摘要：雷达接收机中为了实现预期的目的，通常要设计有增益控制电路，文章简述了增益控制电路在雷达中的基本作用。同时结合应用介绍了自动增益控制（AGC）芯片AD8367的基本原理与特性，以及一种基于该芯片的接收机压控放大器（VGA）电路和AGC电路的设计以及测试结果。
关键词：VGA；AGC ；AD8367；阻抗匹配
Abstract: Gain control circuits are always needed in many radar receivers for a certain aim. This thesis describes the function of gain control circuits and introduces a kind of AGC chip---AD8367. The thesis also gives a design of VGA and AGC that based on this chip.
Keyword: VGA; AGC; AD8367; Impedance matching
1. 引言
在现代通信接收机和雷达接收机中超外差结合还在被普遍使用，即将射频信号频谱搬移到一个固定中频上进行解调和处理。由于携带信号的电磁波在空间传输时除了空间自由损耗，还有各种自然因素造成的能量损失，所以信号到达接收天线的强度不是固定的，而是动态变化的。为了保证后续信号处理结果的可靠性，在接收机中频电路中，通常要设计一个增益控制控制电路,使得接收机的中频输出信号功率可以固定在一个恒定的值上。
2. AGC简述
雷达接收机中之所以要设置增益控制电路，主要是基于下列原因：
1. 接收机输入信号的幅度变化非常之大，因此在强信号时必须防止接收机过载
弱信号时接收机又能保持高灵敏度的正常接收状态。
接收机输入信号幅度之所以会发生很大，是因为雷达观测的目标通常是运动目标，而且观测的空域范围很大。当目标从几百km处运动到几km处时，由于目标反射的回波信号功率与距离的四次方成反比，故回波信号的电压幅度将会相差数万倍；加之目标有大、有小，目标的有效反射面积也是大小不同的，这就更增加了回波信号幅度的变化；还有其它一些因
素(例如不同的气象条件等)影响回波信号的幅度，不过在上述诸因素中，距离对雷达回波
倍号幅度的影响最为重要，其次是目标的有效反射面积。
当回波信号的幅度因种种原因变化时，如果接收机的增益是固定的，那末就会产生这样
的问题：接收机在接收微弱信号时所需的高增益，在接收近距离强信号时，不仅显得多余，而且非常有害，这是因为强输入信号会使接收机产生饱和或过载。此时，接收机将不能正常工作。
另一方面，如果接收机的增益较低，接收强信号时不产生过载，那么在接收微弱信号时，就会感到增益不够，以致输出信号太小而不能正常接收。这时接收机的灵敏度将因增益过低而下降，雷达的作用距离就减小。
为了解决上述矛盾，接收机的增益最好是可以调节的。在对接收机实施增益控制的情况下，就可以使接收机在接收强信号时不致过载，而在接收微弱信号时仍有足够的增益，以保持较高的灵敏度，这样，接收机的动态范围就会显著地增大。
2. 接收机的增益可能不稳，需要根据实际情况对增益进行适当的调节，以补偿增益的
变化。
接收机的增益是由接收机中的各种放大器(主要是中频放大器)决定的。放大器的增益与器件的参数、电源电压以及负载等情况有关。接收机的电源电压可能出现不稳定，器件参数和负载也可能随外界条件改变或因老化而发生变化，因此会导致接收机的增益发生变化。考虑到这些因素，在设计接收机的增益时，通常都留有几倍的贮备量。有了增益控制，工作时就可以根据增益实际变化的情况进行调节，以确保接收机具有足够的增益。
对于一般跟踪雷达来说，为了适应自动测距和跟踪的需要，要求接收机的距离支路输出信号的幅度基本保持恒定，角跟踪支路输出误差信号的幅度只与目标偏离天线轴线的角度有关，而与回波信号的强弱无关。如果接收机中无增益控制电路，这个要求是无法实现的。
总而言之，对于任何雷达接收机，增益控制电路的作用是在雷达的作用范围内，当目标因距离等因素发生变化而使输入信号的幅度变化时，或者是当接收机本身的参数变化引起增益不稳时，通过增益控制电路的作用适时地调节接收机的增益，使其输出信号幅度基本上保持不变。
自动增益控制的工作原理比较简单，它是利用负反馈的原理使AGC电路根据接收机视频放大器输出信号的大小，自动地产生一个相应的直流控制电压，用以调节受控中放增益，使接收机输出信号基本保持不变。传统的AGC电路结构如图1所示：
图1 传统AGC电路图
图中耦合器将主中频放大器输出的信号分出一部分送入检波器，经检波后得到直流信号。检波输出的直流信号与中频输出信号电平成正比。该直流电压信号经过直流放大器放大和射极输出器驱动后，控制增益可控放大器，从而实现自动控制增益的目的。
传统的VGA电路由于使用器件较多，所以电路复杂且占用空间很大。同时由于增益可控放大器对于输入的电压较为敏感，所以必须保证检波输出信号不受外界干扰。目前随着集成电路的发展，单片实现VGA和AGC早已成为可能，而且具有占用空间小、功耗低、易控制等特点。本文将介绍一个可以在500MHz以下任意频率稳定工作的VGA芯片，及其实际应用电路。
3. 芯片介绍
ＡＤ８３６７是ＡＤ公司的一款兼有VGA和AGC功能的高性能可变增益单端ＩＦ放大器，增益最高可以达到45dB。该芯片可以设置为传统的VGA，其单位变化量为50dB/V；也可以利用片上集成的平方律检波器，实现单片闭环ＡＧＣ功能。ＡＤ８３６７的主要特点：
●单端输入、单端输出；
●输入输出阻抗为２００Ω；
●３ｄＢ带宽为５００ＭＨｚ；
●输入端为零电平时，输出端电平为电源电压的一半，且可调；
●具有增益控制特性选择和功耗关断控制功能；
●片上集成了平方律检波器，可以实现单片ＡＧＣ应用；
●增益控制特性以ｄＢ成线性；
●可以通过外部电容将工作频率扩展到任意低频。ＡＤ８３６７的工作原理
ＡＤ８３６７的功能框图如图2所示：
图2 AD8367功能框图
该芯片主要由可变衰减器、固定增益放大器和平方律检波器组成。输入端的可变衰减器的衰减量为４５ｄＢ，其中包含一个２００Ω单端梯形电阻网络和一个高斯内插器，其功能框图如图3所示：
图3可变衰减器功能框图
电阻网络由９级每级衰减量为５ｄＢ的衰减网络组成，每级梯形网络对输入信号加以固定分贝数（5dB的整数倍）的衰减，由高斯内插器选择衰减因子。增益控制电压决定内插器选择那个衰减网络，例如当选择第一级时，0dB衰减节电有效；当选择最后一级有效时，-45dB衰减节电有效。当衰减量不是５ｄＢ的整数倍时，在控制电压的作用下，相邻两个衰减节电同时导通，通过离散节点衰减的加权平均值来获得与控制电压相对应的衰减量。通过这种方式可以获得平滑、单调的衰减特性，并且以dB为单位线形变化。
AD8367有两种工作模式可供选择，即GAIN UP和GAIN DOWN两种模式。模式选择是通过第4引脚（MODE）的外加逻辑电平来控制的。当接高电平时，就是一个普通的VGA,其增益随着控制电压的增加而递增。增益的计算公式为：
式（1）
式中 的单位为V，其变化单位为50dB/V(20mV/dB)。同时因为 最小值为0V，所以增益的最小值为-5dB。当增益范围从-2.5dB变化到42.5dB时，控制电压相应的要从50mV变化到950mV。当第4引脚（MODE）接地时，增益随着电压递减，其增益计算公式为：
式（1）
该工作模式在AGC应用中是需要的。当AD8367的增益大于４０ｄＢ的控制范围，在工作频率为２００ＭＨｚ时，可提供优于±0.5ｄＢ的线性误差，而在４００ＭＨｚ时可提供优于±１ｄＢ的线性误差。
紧跟衰减器的是固定增益放大器，该放大器主要用于保证ＡＤ８３６７具有４２．５ｄＢ的增益和５００ＭＨｚ的带宽，它实际上是一个具有１００ ＧＨｚ增益带宽积的运算放大器，因此,当其工作在高频时，仍具有良好的线性度。
4. 应用电路设计
由于AD8367是一个高度集成的芯片，所以使用起来相对很简单，电路的各项性能指标都有集成电路本身来决定。同时该芯片兼有VGA和AGC功能，所以既可以工作于手动增益控制应用中，也可以工作于自动增益控制应用中。下面给出两种应用设计以及测试结果。
◆VGA电路
ＡＤ８３６７的ＶＧＡ功能适合于多种需要大范围压控增益的场合。虽然其具有５００ ＭＨｚ的工作带宽，但是它的应用不局限于高频信号处理，还可以应用于语音波段系统。图4给出基于ＡＤ８３６７在ＶＧＡ设计电路，该电路采用+5V供电，在本设计中使用GAIN UP工作模式，即第4脚（MODE）接高电平。电路增益与控制电压ＶＧＡＩＮ成正比，其增益计算公式见上文式（1）。
图4 基于AD8367的VGA电路图
图中HPFL(13引脚)引脚接一个电容到地，该电容可以用来设置信号通道的高通截止频率，同时与内部漂移控制环相结合，可以去除由于增益变化带来的信号路径ｄｃ平衡变化。在不使用该电容时，可由内部电容提供一个５００ｋＨｚ的缺省高通截止频率。ＣＨＰ与高通截止频率的关系式为：
式（3）
式（3）中， 的单位为ｋＨｚ， 的单位为ｎＦ。这样，只要增大 的值就可以将ＡＤ８３６７的应用范围扩展。
该电路的测试结果如图
图5 测试频谱图
图5给出利用Agilent公司的E4440A频谱仪测试电路的结果，测试中输入信号为20MHz～500MHz的扫描信号。图中第一条谱线为增益控制电压为100mV的曲线，第二条谱线为增益控制电压为300mV时的曲线；第三条谱线为增益控制电压为500mV时的曲线。从三条曲线上同一点读出功率值，可以看到增益变化与电压变化为线形，满足20mV/dB。同时经过测试，该电路满足设计要求。
◆ AGC电路
基于该芯片的AGC电路设计原理图如图6所示：
图6 基于AD8367的AGC电路图
在VGA电路中，芯片工作于GAIN DOWN模式下，即第4引脚（MODE）接低电平。芯片内部在输出端集成了一个平方律检波器，可检测输出信号电平并与内部设置的３５４ｍＶｒｍｓ参考电平（对应于１Ｖｐ－ｐ的正弦波）相比较。当输出电平与内部设置电平有差值时,结合外部跨接在第6引脚（ＤＥＴＯ）和地之间的电容 （包括５ｐＦ的内建电容）将产生一个差值电流，从而为AGC应用提供控制电压。直到输出电平与内部参考电平相等时，整个放大器环路达到稳定，其增益计算公式见上文的式（2）。
外置电容 的作用是用来调节VGA工作环路的响应时间的，其计算公式为：
（3）
上式中 是片上自带的等价电阻，其值为10 。
由于第5引脚（ ）的输入电压是随着输入信号的改变而改变的，同时平方律检波器使该电压真实反应信号功率，所以该引脚的信号可以直接用来作为RSSI（接收信号强度指示）输出。从而为直观表示信号强度提供条件。
◆阻抗匹配
ＡＤ８３６７的输入输出阻抗为２００Ω，因此适合工作在２００Ω阻抗系统。但是工程应用中接收系统通常设计为50Ω系统。阻抗不匹配可能引起很大的驻波和反射损耗，从而导致系统性能的明显下降。在具有高增益放大器的射频电路中，大驻波甚至可能引起放大器自激，因此该VGA电路要应用于50Ω系统必须在输入输出端口加以阻抗匹配网络。并可通过电阻或电抗无源网络来实现与其它通用阻抗系统(射频系统的５０Ω到数据转换器的１ｋΩ)的转换。一般情况下，转换网络的设计选择取决于特殊的系统要求，如带宽、回损、噪声系数和绝对增益范围等。
在上述电路中均采用L型宽带匹配网络，其原理图如图7所示：
图7 宽带阻抗匹配网络
该网络的单端损耗为11.5dB，总损耗为23dB。所以在实际使用中要在应用电路后端加一个放大器，以弥补该损耗。
ＡＤ８３６７的电路噪声和失真性能均是增益和控制电压的函数，且输入折合噪声随衰减量成比例增加。在接收系统中，如果接收到的信号很弱，则会有最大增益和最小噪声系数；而当接收到的信号电平较高时，系统将具有较低的增益和较大的噪声系数。这些问题要在实际使用中要予以重视。
结束语
虽然该芯片有一些自身的不足，但是还是可以满足实际使用的需要的。为接收机的VGA和AGC电路的设计提供了一个十分可行的解决方案。
参考文献：
1.《雷达接收设备》编写组，冒达接收设备，上、下册．国防工业出版仕，1978．
2. AD8367 Data Sheet, ADI, 2001, 11;
3.《用AD8367简化接收机AGC电路设计》,范德睿,电子产品世界,2003.5
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