卿晨

（中国西南电子技术研究所 四川 成都610036）

基于AD8367的超大动态范围AGC系统设计与测试

卿晨

（中国西南电子技术研究所 四川 成都610036）

为了满足超大动态范围接收机的需求，提出了一种基于AD8367的超大动态范围自动增益控制AGC（Auto Gain Control）系统设计方案。通过分析AGC系统中各级的噪声功率，并结合AD8367起控电平的实测数据，选取合适增益的放大器和合适带宽的滤波器，级联实现了超大动态范围AGC系统。完成了系统的硬件设计和测试，验证了此AGC系统良好的超大动态范围特性。

AGC；超大动态范围；噪声功率；AD8367

随着雷达、通信、电子对抗和电子测量等领域技术飞速的发展，系统对接收机的带宽、动态范围、灵敏度等指标的要求越来越高。一般而言，接收机会针对多个发射源的信号进行接收和处理，而多个发射源的位置具有不确定性，即使是单个发射源，它的位置也可能是在变化的，因此接收机接收到的信号电平也是变化的。再者，由于电波在空间传播过程中的衰落现象和多径效应，以及空间中复杂的电磁环境和其他干扰因素，因此接收机接收到的信号电平会在很大的范围内波动。而终端设备能处理的信号电平范围有限，太强的信号会烧毁终端设备，太弱的信号又无法被A/D采样到[1]。因此，AGC系统被广泛应用到大动态范围的接收机中[2-6]。纵观近年来国内外研究情况，基于各种方式和芯片构建的AGC系统已达到80 dB动态范围[8-14]；此外，AD8367芯片已被成熟应用，其内部电路得到充分分析，特性也从数学角度得到了描述[7]。本文提出的基于AD8367的AGC系统实现的动态范围超过了100 dB，实测结果充分验证了所采取的设计方案。

1 AD8367芯片简介

AD8367芯片是ADI公司的45 dB可变增益放大器，+5 V供电，工作频率范围从低频到500 MHz，单端输入输出，输入输出特性阻抗为200 Ω，输出起控电平为-2.03 dBm（354 mVrms），最大42.5 dB增益，最小2.5 dB衰减，增益变化以dB为单位线性变化，由于内部存在平方律检波器和高斯内插，因此得到的衰减特性是平滑而单调的。AD8367典型应用电路图如图1所示，由于输入输出特性阻抗为200 Ω，因此在输入输出端设置了宽带匹配网络[15]。

图1 AD8367典型应用电路

2 系统设计原理

在进行大动态AGC系统设计时，首先要明确AD8367的输入起控电平范围，即自动增益控制动态范围。由于AD8367的输出起控电平为-2 dBm，具备最大42.5 dB的增益和最小2.5 dB的衰减，因此，它的输入起控电平范围为-44.5～-0.5 dBm，即输入信号电平在-44.5～0.5 dBm范围内变化时，AD8367稳定输出-2 dBm的信号。接下来，需要计算AGC系统中AD8367的输入噪声功率Ni，Ni必须小于其最小输入起控电平-44.5 dBm。否则，输入起控电平范围会变成Ni～-0.5 dBm，动态范围会因此变小。而AGC系统往往会用到多级AD8367，噪声功率需要逐级计算，以保证每级AD8367的动态范围不变，从而保证整个AGC系统的动态范围。AGC系统中的每一级AD83687的输入噪声功率Ni可由式（1）计算得到[16]：

其中，G、NF、B分别为AD8367之前信道的增益、噪声系数和带宽。为了控制Ni的值，在满足信道指标的情况下，尽量选用带宽较小的放大器和滤波器。系统的级联噪声系数NF0可由式（2）得到：

单级AD8367可实现45 dB动态范围的AGC系统，二级AD8367可实现90 dB的动态范围，三级AD8367理论上可实现135 dB的动态范围。由于实际使用中，AD8367输入输出端都设置了匹配网络[17]，以使输入输出阻抗由200 Ω转化到50 Ω，而匹配网络有11.5 dB的插损，因此AGC系统中AD8367的输入起控电平范围变为-33～12 dBm，线性增益变为19.5 dB，输出电平稳定在-13.5 dBm。而当AD8367级联使用时，为达到最大的动态范围，需要将前级AD8367的输出电平-13.5 dBm放大到后级AGC的输入最大起控电平12 dBm，这需要在级间级联放大器。而此放大器和前一级AD8367会使噪声功率提高，因此还需在放大器后级联一个滤波器抑制噪声功率，以保证每一级AD8367的输入噪声功率小于-33 dBm，滤波器的带宽B的选取会在后面的设计实例中详细介绍。

3 系统设计实例

3.1 单级AGC系统

单级AGC系统可实现45 dB（-33～12 dBm）动态范围的自动增益控制，得到稳定输出为-13.5 dBm±0.5 dBm （线损和仪器会引入误差）。按照图1的典型应用电路构建了单级AGC系统，动态范围测试结果如表1。多级AGC系统由多个单级AGC系统级联实现，根据公式（1），为实现多级 AGC系统还需测试单级AGC系统的噪声系数，测试结果如表2。尽管噪声系数达到了20 dB左右，但在实际宽带接收机应用中，AGC系统一般都设置在中频模块中，只要保证接收机前端模块有优良噪声系数和较高的增益，此系统的噪声系数是可以接受[16]。

表1 单级AGC系统动态范围测试结果

表2 单级AGC系统噪声系数测试结果

3.2 二级AGC系统

二级AGC可实现90 dB（-78～12 dBm）动态范围的自动增益控制，得到稳定输出为-13.5 dBm±0.5 dBm。二级AGC系统原理框图如图2所示。为了实现90 dB的动态范围，后级AGC最大输入起控电平应达到12 dBm，因此两级AGC之间放大器和滤波器级联后的增益应达到25.5 dB。此外，后级的输入噪声功率Ni必须小于最小起控电平-33 dBm。前级AGC系统、放大器和滤波器级联后的增益G=45 dB，噪声系数NF=20 dB，Ni＜-33 dBm，代入式（1）得到B＜39.8 MHz。二级AGC系统动态范围与系统带宽之间的关系为：动态范围=90-10 lg（B（MHz）/39.8（MHz））（dB）。

应用实例如图2。实例中放大器选用了Stanford公司的SGC-6586，工作频率为DC～2500 MHz，增益在100 MHz附近的实测值为25.5 dB，噪声系数NF为2.6 dB；滤波器选用了博伦公司的LC滤波器B70A-20-6S1，中心频率70 MHz，带宽B=20 MHz，插损1 dB。后级AGC系统之前的增益G=44 dB，由式（2）可得到系统噪声系数NF=20 dB，将B、G、NF代入式（1），可得到Ni=-40 dBm＜-33 dBm，噪声功率不起控。然而。由于放大器和滤波器级联后的增益24.5 dB与理想增益相差1 dB，因此动态范围能达到89 dB。测试结果如表2。

图2 二级AGC系统应用实例

表3 二级AGC系统动态范围测试结果

3.3 三级AGC系统

三级AGC系统理论上可实现135 dB（-123 dBm～ 12 dBm）动态范围的自动增益控制，得到稳定输出为-13.5 dBm±0.5 dBm。三级AGC系统原理框图如图3。为了实现135 dB的动态范围，三级AGC系统的设计原理与二级AGC系统一致。理想的90 dB动态范围的二级AGC系统的G=64.5 dB，NF=20 dB，因此单级AGC系统之前的增益G=63.5 dB+25.5 dB=90 dB，Ni＜-33 dBm，代入式（1）得到滤波器 B＜1.259 KHz。由于滤波器很难做到如此窄的带宽，因此135 dB的动态范围很难达到。而对于实际工程应用而言，动态范围120 dB已经非常理想了，单级和二级AGC系统之间的增益减小为10.5 dB即可，这样滤波器带宽B＜39.81 kHz，中频的晶体滤波器是容易达到此指标的。三级AGC系统动态范围与系统带宽之间的关系为：动态范围=135-10 lg（B（kHz）/1.259（kHz））（dB）。

应用实例如图3所示。实例中二级AGC系统沿用上一小节的设计，放大器选用SGC-6386；工作频率为DC～3000 MHz，增益在100 MHz附近的实测值为15.5 dB，噪声系数NF为3.8 dB；窄带滤波器选用天奥电子公司的晶体滤波器STXFA03-E70M18-60[18]，中心频率70 MHz，带宽B=18 kHz，插损5 dB。后级AGC系统之前的增益G=74 dB，噪声系数NF=20 dB，将B、G、NF代入式 （1），可得到Ni=-37.4 dBm＜-33 dBm，噪声功率不起控。由于上小节设计的二级AGC系统实例动态范围为89 dB，因此三级AGC系统实例动态范围能达到119 dB。测试结果如表4所示。

图3 三级AGC系统应用实例

表4 三级AGC系统动态范围测试结果

4 结 论

文中以AD8367芯片为基础，从单级AGC系统的设计延伸到多级AGC系统的设计，分析了多级AGC系统的工作原理，提出了超大动态范围（超过100 dB）的实现方案。选型合适的元器件，构建出了119 dB动态范围的三级AGC系统并进行了测试，实测结果表明此设计方案是准确可行的，对超大动态范围接收机的设计有支撑和借鉴意义。

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Design and test of ultra large dynamic range AGC system based on AD8367

QING Chen
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

In order to satisfy the requirement of the ultra large dynamic range receiver，a design of the ultra large dynamic range AGC system based on AD8367 is proposed.By the way of analyzing the noise power of every series in the AGC system，combining the test data of AD8367's internally-determined setpoint，selecting amplifiers of the proper gain and filters of the proper bandwidth，the ultra large dynamic range AGC system was established.The test data of the system shows its excellent ultra large dynamic range property.

AGC；ultra large dynamic range；noise power；AD8367

TN721

：A

：1674-6236（2017）08-0097-03

2016-03-31稿件编号：201603420

卿晨（1987—），男，四川什邡人，硕士，工程师。研究方向：射频接收机设计、射频信道综合化设计、微波电路与系统。