基于AD8367壓控增益放大系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

一、引言

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，壓控增益放大器（VGA）扮演著至關(guān)重要的角色。它們能夠根據(jù)輸入信號(hào)的大小動(dòng)態(tài)調(diào)整增益，從而優(yōu)化系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。AD8367是Analog Devices（AD公司）推出的一款高性能可變?cè)鲆娣糯笃?，特別適用于中頻（IF）信號(hào)處理。本文將詳細(xì)介紹基于AD8367的壓控增益放大系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括主控芯片型號(hào)、設(shè)計(jì)原理、電路實(shí)現(xiàn)以及性能評(píng)估。

二、主控芯片型號(hào)及作用

1. 主控芯片型號(hào)

• 型號(hào)：AD8367

• 描述：AD8367是一款高性能45dB可變?cè)鲆婢哂芯€性dB增益控制的放大器，設(shè)計(jì)用于在最高500MHz的中頻頻率下工作。

2. 在設(shè)計(jì)中的作用

AD8367在壓控增益放大系統(tǒng)中主要承擔(dān)以下作用：

• 可變?cè)鲆婵刂?/span>：通過外部控制電壓，AD8367能夠平滑、單調(diào)地調(diào)整增益，從而實(shí)現(xiàn)精確的增益控制。

• 寬帶性能：具有500MHz的3dB帶寬，能夠處理高頻信號(hào)，適用于多種通信和信號(hào)處理應(yīng)用。

• 線性度：在大于40dB的增益控制范圍內(nèi)，工作頻率為200MHz時(shí)，可提供優(yōu)于±0.5dB的線性誤差，保證信號(hào)質(zhì)量。

• 單片閉環(huán)AGC：片上集成了律方根檢波器，可以實(shí)現(xiàn)單片閉環(huán)自動(dòng)增益控制（AGC），簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

三、設(shè)計(jì)原理

1. 功能框圖

AD8367的功能框圖如圖1所示，主要由可變衰減器、固定增益放大器和律方根檢波器組成。

圖1：AD8367功能框圖

2. 可變衰減器

AD8367的輸入級(jí)是總衰減量為45dB的可變衰減器，包含一個(gè)200Ω單端梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)高斯內(nèi)插器。該電阻網(wǎng)絡(luò)由每級(jí)衰減量為5dB的9級(jí)衰減網(wǎng)絡(luò)組成，可由高斯內(nèi)插器選擇衰減因子。當(dāng)衰減量不是5dB的整數(shù)倍時(shí)，相鄰兩個(gè)衰減節(jié)點(diǎn)均會(huì)導(dǎo)通，通過離散節(jié)點(diǎn)衰減的加權(quán)平均值來獲得與控制電壓相對(duì)應(yīng)的衰減量，從而實(shí)現(xiàn)平滑、單調(diào)的衰減特性。

3. 固定增益放大器

緊跟衰減器的是固定增益放大器，主要用于保證AD8367具有42.5dB的增益和500MHz的帶寬。該放大器實(shí)際上是一個(gè)具有100GHz增益帶寬積的運(yùn)算放大器，因此在高頻工作時(shí)仍具有良好的線性度。

4. 律方根檢波器

AD8367在輸出端集成了一個(gè)律方根檢波器，可檢測(cè)輸出信號(hào)電平并與內(nèi)部設(shè)置的354mVrms電平（對(duì)應(yīng)于1Vp-p的正弦波）相比較。當(dāng)輸出電平超過內(nèi)部設(shè)置電平時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)差值電流。用接在DETO腳和地之間的外部電容CAGC（包括5pF的內(nèi)建電容）對(duì)該電流進(jìn)行積分，可產(chǎn)生與接收信號(hào)強(qiáng)度成比例的RSSI電壓。在AGC應(yīng)用時(shí)，該電壓可以用作AGC控制電壓。

四、電路實(shí)現(xiàn)

1. 增益控制電路設(shè)計(jì)

AD8367的增益控制電壓范圍是從01V。為了實(shí)現(xiàn)精確的增益控制，可以采用數(shù)字電位器，在其使能端加上拉電阻，控制電壓輸出在01V范圍內(nèi)。此外，為了保護(hù)放大器，可以在電壓控制端加三極管控制，構(gòu)成一個(gè)過載保護(hù)電路，使GAIN腳的輸入電壓最大不會(huì)超出1V，增強(qiáng)電路穩(wěn)定性。

2. 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

AD8367的輸入輸出特征阻抗均為200Ω。若要在特征阻抗為50Ω的系統(tǒng)中使用AD8367，必須在輸入輸出端加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。一般的接收機(jī)中頻帶寬都比較窄，采用純感抗和容抗元件最好。這種匹配網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是插入損耗小且駐波小，但只能針對(duì)某一特定頻率做窄帶匹配。

3. 級(jí)聯(lián)電路設(shè)計(jì)

當(dāng)需要的信號(hào)增益波動(dòng)范圍較大時(shí)，如40~80dB，可以采用兩級(jí)放大器級(jí)聯(lián)的方式。中間最好加阻抗平衡網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)會(huì)帶來3dB的衰減。需要注意的是，除了加去耦電容電感、阻抗匹配外，還應(yīng)考慮增益控制電壓的分配和級(jí)聯(lián)放大器的穩(wěn)定性。

五、性能評(píng)估

1. 線性度

AD8367在大于40dB的增益控制范圍內(nèi)，工作頻率為200MHz時(shí)，可提供優(yōu)于±0.5dB的線性誤差；而在400MHz時(shí)可提供優(yōu)于±1dB的線性誤差。這表明AD8367具有良好的線性度，能夠滿足大多數(shù)信號(hào)處理應(yīng)用的需求。

2. 噪聲系數(shù)

AD8367的電路噪聲和失真性能均是增益和控制電壓的函數(shù)，且輸入折合噪聲隨衰減量成比例增加。電路在最大增益時(shí)具有最小為7.5dB的噪聲系數(shù)，增益每降低1dB，噪聲系數(shù)增加1dB。在接收系統(tǒng)中，如果接收到的信號(hào)很弱，則會(huì)有最大增益和最小噪聲系數(shù)；而當(dāng)接收到的信號(hào)電平較高時(shí)，系統(tǒng)將具有較低的增益和較大的噪聲系數(shù)。然而，由于電路噪聲系數(shù)隨增益的變化不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成明顯的影響，因此AD8367仍適用于多種通信和信號(hào)處理應(yīng)用。

3. 失真性能

AD8367的失真性能與噪聲性能相類似。當(dāng)AD8367工作在200Ω源阻抗系統(tǒng)時(shí)，其輸出級(jí)是一個(gè)低輸出阻抗電壓緩沖器，具有50Ω阻尼電阻，可以降低對(duì)負(fù)載電抗和寄生參數(shù)的敏感性。這有助于減少失真并提高信號(hào)質(zhì)量。

4. 自動(dòng)增益控制（AGC）應(yīng)用

利用內(nèi)部集成的精確律方根檢波器，AD8367可以方便地配置成單片AGC放大器。當(dāng)輸出信號(hào)的有效值超過354mV時(shí)，檢波器將以20mV/dB的比例從DETO端輸出與輸入信號(hào)成比例的RSSI電壓。將該RSSI電壓作為AGC控制電壓加到增益控制端GAIN，便可構(gòu)成控制率為20mV/dB的簡(jiǎn)單單片AGC放大器。這種配置簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

六、結(jié)論

基于AD8367的壓控增益放大系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案具有高性能、寬帶寬、線性度好、噪聲系數(shù)低以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制等優(yōu)點(diǎn)。通過合理的電路設(shè)計(jì)和性能評(píng)估，該系統(tǒng)能夠滿足多種通信和信號(hào)處理應(yīng)用的需求。未來，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，基于AD8367的壓控增益放大系統(tǒng)將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。