[嵌入式]【射频知识】自动增益控制（AGC）电路

前言

在射频通信系统中，由于受到诸如障碍物、空气效应等因素的影响引起信号的衰减，信号的接收需要能够处理最大范围的数据转换。基于这种考虑，在典型的射频系统的前端一般都采用自动增益控制(Automatic Gain Control, AGC)电路。完成如接收信号强度检测器(Received Signal Strength Indicator，RSSI)，中频信号的增益自动控制等功能。

自动增益控制电路，通过检测信号的大小，调整链路增益的大小。根据检测信号的不同，一般分为反馈式和前馈式两种结构。前馈式 AGC 电路，检测电路输入信号幅度大小，调整增益大小；反馈式 AGC 电路，检测电路输出信号幅度大小，调整增益大小。由于反馈式 AGC 电路能够提供更高的线性度，它的应用更加广泛。但是前馈式 AGC 电路能够应用在更宽的带宽内，而且稳定时间更短。

图a为反馈式AGC，图b为前馈式AGC。

反馈 AGC 的优点：
1.由于稳定性的限制，使得反馈式 AGC 电路动态范围不会很高，所以反馈式 AGC 电路对峰值检测器的检测范围的要求不高，秩序满足增益控制需要，即和 VGA 的增益范围相同。
2.线性度由于反馈结构的原因会更高，但是当输入信号变化过大时，深度负反馈会使稳定性成为一个问题。
3.为了保证稳定性，反馈环路对信号的最大带宽也有要求，这又对环路稳定时间提出了最小要求。采用反馈结构时，为了保证稳定时间保持常数，通常对控制电压函数有特殊要求，即对 VGA 增益要满足对控制信号的指数线性。

前馈 AGC 由于不形成反馈环路，也没有稳定性的要求，所以可以处理大的信号变化（变大/变小）而不改变稳定时间。前馈 AGC 的稳定时间只取决于信号检测支路（信号检测支路有滤波环节，RC 延时较大），所以没有稳定性和动态范围之间的折衷。但是，前馈 AGC 结构的检测范围通常要包含整个输入信号动态范围，且电路没有反馈的保障，所以对于线性度的要求更高。

一般常用的模式为反馈式AGC电路。

一、AGC电路的意义

AGC 电路的目的是使接收机的增益能够随输入信号的强弱而自动调整，使有用信号经过 AGC 后幅度保持恒定或在特定的范围内变化。AGC 能够保证在接收弱信号时，使接收机增益升高，而接收强信号时则增益降低，从而使输出信号保持在适当的电平，不至于因为输入信号太小而无法正常工作，也不至于因为输入信号太大而使接收机发生饱和或堵塞。

如果没有自动增益控制电路，则很可能在接收很强或极弱信号时，使接收机产生饱和或过载或使信号淹没在噪声中而接收不到信号，从而使接收机工作失常。在自动增益控制电路的控制下，整个系统的性能才能得到保证，使得下一级电路能够在正常的状态下工作。自动增益控制电路在光纤通信、微波通信、卫星通信等通信系统以及雷达、广播电视系统中得到了广泛的应用。所以自动增益控制电路在接收机中具有相当重要的地位。

二、AGC电路的实现形式

常见的AGC电路功能有两种实现形式，分别为：
1.可变增益放大器（VGA，Variable Gain Amplifier）实现动态范围，增加固定衰减器来调整动态范围的起始电平。
2.电调衰减器（VVA，Voltage Variable Attenuation）实现动态范围，增加固定增益放大器来调整动态范围的起始电平。

前者通常带宽较小，频率较低，但若有满足要求的VGA，则电路实现简单。后者可实现的应用范围较广，各个频段的VVA和低噪放产品数量广泛。但整体实现需要大量元器件，电路较复杂。

部分VGA产品及其参数一览

1.VGA实现AGC电路

VGA实现AGC电路

2.VVA实现AGC电路

VGA实现AGC电路

3.电路组成

（1）AGC环路稳定时间

AGC 环路稳定时间是 AGC 系统的关键指标之一，它表征输入信号强弱变化时 AGC 环路输出由非稳态到稳态的建立时间。一般在满足平滑慢衰落的条件下，环路稳定时间要远大于信息的调制速率，要小于该通信体制定义的功率变化速率，不能太短也不能太长，以免因为环路稳定时间太短使得环路随输入信号的包络变化过快而引起频率失真导致误码；或因为环路稳定时间太长跟不上环路输入信号电平的变化，造成输出信号幅度超过 ADC 的幅度范围而引起误码。

为了对输入信号中的数据实现无错恢复，AGC 电路需要将输入信号的振幅调节到某一特定的范围。振幅获取过程一般发生在前同步信号中，前同步信号之后将传输有用的数据。因此，AGC 环路稳定时间必须小于前同步信号的持续时间，否则将造成前同步信号之后的有用数据丢失。但另一方面，这个持续时间应尽量缩短以充分利用信道带宽。若AGC 环路稳定时间是输入信号振幅的函数，则前同步信号的持续时间必须比 AGC 电路的最长稳定时间长，而一般数字通信系统中前同步信号的持续时间是确定的。因此，为了优化系统性能，AGC 环路稳定时间必须精确定义且与输入信号振幅无关。

（2）检测器

检测器是用来检测电压或电流信号大小的功能模块。由于 AGC 环路中的检测器一般工作在平衡状态，检测器并不需要在很宽的动态范围内严格遵循特定的检测机制。然而，检测器的检测机制对 AGC 环路的动态响应过程具有很大的影响，特别是当输入信号发生大幅度跳变时，这种影响尤为显著。AGC 环路中检测器类型一般分为四种：包络检测、平方律检测、均方根检测及对数检测。包络检测器的输出电压与瞬态输入射频信号幅度呈正比，利用低通滤波器滤除射频信号的纹波后，检测产生与射频信号幅度包络呈正比的电压；平方律检测器的输出电压与瞬态输入射频电压的平方成正比，即与输入信号功率成正比；均方根检测器包括一个平方律检测电路和方根函数电路，其平均输出电压正比于信号电压；对数检测器的输出电压正比于射频输入电压的对数值。

特性系统中对检测器类型的选择主要取决于射频信号的幅度变换特性及调制方式，如对于恒定包络信号的 GSM 信号，AGC 环路中一般采用包络检测器，而对于幅度调制严重的信号，如CDMA或QAM调制等，一般采用均方根检测器。

（3）环路滤波器

典型的 AGC 环路中一般包括两个滤波器，第一个低通滤波器跟随在检测器之后滤除射频瞬态信号从而得到射频信号的幅度信息，另一个低通滤波器和误差放大器一起组成误差积分电路以产生最终的增益控制信号。本节中环路滤波器是指环路中的误差积分电路，而第一个滤波器可以看作是幅度检测器的组成部分。

AGC中环路滤波器结构

环路滤波器的带宽及时间常数决定了环路的建立时间，根据具体调制信息及环路稳态误差可以确定环路滤波器的带宽和增益，因此特定场合下环路滤波器的带宽一般为确定值。例如，输出信号稳态误差±0.25dB内的 W-CDMA 接收系统中 AGC 环路带宽一般要求在 200Hz。一种典型的环路滤波器结构如上图所示，忽略运算放大器的非理想效应，环路滤波器的传输函数表示为：

$H(s)=?\frac{(\frac{1}{s{C}_1}||R_{stab})+\frac{1}{s{C}_{integ}}}{R_{in}}$

$=?\frac{1+s{R}_{stab}(C_1+C_{integ})}{(1+s{C}_1{R}_{stab})s{C}_{integ}{R}_{in}}$

电阻 $R_{in}$ 和积分电容 $C_{integ}$ 的乘积为误差积分器的时间常数，从而确定 AGC 的环路建立时间。电阻 $R_{stab}$ 与电容 $(C_1+C_{integ})$ 形成的零点补偿由于检测后低通滤波器引入的极点，同时由于电阻 $C_{integ}>>C_1$ ，电阻 $R_{stab}$ 与 $C_1$ 形成的高频极点可以忽略。

三、AGC电路的主要指标

1.增益控制范围及控制特性

增益控制范围主要取决于AGC电路中的VGA增益变化范围或者VVA的衰减动态范围，同时由电路中的增益/衰减器件决定了整体电路增益控制范围，由参考电压决定了自动增益控制的输出电平。实现恒定的环路建立时间，AGC必须具有dB线性增益控制特性。

AGC电路中常用的是模拟控制的增益连续变化型 VGA 或衰减量连续变化型 VVA 。另一种类型的可变增益放大器的增益由数字量控制，也称作可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier, PGA)。另一种类型的可变衰减器的衰减量由数字量控制，也称作数控衰减器。对于 PGA 而言，增益步长及增益精度是增益控制特性中两个重要的指标。增益步长指每个 LSB 增益控制字引起的增益变化，单位为 dB/LSB。增益精度指实际增益大小与理想增益间的失配。通过开关切换实现增益变化的PGA，其增益变化不连续，从而造成输出信号的相位不连续。数控衰减器相同，也会存在衰减变化不连续的问题。在一些相位调制的系统中，相位不连续可能引起信号失真及数据丢失。

2.噪声系数

对于AGC电路而言，由于电路的增益在一定的范围内变化，通常无法直接测量AGC电路的噪声系数。如需测试，可以将AGC电路设成开环的状态。同时，电路的噪声系数与增益成反比，因此设置为最大增益时有最小噪声系数。

3.线性度

射频器件的常规指标，正常关注1dB压缩点，OIP3等指标。

4.端口匹配

特指使用VGA的电路，在VGA设计时出于扩展带宽、改善噪声等目的，端口阻抗有时不是射频电路常规的50Ω，需要额外增加匹配网络。

AD8367端口阻抗及输入/输出匹配网络示意图

四、AGC电路环路设计

对于常规的工程应用，LNA、VGA、VVA、固定衰减器、检波器都是有现成产品使用，需要设计的是负反馈的电路即环路滤波器/误差积分器。

AGC的反馈环路电路结构已在前文中描述。典型的 AGC 环路中一般包括两个滤波器，第一个低通滤波器跟随在检测器之后滤除射频瞬态信号从而得到射频信号的幅度信息，另一个低通滤波器和误差放大器一起组成误差积分电路以产生最终的增益控制信号。其中的第一个低通滤波器可以看做是检波器的组成成分。

检波器通过检测输出信号的幅度产生一个直流电压与基准电压$V_{ref}$比较，比较信号通过环路滤波器产生控制电压$V_c$控制VGA/VVA的增益，直到检波器输出信号与$V_{ref}$相等，$V_c$不再发生变化，环路状态达到稳定状态，其所需要的时间被称为环路稳定时间。

环路滤波器的一般设计模型如上图。

器件余量充足则可以将检波电压先进一级运放做跟随，再进行积分比较。此环路滤波器与锁相环PLL常用的有源环路相同，可以使用ADI锁相环仿真工具SimPLL快速仿真环路相关参数。

五、AGC电路杂散分析

AGC电路高增益特性，且与运放相连，极易引入各种杂散。

1.AGC杂散分析

比较常见的电路异常现象有：射频放大器的高频自激，或者控制环路参数选择不当导致过冲，造成控制环路振荡。这类问题的现象为输出信号不稳定或者失控。AGC电路中有两级高增益射频放大器，在以往的工程实践中，通常情况下遇到的杂散问题是射频放大器自激产生的自激信号。但此时产生的杂散通常频率较高，而且多出现在输入小信号，即增益最高的工作条件下。

适当调整环路参数，加预选滤波器等可以有效解决。

同时也存在输出信号存在低频杂散的现象，杂散信号经调制后位于主信号两侧，频率与主信号相差几万赫兹。随着信号继续变化，杂散信号与主信号的间隔频率也发生微弱的变化，由此可以判定该信号与电路自身相关，不是外部干扰信号。

此时可以通过监测积分放大电路输出电压发现控制电压由正常的直流输出转变为叠加几千赫兹的 振荡信号，由此可以判定杂散信号是由积分放大电路产生的，经过电调衰减器控制端进入射频通路，在调制作用下搬移到主信号两侧。

与射频放大电路一样，反馈形式的运放电路同样存在自激问题。要重点考虑引入运算放大器输入端的反馈信号幅度与相位，不能使该信号与输入信号叠加为正值，否则在输出端会发生振荡，电路就变成振荡器而不是放大器。

评估运放稳定性的方法通常采用相位裕度与增益裕度，其中相位裕度更为普遍。相位裕度定义为在放大器开环增益与频率曲线中，180°的相移与开环增益下降为1时的增益之差的绝对值。为了避免产生振荡现象，使系统稳定工作，必须设法在环路增益等于1时，使相移总量降至最低。通常相位裕度越大，放大器越稳定。本文利用仿真方法对运放电路的相位裕度进行分析。通过仿真外围电路各个元器件对运放电路稳定性的影响程度，来定位影响运放稳定性的关键因素。理论上当相位裕度小于30°时，运放不稳定，存在自激振荡的风险。

运放的负载电容$C_L$对稳定性影响最明显，呈现容值越大稳定性越差的特性，也是导致杂散问题的主要原因。衰减器作为运放的负载也对稳定性有一定影响，衰减量越大，稳定性越差。$C_L$可以看作运放的容性负载，从机制上分析，运放的容性负载和开环的输出电阻形成了一个极点，由这个极点引起的 -20dB 每十倍频的斜率和 90° 相位滞后，加上由运放内部引起的 -20dB 每十倍频的斜率和 90° 的相位滞后，导致速率接近 -40dB ，从而容易引起不稳定。

2.AGC杂散处理

针对电调衰减电路中$C_L$对稳定性影响的问题，为了提升运放电路稳定性可以从两个方向改进：1.降低负载容性；2.提高运放对容性负载的驱动能力。

电调衰减器中的$C_L$为去耦电容，其作用是滤除运放输出纹波以及抑制射频放大电路低端增益，从而保证射频放大电路的稳定性，不能随意删减，否则会存在其他指标超差以及射频电路稳定性恶化的风险。在保留该电容的基础上，可以根据电路实际指标要求适当地降低容值。为了提升运放的驱动容性负载能力，可以采取环内补偿和环外补偿两种方法。

环内补偿是在运放反馈电阻并接反馈电容，其基本原理是实现相位超前补偿。该补偿方式会影响运放的积分速度，从而使 AGC 电路的响应时间发生变化，因此该补偿办法不普遍适用。

环外补偿是在运放输出端串联一个电阻再级联到后级，阻值在十几欧到几十欧即可，具体值与后级的电容有关。该方案常用于解决容性负载引 起的运放不稳定，其基本机制是在负载为容性负载的情况下，环路增益在$C_L$的作用下降低。同时，相位和增益之间不再有比例关系，相位滞后成为决定性因素，使反馈环路失去稳定性，极端情况下导致振荡。在运放输出端接入一个小电阻 R，可以消除因$C_L$而产生的相位滞后。

同时在检波输出电压可以串联一个电阻，该电阻主要起到限流保护的作用，并减小控制电压上的噪声和杂波对后级的影响。从电路原理上分析，运放的输入端为高阻，该电阻适当的加大对电路性能无影响。

后续

低频的AGC电路单个芯片即可实现，频率提高的时候只能使用分立元件实现。使用VGA芯片实现电路较简单，而使用VVA芯片时电路较复杂，这是由于大部分的射频VVA芯片往往采用双负电的形式来控制，需要额外的转压芯片，运放来处理。因此，小型化的AGC设计是难点所在。