郑隆浩，彭艳云

（1.华东师范大学 信息科学技术学院, 上海 200241；2.长沙理工大学 湖南 长沙 410114）

大多数动态范围数据采集系统都需要调整输入信号的电平，以适应模数转换器（Analog-to-Digital-Converter,ADC）的要求。比如通信数字接收机中，输入信号从μV到m V级别范围变化[1]。

ADC的典型输入电压范围是1～5 V。为了适应数字接收机ADC采集电平要求和精度，自动增益控制（Automatic Gain Control,AGC）电路作为主要的辅助电路广泛的应用在接收机中，传统数字AGC电路使用ADC采集信号，对信号进行处理，根据得到的信号幅值信息调整增益，其对ADC采样率要求较高，为从离散的信号中得到准确幅值信息还需对信号进行一定算法的处理[2]。

文中提出一种采用高速比较器、数模转换芯片(DAC)与高速数字处理单元（FPGA/CPLD）对信号就行峰值检测，通过数字处理单元对可变增益放大器进行控制，达到对信号的自动增益控制，该电路降低了对ADC芯片采样率与后端信号处理算法的要求。

1 AGC电路原理与方案

自动增益控制，即在信号变化范围较大情况下，电路自动调整放大增益，使输出信号幅度保持不变或在较小波动范围内[3]。文中所采用的数字AGC电路方案如图1所示。

为实现自动增益控制，电路需要一个电压（有效值或峰值）或功率检测器、程控放大器，前者得到幅值信息，后者实现增益控制。由于所采用的高速比较器是单电源供电的TLV3501，而输出信号Sout有正有负，需将Sout抬高到TLV3501工作范围内。文中的峰值检测原理与逐次比较ADC采集原理类似。DAC产生一个从高到低的扫描信号，如果Sout的峰值比某个时段的扫描电压高，比较器便会产生一个脉冲信号，控制单元收到比较器输出的脉冲信号便可知信号的峰值，反之不会产生脉冲。理论上峰值在上次的扫描电压和该次扫描电压之间。

图1 数字AGC电路方案图Fig.1 Schematic diagram of the digital AGC circuit

图2 峰值检测过程示意图Fig.2 Principle diagram of peak detection

控制单元得到峰值信息后通过DAC控制可变增益放大器的增益到合适值，从而实现自动增益控制。上述过程中，需保证扫描电压的保持时间大于信号的周期时间，例如为确定一个频率大于40 MHz的信号峰值是否比4.000 V大，扫描电压4.000 V至少需保持25 ns，这样才能保证信号一周期内所有电压值都参与这次扫描电压的比较。峰值检测过程如图2所示。

2 AGC电路设计

AGC电路模拟部分主要分程控增益放大器与峰值检测电路两个部分。由于该AGC电路工作在中频段，电路设计时需选取高带宽、低噪声器件。前级的可变增益放大器使用宽带、大于40 dB调节范围、增益随控制电压dB线性变化的VCA821[4]。其后的固定增益放大器采用超宽带电流反馈运算放大器OPA695，高速比较器采用4.5 ns 轨至轨高速比较器TLV3501,控制与扫描使用的DAC芯片是TLV5638（1 μs，12位，采用内部2.048 V参考电压，但是最大输出为两倍参考电压[5]），这四款芯片均系德州仪器生产。控制单元采用FPGA及其内嵌的NIOS II软核。设计目标，将信号峰值值稳定在2.048±0.200 V，可控增益范围30 dB。

2.1 程控增益放大器电路

所谓程控增益放大器（Programmable Gain Amplifier,PGA），是指一类可以通过直流电压或者数字输入端来调整增益的放大器，文中采用DAC（TLV5638）产生直流电压来控制增益，控制的直流电压不同，PGA增益不同。设计中的VCA821是一款宽频带压控增益放大器，该器件增益可调整范围大于40 dB，增益由控制电压和外围电阻阻值共同决定。VCA821的-3 dB带宽为 710 MHz，压摆率为 2 500 V/μs，完全满足设计的带宽和压摆率要求。程控增益放大器电路原理如图3所示。电路输入使用SMA接头，50 Ω电阻R2进行阻抗匹配，由于VCA821存在毫伏级的失调电压，在反相输入端加入校正电路。其中反馈电阻Rf会影响带宽和通带起伏，电阻取太大会影响带宽（一般不取大于1 kΩ的电阻），太小会增加功耗并影响放大器稳定性。本设计Rf取 600 Ω，Rg取 120 Ω，Rf/Rg=5，VCA821的最大增益为2*Rf/Rg，即最大增益为10倍（20 dB）。在外边电阻确定情况下，增益随控制电压dB线性增加。如需增大带宽，可在Rf/Rg比值不变情况下，Rf取400 Ω，Rg取80 Ω，根据芯片手册描述，该取值下放大器的-3 dB带宽可达710 MHz。

为了提高电路输出幅度，在程控放大器后增加一级采用高速电流反馈型运放OPA695的固定增益放大电路。OPA695是一款超宽带电流反馈运算放大器，增益为2V/V时带宽1600 MHz，增益为8 V/V时带宽450 MHz，压摆率高达2 900 V/μs，最大输出电流120 mA，具有低噪声、低失调电路、低温漂、高三阶截取的特点[6]。运放采用同相放大形式，反馈电阻Rf参考芯片手册取800 Ω，放大倍数取5倍。输出电阻50 Ω，以便下级阻抗匹配。

2.2 峰值检测电路

文中的自动增益控制的所需幅值信息由峰值检测电路提供，峰值检测电路由高速运放与数字控制单元组成。峰值检测电路模拟部分原理图如图4所示。

其中高速比较器的同相端输入的是数字控制单元控制DAC(TLV5638)产生的扫频电压，信号Sout抬高2 V后(由于TLV3501是单电源供电)接至高速比较器反相端。

如果信号的峰值大于扫描电压，比较器便会产生一个下降沿，否则保持高电平，控制单元接收到下降沿后便知扫描电压小于被测信号峰值。为了保证输出脉冲的质量及低电平时间宽度，比较器采用迟滞形式，迟滞电压设置为50 mV。另外实测电路在信号频率大于70 MHz以上时，输出脉冲信号质量较差，这是受比较器速度限制，TLV3501的传输延时最低为4.5 ns[7]。如需工作在更高频段可选用如传输延时低至150 ps的ADCMP573等。

2.3 峰值检测与自动增益控制算法

电路的峰值检测原理如图2所示，但图2中示意的逼近办法是线性逼近，效率较低，文中采用二分搜索法逼近，提高效率。文中的自动增益控制程序如图5所示，初始化时，将增益设置为0 dB，扫描电压为最高的4.095 V（相应控制字为0x7ff），然后检测峰值是否大于3.1 V（2 V抬高电压+1 V峰值+0.1 V容差）。

3 测试及结果分析

测试采用示波器结合信号源的静态扫描方式。示波器使用泰克TDS2022B，其带宽为200 MHz，实时取样速率为2 GS/s ；信号源采用普源F120，其输出阻抗50 Ω，最高可以产生120 MHz信号。示波器、信号源与电路板连接均采用BNC转SMA线。测试数据如表1所示。其中Vin为电路板输入信号峰峰值，f为输入信号频率。

图3 数字AGC电路方案图Fig.3 Schematic diagram of the digital AGC circuit

图4 峰值检测过程示意图Fig.4 Principle diagram of peak detection

图5 自动增益控制程序流程图Fig.5 Flow chart of AGC

由表1可知，输入0.05V时，输出未稳定在2.0 V左右，这是因为信号源与前级放大器阻抗匹配而损失一半增益，而电路最大增益是5*10 V/V，算上匹配损失的一半增益，最大增益为25V/V。从其他数据可知，电路达到了将峰峰值稳定在2±0.2 V的设计指标。电路高频段略有衰减，其原因一可能为示波器本身衰减，二可能电路的衰减，另外受噪声影响，高频时，示波器读数显示不稳定，难以读值，限于测试条件，未能找到真正原因。本电路只是采用单级40 dB可控范围的可变增益放大器，在实际应用中可采用2级或3级可变增益放大器级联实现大动态范围AGC，以满足数字接收机输入μV级到mV级变化要求。

表1 AGC电路测试输出V out(V pp)表Tab. 1 Test result of the AGC circuit’s output(V pp)

4 结束语

文中研究并设计一种采用高速比较器与高速数字器件进行峰值检测并自动增益控制的电路。经实测，电路可以在1 ～60 MHz对信号进行自动增益控制，可以将峰峰值稳定在2±0.2 V范围，该方法可以降低数字AGC电路对AD芯片采样率和后级信号处理算法要求。另外为提高更大增益范围的控制和更宽工作频段，可以采用多级可变增益放大器级联、使用更高速的比较器，为提高逼近效率，使用更高速DAC芯片、采用多个比较器同时和不同扫描电压进行比较，提高响应时间。

[1]蔡凌云，方振和，李铭祥,等.自动增益控制技术应用[J].电子工程师，2002(4)：22-23,37.CAI Ling-yun,FANG Zhen-he,LI Ming-xiang.Application of AGC technique[J].Electronic Engineer,2002(4)：22-23,37.

[2]李悦丽，薛国义 .雷达数字AGC技术的工程实现[J].电子工程师，2004(12)：15-17.LI Yue-li.XUE Guo-yi.The engineering realization of radar digital AGC technology[J].Electronic Engineer,2009,30(12):15-17.

[3]贺欣.宽带大动态AGC电路设计[J]. 电子设计工程,2012(8) ：167-170.HE Xin.Optimal design of broadband and large dynamic AGC circuit[J].Electronic Design Engineering,2012(8):167-170.

[4]TexasInstruments. VCA821 Data sheet [EB/OL].(2008).http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ vca821.pdf .

[5]TexasInstruments.TLV5638 Data sheet [EB/OL].(2004).http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tlv5638.pdf .

[6]TexasInstruments.OPA695 Data sheet [EB/OL].(2009).http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/opa695.pdf.

[7]TexasInstruments.TLV3501 Data sheet [EB/OL].(2005).http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ tlv3501.pdf .