú)源混頻器結(jié)構(gòu)。直接變頻接收機(jī)具有系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單、基帶電路易于集成、低功耗以及潛在的制造成本低的特點(diǎn)，因此目前很多接收機(jī)采用這一結(jié)構(gòu)。數(shù)字電視調(diào)諧器采用了寬帶低噪聲放大器(LNA),寬帶LNA已廣泛應(yīng)用丁多信道通信系統(tǒng)。對(duì)于窄帶LNA，通常能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲系數(shù)、高增益、阻抗匹配的要求，同時(shí)基于線圈匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)獲得低功耗。但由于寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，窄帶LNA并不適用于寬帶應(yīng)用，如于持電視網(wǎng)絡(luò)。因此，為了實(shí)現(xiàn)低成本、高集成系統(tǒng)，可以采用深亞微米CMOS寬帶LNA。在寬帶系統(tǒng)中，利用可變?cè)鲆娴腖NA寬帶可以有效緩解后級(jí)混頻器電路的線性度要求。圖中寬帶LNA結(jié)構(gòu)分別應(yīng)用于、兩個(gè)信道，工作在、頻率范圍內(nèi)。低通濾波器米用Tow-Thomas結(jié)構(gòu)，是由三個(gè)biquad級(jí)聯(lián)而成的反切比雪夫?yàn)V波器。相較于具有相同選擇性的RLC梯形濾波器，這種設(shè)計(jì)能提能夠降低復(fù)雜度、易于調(diào)節(jié)參數(shù)，并且對(duì)器件失配敏感。六階反切比雪夫?yàn)V波器可以滿足65dB抑制，且通道無(wú)紋波，群延遲較為線性。圖4-1圖4-11數(shù)字由現(xiàn)調(diào):皆器系統(tǒng)架構(gòu)圖JaJBlnpcHJUake5.2模塊增益分配數(shù)字電視調(diào)諧器的可變?cè)鲆婺K由三部分組成，分別使用了三個(gè)相互獨(dú)立的自動(dòng)增益控制環(huán)路。由于各個(gè)動(dòng)增益控制環(huán)路在鏈路中的所處位置不同，因此可處理的信號(hào)帶寬也存在很大差別，所處理的功率同樣存在很大差別。尤其是信道選擇濾波器前后的信號(hào)有很大差別，濾波器前面的信號(hào)可能包括很強(qiáng)的帶外干擾。采用獨(dú)立的AGC環(huán)路，可以分別對(duì)每個(gè)模塊增益進(jìn)行優(yōu)化，在最壞情況下也具有可接受的性能。5.3各模塊目標(biāo)功率各模塊目標(biāo)功率的確定與模塊自身的信號(hào)噪聲失真比、三階交調(diào)量、噪聲系數(shù)等有關(guān)。數(shù)字電路調(diào)諧器的主信號(hào)鏈路同時(shí)包括固定增益模塊與可變?cè)鲆婺K，為了得到每個(gè)模塊的目標(biāo)功率，通常先確定固定模塊的最優(yōu)輸入功率，其他可變?cè)鲆婺K則可以通過相應(yīng)計(jì)算得到最優(yōu)目標(biāo)功率輸入功率可鎖定范圍。參考文獻(xiàn)RuanAiwu,LiWanyu,Fengpeide.Errorsourcesinmicromachinedtuning-forkgyroscope[J].ChineseJournalofAeronautics(EnglishVer-sion),1998,11(1):55-60.GeigerW,FolkmerB,SobeU,etal.Strudyofthedrivingmethodofthevibratingwheelgyroscope[J].SensorsandActuatorsA,1998,66:118-124.趙負(fù)圖.現(xiàn)代傳