X-amp可变增益放大器可简化自适应接收器设计

无线通信设备设计通常从战略信号链定义和分析开始。噪声系数（NF）、线性度、失真和动态范围都需要在产品开发周期的早期阶段加以考虑，以正确识别信号路径中每个元件的元件规格。信号链预算分析使设计人员能够快速选择组件，分析和比较所考虑的设计架构的性能。移动通信系统面临的挑战更大，需要特别注意与RF和IF信号模块相关的频谱选择性、线性度和噪声机制。

接收器可以设计为通过在较低的IF频率下采用可变增益来提供对输入信号强度的自适应灵敏度，从而更容易操纵目标信号。大多数频谱梳理（频率整形和滤波）倾向于在较低的IF频率上实现，通过使用SAW器件、晶体和无源集总元件RLC滤波器网络，可以轻松实现非常窄带通滤波器。精确选择通道后，可采用自动增益控制（AGC）电路将接收信号调整到所需电平。使用AGC产生的接收器设计灵敏度根据接收信号强度而变化。自适应灵敏度可降低衰落通道移动环境中固有的距离影响。通常需要高性能可变增益放大器来提供所需的动态范围和噪声性能。

背景

半个多世纪以来，可变增益放大器（VGA）一直用于各种遥感和通信设备。从超声波、雷达、激光雷达到无线通信甚至语音分析等应用都利用可变增益来增强动态性能。早期设计通过切换固定增益放大器级以二进制方式调整接收器灵敏度来实现增益选择。后来的实现使用步进衰减器，然后是固定增益放大器，以实现更大范围的分立增益控制。现代设计使用模拟技术，通过电压可变衰减器（VVA）、模拟乘法器和增益插值器等手段实现连续电压控制增益。

图1.典型的可变增益架构。

各种架构通常用于提供连续和离散可变增益控制。自动增益控制等应用通常需要连续模拟增益控制。最直接的设计采用模拟乘法器，后接固定增益缓冲放大器。此类设计通常涉及需要校准的非线性增益控制功能。此外，乘法器内核还受到温度和电源电压依赖性的影响，这可能导致增益律精度和稳定性较差，以及不可接受的高频增益变化。使用前置放大器/衰减器/后置放大器架构的设计可以提供低噪声操作和良好的带宽，但往往具有相当低的输入三阶交调截点（IIP3），限制了它们在高动态范围接收器中执行的能力。

另一类解决方案利用电压可变衰减器，然后是固定增益后放大。VVA可以提供以dB为单位的线性衰减传递函数，但通常需要级联多个VVA以提供足够的衰减范围。级联导致对衰减传递函数变化的敏感性增加。有时需要对信号进行预放大，以缓冲VVA负载效应的信号源，并降低衰减器对噪声系数的影响。产生低噪声系数所需的高增益导致输入三阶截点降低。

图2.AD8367 X放大器VGA的结构

AD8367 X-AMP VGA，内置AGC

X-AMP架构起源于十年前的ADI公司AD600和AD602（Analog Dialogue 26-2，1992），允许线性dB增益控制功能，基本上与温度无关。它包括一个电阻梯形网络，以及一个高度线性的放大器和插值器级，以提供连续的线性dB增益控制功能。AD8367（图2）是最新一代的X-AMP VGA。其设计采用新的超快速互补双极性工艺（XFCB2.0），可提供数百MHz的中等增益，并在比传统半导体加工更高的频率下改善线性度。

如图2所示，输入信号施加到以地为参考的9级R-nR电阻梯形网络，设计用于在抽头点之间产生5 dB步长的衰减。平滑增益控制是通过检测具有可变跨导（gm） 阶段。根据增益控制电压，插值器选择哪些级处于活动状态。例如，如果第一级处于活动状态，则检测0 dB抽头点;如果最后一级处于活动状态，则感测 45dB 点。落在抽头点之间的衰减水平是通过相邻的gm级同时激活，创建离散抽头点衰减的加权平均值。通过这种方式，合成了平滑、单调、线性dB衰减函数，具有非常精确的缩放。理想的线性dB传递函数可以表示为：

1其中

MY是增益标度（斜率），通常以dB/V表示，通常为50 dB/V（或20 mV/dB）

BZ是以 dB 为单位的增益截距，通常为 –5 dB，外推增益V获得= 0 V。

V获得 是增益控制电压

AD8367的基本连接轮廓、增益传递函数和典型增益误差模式如图3所示，显示了增益控制电压范围为50 mV ≤ V的增益传递函数斜率为5 dB/V和–50 dB截距获得≤ 950mV.该器件允许通过 MODE 引脚的简单引脚带反转增益斜率。反增益模式在自动增益控制（AGC）应用中非常方便，其中增益控制功能来自误差积分器，该误差积分器将检测到的输出功率与预定的设定点电平进行比较。片上集成的平方律检波器和误差积分器允许该器件用作独立的AGC子系统。

图3.AD8367基本VGA应用电路和增益控制传递函数，显示了不同温度下的典型误差。

典型的独立AGC电路及其对4 dB输入电压阶跃的时域响应如图10所示。在本例中，信号输入为 70 MHz 正弦波，其输入在 –17 至 –7 dBm（称为 200 欧姆）范围内进行步进调制。输出信号功率由内部平方律检波器以电压形式测量，并与内部354 mV rms基准进行比较。检波器的输出是电流，使用外部电容器C进行积分AGC.C两端产生的电压AGC电容驱动GAIN引脚以降低或增加增益。当输出信号电平的均方根值等于内部354 mV基准电压源时，环路稳定。当输入信号小于 354mV rms 时，DETO 引脚吸收电流，从而降低 GAIN 引脚上的电压。当输入信号增加到354 mV rms以上时，DETO引脚会源出电流，导致GAIN引脚上的电压增加。本应用需要反向增益模式，以确保当输入信号的均方根值超过内部基准时增益降低。施加到GAIN引脚的所得电压VAGC，可用作接收信号强度指示 （RSSI），表示输入信号强度与 354mV rms 基准电压源的比较。对于正弦波形，对于 1 欧姆负载，这会产生 200V p-p 输出信号。

图4.AD8367基本AGC应用电路和70 MHz时的时域响应

信号链分析

现代超外差架构如图5所示。AD8367用于接收（Rx）路径，可随着RF信号电平的变化自适应调整接收器总增益。在发射（Tx）路径中，AD8367与RF功率检波器配合使用，以保持所需的输出功率电平。

图5.使用VGA进行中频电平控制的超外差架构。VGA用于中频级，以自适应地调整接收器的整体灵敏度并控制发射功率水平。

考虑到接收路径，可以使用信号路径预算分析来评估整体灵敏度和动态范围。在本例中，选择PCS-CDMA信号，使用1 MHz噪声带宽。从AD8367 IF VGA的输出反向工作，可以分析输入灵敏度和动态范围。图6显示了从接收器输入到IF VGA输出的详细预算分析。

图6.具有 1900 MHz 中频的 70 MHz CDMA 的接收路径预算分析。

在上面的示例中，AD8367在I&Q解调器之前控制接收信号电平。AD8367是VGA的一个示例，它采用可变衰减，后接增益后放大器。这种类型的VGA基本上将表现出恒定的OIP3和随增益设置而变化的噪声系数。AD8367在最大增益下提供最小噪声系数，在最小增益下提供最大输入三阶交调截点。这种独特的组合允许根据接收信号强度动态控制接收器的灵敏度和输入线性度。

AD8367的额定温度范围为–40至+85°C，采用14引脚薄型小外形封装（TSSOP）。它采用 3 至 5 V 单电源供电。该器件的工作带宽为 3 MHz，为 –500dB;其数据手册提供了常见中频频率（如 70 MHz、140 MHz、190 MHz 和 240 MHz）的详细规格。

审核编辑：郭婷