基于AD8367壓控增益放大系統設計方案

一、引言

在現代電子系統中，壓控增益放大器（VGA）扮演著至關重要的角色。它們能夠根據輸入信號的大小動態調整增益，從而優化系統的性能和穩定性。AD8367是Analog Devices（AD公司）推出的一款高性能可變增益放大器，特別適用于中頻（IF）信號處理。本文將詳細介紹基于AD8367的壓控增益放大系統設計方案，包括主控芯片型號、設計原理、電路實現以及性能評估。

二、主控芯片型號及作用

1. 主控芯片型號

• 型號：AD8367

• 描述：AD8367是一款高性能45dB可變增益具有線性dB增益控制的放大器，設計用于在最高500MHz的中頻頻率下工作。

2. 在設計中的作用

AD8367在壓控增益放大系統中主要承擔以下作用：

• 可變增益控制：通過外部控制電壓，AD8367能夠平滑、單調地調整增益，從而實現精確的增益控制。

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

• 線性度：在大于40dB的增益控制范圍內，工作頻率為200MHz時，可提供優于±0.5dB的線性誤差，保證信號質量。

• 單片閉環AGC：片上集成了律方根檢波器，可以實現單片閉環自動增益控制（AGC），簡化系統設計。

三、設計原理

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的輸入級是總衰減量為45dB的可變衰減器，包含一個200Ω單端梯形電阻網絡和一個高斯內插器。該電阻網絡由每級衰減量為5dB的9級衰減網絡組成，可由高斯內插器選擇衰減因子。當衰減量不是5dB的整數倍時，相鄰兩個衰減節點均會導通，通過離散節點衰減的加權平均值來獲得與控制電壓相對應的衰減量，從而實現平滑、單調的衰減特性。

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。該放大器實際上是一個具有100GHz增益帶寬積的運算放大器，因此在高頻工作時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律方根檢波器，可檢測輸出信號電平并與內部設置的354mVrms電平（對應于1Vp-p的正弦波）相比較。當輸出電平超過內部設置電平時，將產生一個差值電流。用接在DETO腳和地之間的外部電容CAGC（包括5pF的內建電容）對該電流進行積分，可產生與接收信號強度成比例的RSSI電壓。在AGC應用時，該電壓可以用作AGC控制電壓。

四、電路實現

1. 增益控制電路設計

AD8367的增益控制電壓范圍是從01V。為了實現精確的增益控制，可以采用數字電位器，在其使能端加上拉電阻，控制電壓輸出在01V范圍內。此外，為了保護放大器，可以在電壓控制端加三極管控制，構成一個過載保護電路，使GAIN腳的輸入電壓最大不會超出1V，增強電路穩定性。

2. 阻抗匹配網絡

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

3. 級聯電路設計

當需要的信號增益波動范圍較大時，如40~80dB，可以采用兩級放大器級聯的方式。中間最好加阻抗平衡網絡，該網絡會帶來3dB的衰減。需要注意的是，除了加去耦電容電感、阻抗匹配外，還應考慮增益控制電壓的分配和級聯放大器的穩定性。

五、性能評估

1. 線性度

AD8367在大于40dB的增益控制范圍內，工作頻率為200MHz時，可提供優于±0.5dB的線性誤差；而在400MHz時可提供優于±1dB的線性誤差。這表明AD8367具有良好的線性度，能夠滿足大多數信號處理應用的需求。

2. 噪聲系數

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

3. 失真性能

AD8367的失真性能與噪聲性能相類似。當AD8367工作在200Ω源阻抗系統時，其輸出級是一個低輸出阻抗電壓緩沖器，具有50Ω阻尼電阻，可以降低對負載電抗和寄生參數的敏感性。這有助于減少失真并提高信號質量。

4. 自動增益控制（AGC）應用

利用內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。當輸出信號的有效值超過354mV時，檢波器將以20mV/dB的比例從DETO端輸出與輸入信號成比例的RSSI電壓。將該RSSI電壓作為AGC控制電壓加到增益控制端GAIN，便可構成控制率為20mV/dB的簡單單片AGC放大器。這種配置簡化了系統設計，提高了系統的穩定性和性能。

六、結論

基于AD8367的壓控增益放大系統設計方案具有高性能、寬帶寬、線性度好、噪聲系數低以及易于實現自動增益控制等優點。通過合理的電路設計和性能評估，該系統能夠滿足多種通信和信號處理應用的需求。未來，隨著通信技術的不斷發展，基于AD8367的壓控增益放大系統將在更多領域得到廣泛應用。