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【摘要】介绍了一种高增益大动态范围的可变增益放大器(VGA),放大器受信号的控制,将不同功率的输入信号放大为一定功率电平,其主要特点是高增益、增益平坦度好、动态范围大、增益线性度好。
【关键词】高增益;可变增益;放大器
1.引言
在雷达接收机中,由于接收的信号功率动态范围大,所以需要自动增益控制系统(AGC)完成以下的功能:将小信号放大为一定功率电平,防止由于强信号引起的接收机过载;补偿接收机总增益的不稳定,而AGC的核心就是可变增益放大器(VGA)。
2.原理简介和设计
2.1原理简介
作为AGC的核心,可变增益放大器的增益单调地随外加控制电压地变化而变化,其增益与控制电压的关系如下图:
图1 VGA控制电压与增益关系原理图
基于增益、增益线性度、增益平坦度等技术指标的考虑,可变增益放大器的电原理框图如下:
图2 VGA原理框图
可变增益放大器是线性放大器,框图中VGA的各级模块均工作在线性区,放大器、衰减器和可变增益模块合理配置达到增益要求,均衡器补偿增益平坦度,滤波器减小带外增益,提高可变增益放大器的信噪比。
2. 2 电路设计
2. 2. 1 VGA设计指标
1) 输入信号动态范围:-85dBm～+5dBm;2) 工作频带范围:50~500MHz;3) 控制动态:≥90dB;4) 增益线性度:优于15%;5) 控制电压范围:0～10V;6) 控制电压起控时间:≤300ns; 7) 增益:90±3dB;8) 增益平坦度:<2.5dB。
2. 2. 2 单元电路指标分配
根据VGA的总体设计指标,以总增益要求为设计主线,为各单元电路分配指标如下:
1)可变增益模块:
由于使用二级可变增益模块并且并联使用,因此设计指标为:工作频率范围:50～500MHz;增益变化范围:-30dB～+17dB,一级可变增益模块动态范围为45dB,两级为90dB;响应时间:≤200ns不;增益平坦度:0.5dB;增益线性度:优于5% 。
2)电压转换网络:
电压转换网络的功能是,将0～10V的控制电压转换为可变增益模块工作在-28dB～+17dB动态范围的电压,对应设计指标为:工作带宽:≥30MHz;延迟时间:≤200ns。
3)滤波器模块:
滤波器模块的功能是滤除工作频带范围之外的杂波,提高信噪比,具体指标为:带内插损<2dB;带内平坦度<1dB;带外抑制>20dB(>700MHz时)。
3)放大器模块与衰减器模块:
放大器模块和衰减器模块需要合理配置,保证VGA各级模块在全动态范围内均工作在线性区.
VGA总增益与各级模块增益关系如下:
GVGA=GT-LB-LF+(GAMP-LATT)
式中GVGA是VGA总增益,GT是可变增益模块的最大增益,LB是均衡器的插入损耗,LF是滤波器的插入损耗,GAMP是所有放大器模块总增益,LATT是衰减器模块的总衰减量,因此放大器模块与衰减器模块总增益(GAMP-LATT)是73dB;增益平坦度:2dB。
4)均衡器模块模块:
由于VGA总增益高,因此各级模块的平坦度累加值超过设计指标,因此加入均衡器补偿平坦度,由以上各级模块平坦度计算,均衡器指标为:平坦度>3dB;插入损耗<15dB。均衡器的电原理图如下:
图3 均衡器的电原理图
经过优化,均衡器实际指标为:平坦度>4dB(与放大器平坦度补偿);300MHz插入损耗<12dB,具体见下图:
图4 均衡器的优化结果图
3.解决的关键技术
综合考虑VGA设计指标要求,电路设计中必须解决以下几个技术关键:
a. 两级可变增益模块的连接;b. 温度稳定性补偿;c. 增益线性度补偿。
4.研制结果
1) 输入信号动态范围:-85dBm～+5dBm;2) 工作频带范围:50~500MHz;3) 控制动态:≥94dB;4) 增益线性度:优于10%;5) 控制电压范圍:0～10V;6) 控制电压起控时间:≤200ns; 7) 增益:90±2dB;8) 增益平坦度:<1.5dB。
5.小结
50～500MHz可变增益放大器采用混合集成结构,体积小、重量轻,一致性好,稳定可靠,电性能优良,可扩展为多通道可变增益放大器。
【关键词】高增益;可变增益;放大器
1.引言
在雷达接收机中,由于接收的信号功率动态范围大,所以需要自动增益控制系统(AGC)完成以下的功能:将小信号放大为一定功率电平,防止由于强信号引起的接收机过载;补偿接收机总增益的不稳定,而AGC的核心就是可变增益放大器(VGA)。
2.原理简介和设计
2.1原理简介
作为AGC的核心,可变增益放大器的增益单调地随外加控制电压地变化而变化,其增益与控制电压的关系如下图:
图1 VGA控制电压与增益关系原理图
基于增益、增益线性度、增益平坦度等技术指标的考虑,可变增益放大器的电原理框图如下:
图2 VGA原理框图
可变增益放大器是线性放大器,框图中VGA的各级模块均工作在线性区,放大器、衰减器和可变增益模块合理配置达到增益要求,均衡器补偿增益平坦度,滤波器减小带外增益,提高可变增益放大器的信噪比。
2. 2 电路设计
2. 2. 1 VGA设计指标
1) 输入信号动态范围:-85dBm～+5dBm;2) 工作频带范围:50~500MHz;3) 控制动态:≥90dB;4) 增益线性度:优于15%;5) 控制电压范围:0～10V;6) 控制电压起控时间:≤300ns; 7) 增益:90±3dB;8) 增益平坦度:<2.5dB。
2. 2. 2 单元电路指标分配
根据VGA的总体设计指标,以总增益要求为设计主线,为各单元电路分配指标如下:
1)可变增益模块:
由于使用二级可变增益模块并且并联使用,因此设计指标为:工作频率范围:50～500MHz;增益变化范围:-30dB～+17dB,一级可变增益模块动态范围为45dB,两级为90dB;响应时间:≤200ns不;增益平坦度:0.5dB;增益线性度:优于5% 。
2)电压转换网络:
电压转换网络的功能是,将0～10V的控制电压转换为可变增益模块工作在-28dB～+17dB动态范围的电压,对应设计指标为:工作带宽:≥30MHz;延迟时间:≤200ns。
3)滤波器模块:
滤波器模块的功能是滤除工作频带范围之外的杂波,提高信噪比,具体指标为:带内插损<2dB;带内平坦度<1dB;带外抑制>20dB(>700MHz时)。
3)放大器模块与衰减器模块:
放大器模块和衰减器模块需要合理配置,保证VGA各级模块在全动态范围内均工作在线性区.
VGA总增益与各级模块增益关系如下:
GVGA=GT-LB-LF+(GAMP-LATT)
式中GVGA是VGA总增益,GT是可变增益模块的最大增益,LB是均衡器的插入损耗,LF是滤波器的插入损耗,GAMP是所有放大器模块总增益,LATT是衰减器模块的总衰减量,因此放大器模块与衰减器模块总增益(GAMP-LATT)是73dB;增益平坦度:2dB。
4)均衡器模块模块:
由于VGA总增益高,因此各级模块的平坦度累加值超过设计指标,因此加入均衡器补偿平坦度,由以上各级模块平坦度计算,均衡器指标为:平坦度>3dB;插入损耗<15dB。均衡器的电原理图如下:
图3 均衡器的电原理图
经过优化,均衡器实际指标为:平坦度>4dB(与放大器平坦度补偿);300MHz插入损耗<12dB,具体见下图:
图4 均衡器的优化结果图
3.解决的关键技术
综合考虑VGA设计指标要求,电路设计中必须解决以下几个技术关键:
a. 两级可变增益模块的连接;b. 温度稳定性补偿;c. 增益线性度补偿。
4.研制结果
1) 输入信号动态范围:-85dBm～+5dBm;2) 工作频带范围:50~500MHz;3) 控制动态:≥94dB;4) 增益线性度:优于10%;5) 控制电压范圍:0～10V;6) 控制电压起控时间:≤200ns; 7) 增益:90±2dB;8) 增益平坦度:<1.5dB。
5.小结
50～500MHz可变增益放大器采用混合集成结构,体积小、重量轻,一致性好,稳定可靠,电性能优良,可扩展为多通道可变增益放大器。