分析接收射频前端中频放大器增益控制电路设计与应用

　　摘  要： 一种优化增益控制电路设计方案，在满足灵敏度要求的前提下，线性性能达到了系统设计要求，并且将该设计方案成功应用于ISM频段定位系统的接收射频前端。

　　ISM（Industrial Scientific Medical） Band,是由 ITU-R （ITU Radiocommunication Sector,国际通信联盟无线电通信局）定义的。此频段主要是开放给工业，科学、医学，三个主要机构使用，属于Free License,无需授权许可，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不要对其它频段造成干扰即可。增益控制电路的设计，直接影响到整个接收射频前端的灵敏度和线性性能。在放大器级联电路中，不同的增益分配对系统的噪声系数和线性性能有重要影响；同时，噪声系数和放大器的线性性能在一定程度上又是相互制约的。增益控制电路的设计可以规划不同放大器的增益，求解出的系统指标。图1为放大器级联模型。

　　增益控制电路可以动态分配放大器的增益。由于增益控制电压由第二级放大电路决定，在增益控制电压相等时，上述三种情况下的G2相等，这样增益放大器主要控制前级放大器增益。前级放大器增益越大系统的噪声系数越小，但放大器三级交调输入功率也随之减小，影响到前级放大器线性性能，如果前级放大器产生的谐波再经过后级的放大，将会造成严重谐波失真。因此，在增益控制电路的设计中，既要通过系统增益的提高降低系统噪声系数，又要把谐波失真控制在允许的范围。

　　1 系统主要指标和芯片介绍

　　1.1 接收射频前端主要设计指标

　　中频电路之所以在早期的无线电设备中得到广泛应用，是因为在早期的技术条件下，中频放大器和滤波器性能稳定，可获得较大的增益且易于实现。随着直接变频技术的发展，零中频接收机被越来越多的新手机采用。如图2-5所示，这里不需要中频电路。混频器直接输出基带信号，简化了射频电路。

　　输入频率和输出频率：2 450 MHz和140 MHz;接收射频前端带宽10 MHz;接收机灵敏度：-91 dBm;输出功率：-10 dBm~1 dBm.其中，中频放大器输入端频率140 MHz,输入信号功率范围-85 dBm~-5 dBm.由于输入功率范围较大，要求中频放大器有很高的线性增益动态范围，以实现系统较好的灵敏度；同时，中频放大器还要有稳幅电路，以保证在输入信号波动中产生的输出信号稳定在要求范围之内，使得输入后端的检测信号不失真、不溢出。

　　工滤波器（Duplexer/filter）和隔离器（isolator）是为了分离发送通路和接收通路，并减少发送和接收通路之间的干扰。低噪声放大器（LNA）是将微弱的接收射频信号放大的小信号放大器，常用低噪声元器件来实现。而在接收端，混频器实现下变频，起到将射频信号搬移到中频频谱的作用。混频器中的两个输入信号一个是射频信号，另一个则是由本地产生的中频振荡器，也叫本震（LO）产生。混频器的输出是这两个信号的频率差和频率和。然后由带通（BP）声表面滤波器（SAW Filter）过滤出其中的一个中频信号。由于中频频率固定，且频率较低，信号放大的增益主要来自于中频放大器。

　　1.2 AD8367主要性能介绍

　　增益控制方式：AGC或VGA;线性增益范围：-2.5 dB~+42.5 dB;3 dB截止频率：500 MHz;140 MHz增益状态下噪声系数：7.3 dB.AD8367具有45 dB的增益动态范围，在低频到几百MHz的范围内都具有很好的线性控制；输入阻抗200 Ω，输出阻抗50 Ω，应用在50 Ω的系统中时输入端需要使用阻抗匹配电路。AD8367内含一个律方根检波器可以敏感检测增益控制端的电平，并且与内置参考点进行比较，比较产生的电流通过一个外部电容积分，得到相应的控制电压；增益控制端的电平可以由外部检波电路产生，也可以直接来自输出端的电平，分别是VGA和AGC两种工作状态。由于单片放大器增益难以达到要求，所以在本设计中，需要两片进行级联使用。

　　2 AD8367增益控制电路设计

　　2.1 VGA和AGC电路特征描述

　　AD8367的线性增益可以工作在高模和低模两种方式。工作在高模方式时，放大电路增益以20 mV/dB的斜率变化，其增益Gain（dB）和增益控制电压VGAIN（V）V_GAIN(V)之间的关系如式（1）:

　　VGAIN的范围为50 mV~950 mV.在输入小信号时由于增益较大，放大器会产生一定的增益压缩，但是放大器基本保持线性增益输出。工作于VGA状态下时，放大器可以采用低模和高模两种工作方式，但是工作在AGC状态下时，放大器必须采用低模的工作方式。低模方式下的电路增益以-20 mV/dB的斜率进行变化，其增益Gain（和增益控制电压VGAIN（V）之间的关系如式（2）：

　　VGAIN的范围为0 mV~950 mV.同样在VGAIN（V）接近0 V,即放大器达到增益状态时，放大器也会产生一定的增益压缩，此时有增益42.5 dB.放大器不论工作在哪种模式，在对接收机射频前端进行系统设计时，可以很方便规划放大器的增益，而且也有利于使用外部电压进行增益控制电路设计。

　　在接收机的应用中，噪声系数应该出现在放大器增益，即接收信号微弱的情况下，而当输入为大信号状态时增益较小，这时噪声系数虽然较大但是对大信号的影响有限，仍然可以保证输出具有较高的信噪比。AD8367无论工作在VGA方式还是工作在AGC方式，增益增加，相应的噪声系数降低，增益降低，噪声系数反而增加；但是增益增加过程中三级交调失真的输入功率随之降低，容易在大信号输入状态下产生各级谐波，进而对放大器的线性性能产生影响。考AD8367工作在高模方式下的噪声系数、三级交调失真与增益控制电压的关系，如图2所示。

　　除了上述噪声系数、三级交调失真输入电压和增益控制电压之间的关系之外，系统的级联方式对噪声系数也有很大影响。不同的增益分配，直接影响到噪声系数的大小。系统噪声系数的大小由式（3）[4]给出：

　　由式（3）可知，前端增益对系统噪声系数影响较大。另外，在大信号输入增益控制电压较小的情况下，三级交调失真输入电压提高，有利于扩大放大器的线性范围。在级联过程中，可以通过优化设计增益控制电路提高系统增益，同时产生的谐波干扰也控制在允许的范围之内。这种优化设计可以降低噪声系数，但又不会对放大器的线性性能造成严重影响。

　　2.2 增益控制电路和应用电路设计

　　在ISM频段定位系统接收射频前端的设计中，为了简化电路，AD8367采用自动增益控制的工作方式，后端的控制电压同时控制两片增益的大小。两片AD8367的级联方式如图3所示。

　　两片AD8367都工作在低模方式，其中第二片采用内部精准的律方根检波器，输出电流经过外部电容积分产生增益控制电压，工作在AGC状态[5];片的增益控制电压端直接与第二片增益控制端相连接，由第二片提供增益控制电压，工作在VGA状态。虽然中频放大器的输入信号有很大的波动范围，但是AD8367的上述级联方式和增益控制电路，可以通过第二片AGC的作用对波动范围为85 dBm的输入信号有效放大，并且保证放大器输出信号稳定在较小范围内。在初设计中，两片AD8367增益控制采用直接相连的方法，即电阻A=0 Ω、电阻B处于开路状态。当输入信号为-86 dBm时，测试电路频谱如图4所示。

　　这种控制方式下，两片放大器的增益相等，即图1放大器级联模型中G1=G2的情况。该增益控制方式应用于定位系统时，由于噪声系数较大使得系统灵敏度难以达到要求。可以预见的是：提放大器增益可以得到更大的信号输出，并且由噪声系数的表达式可知，前级增益的提高必然带来噪声系数的下降。经过试验测试可知，放大器增益控制端输入阻抗为无穷大，增益控制电路中A=22 kΩ，B=56 kΩ时，

　　由于工作在低模方式，所以片放大器增益要大于第二片放大器增益，即G1>G2,总体增益同样也会有所提高。经过上述方式的优化后，相同输入信号下的测试频谱图如图5所示。可以发现输出信噪比有了4 dB左右的改善，并且该控制方式可以成功应用于ISM波段的定位系统接收射频前端，得到的系统灵敏度也要优于指标要求。VGAIN1:VGAIN2的值减小得到的输出功率都会有所增加，但是这个比值并不能无限制地减小。

　　VGAIN1:VGAIN2的比值越小，前级放大器的增益就会越高，在大功率信号输入的情况下，放大器很容易产生自激现象，这种情况是必须避免的。另外，前级放大器增益过大，放大器谐波失真输入功率就会降低，产生的谐波将和有用信号同时被后级放大器放大；同时，后级放大器增益虽然没有太大变化，但是输入信号的变大也会使其产生谐波；两级放大器谐波的叠加就会造成严重的谐波干扰，不利于定位系统后端对中频信号的处理。当A=22 kΩ、B=22 kΩ时，VGAIN1:VGAIN2=0.5,输入信号为-15 dBm时的试验测试频谱如图6所示。

　　可以看出，由于前级放大器增益过大造成了系统的谐波干扰，并且三次谐波的功率与信号功率之间相差只有20 dB,所以增益控制电路对前级放大器的控制程度需要优化设计，既要满足在小信号输入状态下的较高增益，又能够在大信号输入状态下对谐波进行有效控制。图7和图4的控制电路相同。图7是输入信号为-15 dBm的输出频谱图，可以看出电路对谐波干扰控制在35 dB以上，图4也表明小信号输入时的信噪比大于22 dB.该控制电路应用于ISM频段定位系统时，对系统的噪声系数和线性性能都有很大贡献，并且由于增益较大，在小信号输入情况下又可以保持较大的输出功率。

　　这种增益控制设计存在如下的优点：不需要外部检波电路，电路设计简单；通过提高前级放大器增益有效降低了噪声系数，使得在小信号输入时的系统输出信噪比提高了4.5 dB,提高了接收射频前端的灵敏度，同时保证了输出功率可以稳定在较高点；采用非均衡分配增益的方式，经过对控制电路优化设计，在保持中频放大电路高增益的前提下，对谐波干扰控制在35 dB以上。上述增益控制设计方案具有一定的参考价值。