無線通信設(shè)備設(shè)計通常從戰(zhàn)略信號鏈定義和分析開始。噪聲系數(shù)（NF）、線性度、失真和動態(tài)范圍都需要在產(chǎn)品開發(fā)周期的早期階段加以考慮，以正確識別信號路徑中每個元件的元件規(guī)格。信號鏈預(yù)算分析使設(shè)計人員能夠快速選擇組件，分析和比較所考慮的設(shè)計架構(gòu)的性能。移動通信系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)更大，需要特別注意與RF和IF信號模塊相關(guān)的頻譜選擇性、線性度和噪聲機制。

接收器可以設(shè)計為通過在較低的IF頻率下采用可變增益來提供對輸入信號強度的自適應(yīng)靈敏度，從而更容易操縱目標(biāo)信號。大多數(shù)頻譜梳理（頻率整形和濾波）傾向于在較低的IF頻率上實現(xiàn)，通過使用SAW器件、晶體和無源集總元件RLC濾波器網(wǎng)絡(luò)，可以輕松實現(xiàn)非常窄帶通濾波器。精確選擇通道后，可采用自動增益控制（AGC）電路將接收信號調(diào)整到所需電平。使用AGC產(chǎn)生的接收器設(shè)計靈敏度根據(jù)接收信號強度而變化。自適應(yīng)靈敏度可降低衰落通道移動環(huán)境中固有的距離影響。通常需要高性能可變增益放大器來提供所需的動態(tài)范圍和噪聲性能。

背景

半個多世紀(jì)以來，可變增益放大器（VGA）一直用于各種遙感和通信設(shè)備。從超聲波、雷達(dá)、激光雷達(dá)到無線通信甚至語音分析等應(yīng)用都利用可變增益來增強動態(tài)性能。早期設(shè)計通過切換固定增益放大器級以二進制方式調(diào)整接收器靈敏度來實現(xiàn)增益選擇。后來的實現(xiàn)使用步進衰減器，然后是固定增益放大器，以實現(xiàn)更大范圍的分立增益控制。現(xiàn)代設(shè)計使用模擬技術(shù)，通過電壓可變衰減器（VVA）、模擬乘法器和增益插值器等手段實現(xiàn)連續(xù)電壓控制增益。

圖1.典型的可變增益架構(gòu)。

各種架構(gòu)通常用于提供連續(xù)和離散可變增益控制。自動增益控制等應(yīng)用通常需要連續(xù)模擬增益控制。最直接的設(shè)計采用模擬乘法器，后接固定增益緩沖放大器。此類設(shè)計通常涉及需要校準(zhǔn)的非線性增益控制功能。此外，乘法器內(nèi)核還受到溫度和電源電壓依賴性的影響，這可能導(dǎo)致增益律精度和穩(wěn)定性較差，以及不可接受的高頻增益變化。使用前置放大器/衰減器/后置放大器架構(gòu)的設(shè)計可以提供低噪聲操作和良好的帶寬，但往往具有相當(dāng)?shù)偷妮斎肴A交調(diào)截點（IIP3），限制了它們在高動態(tài)范圍接收器中執(zhí)行的能力。

另一類解決方案利用電壓可變衰減器，然后是固定增益后放大。VVA可以提供以dB為單位的線性衰減傳遞函數(shù)，但通常需要級聯(lián)多個VVA以提供足夠的衰減范圍。級聯(lián)導(dǎo)致對衰減傳遞函數(shù)變化的敏感性增加。有時需要對信號進行預(yù)放大，以緩沖VVA負(fù)載效應(yīng)的信號源，并降低衰減器對噪聲系數(shù)的影響。產(chǎn)生低噪聲系數(shù)所需的高增益導(dǎo)致輸入三階截點降低。

圖2.AD8367 X放大器VGA的結(jié)構(gòu)

AD8367 X-AMP VGA，內(nèi)置AGC

X-AMP架構(gòu)起源于十年前的ADI公司AD600和AD602（Analog Dialogue 26-2，1992），允許線性dB增益控制功能，基本上與溫度無關(guān)。它包括一個電阻梯形網(wǎng)絡(luò)，以及一個高度線性的放大器和插值器級，以提供連續(xù)的線性dB增益控制功能。AD8367（圖2）是最新一代的X-AMP VGA。其設(shè)計采用新的超快速互補雙極性工藝（XFCB2.0），可提供數(shù)百MHz的中等增益，并在比傳統(tǒng)半導(dǎo)體加工更高的頻率下改善線性度。

如圖2所示，輸入信號施加到以地為參考的9級R-nR電阻梯形網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計用于在抽頭點之間產(chǎn)生5 dB步長的衰減。平滑增益控制是通過檢測具有可變跨導(dǎo)（gm） 階段。根據(jù)增益控制電壓，插值器選擇哪些級處于活動狀態(tài)。例如，如果第一級處于活動狀態(tài)，則檢測0 dB抽頭點;如果最后一級處于活動狀態(tài)，則感測 45dB 點。落在抽頭點之間的衰減水平是通過相鄰的gm級同時激活，創(chuàng)建離散抽頭點衰減的加權(quán)平均值。通過這種方式，合成了平滑、單調(diào)、線性dB衰減函數(shù)，具有非常精確的縮放。理想的線性dB傳遞函數(shù)可以表示為：

1其中

MY是增益標(biāo)度（斜率），通常以dB/V表示，通常為50 dB/V（或20 mV/dB）

BZ是以 dB 為單位的增益截距，通常為 –5 dB，外推增益V獲得= 0 V。

V獲得 是增益控制電壓

AD8367的基本連接輪廓、增益?zhèn)鬟f函數(shù)和典型增益誤差模式如圖3所示，顯示了增益控制電壓范圍為50 mV ≤ V的增益?zhèn)鬟f函數(shù)斜率為5 dB/V和–50 dB截距獲得≤ 950mV.該器件允許通過 MODE 引腳的簡單引腳帶反轉(zhuǎn)增益斜率。反增益模式在自動增益控制（AGC）應(yīng)用中非常方便，其中增益控制功能來自誤差積分器，該誤差積分器將檢測到的輸出功率與預(yù)定的設(shè)定點電平進行比較。片上集成的平方律檢波器和誤差積分器允許該器件用作獨立的AGC子系統(tǒng)。

圖3.AD8367基本VGA應(yīng)用電路和增益控制傳遞函數(shù)，顯示了不同溫度下的典型誤差。

典型的獨立AGC電路及其對4 dB輸入電壓階躍的時域響應(yīng)如圖10所示。在本例中，信號輸入為 70 MHz 正弦波，其輸入在 –17 至 –7 dBm（稱為 200 歐姆）范圍內(nèi)進行步進調(diào)制。輸出信號功率由內(nèi)部平方律檢波器以電壓形式測量，并與內(nèi)部354 mV rms基準(zhǔn)進行比較。檢波器的輸出是電流，使用外部電容器C進行積分AGC.C兩端產(chǎn)生的電壓AGC電容驅(qū)動GAIN引腳以降低或增加增益。當(dāng)輸出信號電平的均方根值等于內(nèi)部354 mV基準(zhǔn)電壓源時，環(huán)路穩(wěn)定。當(dāng)輸入信號小于 354mV rms 時，DETO 引腳吸收電流，從而降低 GAIN 引腳上的電壓。當(dāng)輸入信號增加到354 mV rms以上時，DETO引腳會源出電流，導(dǎo)致GAIN引腳上的電壓增加。本應(yīng)用需要反向增益模式，以確保當(dāng)輸入信號的均方根值超過內(nèi)部基準(zhǔn)時增益降低。施加到GAIN引腳的所得電壓VAGC，可用作接收信號強度指示 （RSSI），表示輸入信號強度與 354mV rms 基準(zhǔn)電壓源的比較。對于正弦波形，對于 1 歐姆負(fù)載，這會產(chǎn)生 200V p-p 輸出信號。

圖4.AD8367基本AGC應(yīng)用電路和70 MHz時的時域響應(yīng)

信號鏈分析

現(xiàn)代超外差架構(gòu)如圖5所示。AD8367用于接收（Rx）路徑，可隨著RF信號電平的變化自適應(yīng)調(diào)整接收器總增益。在發(fā)射（Tx）路徑中，AD8367與RF功率檢波器配合使用，以保持所需的輸出功率電平。

圖5.使用VGA進行中頻電平控制的超外差架構(gòu)。VGA用于中頻級，以自適應(yīng)地調(diào)整接收器的整體靈敏度并控制發(fā)射功率水平。

考慮到接收路徑，可以使用信號路徑預(yù)算分析來評估整體靈敏度和動態(tài)范圍。在本例中，選擇PCS-CDMA信號，使用1 MHz噪聲帶寬。從AD8367 IF VGA的輸出反向工作，可以分析輸入靈敏度和動態(tài)范圍。圖6顯示了從接收器輸入到IF VGA輸出的詳細(xì)預(yù)算分析。

圖6.具有 1900 MHz 中頻的 70 MHz CDMA 的接收路徑預(yù)算分析。

在上面的示例中，AD8367在I&Q解調(diào)器之前控制接收信號電平。AD8367是VGA的一個示例，它采用可變衰減，后接增益后放大器。這種類型的VGA基本上將表現(xiàn)出恒定的OIP3和隨增益設(shè)置而變化的噪聲系數(shù)。AD8367在最大增益下提供最小噪聲系數(shù)，在最小增益下提供最大輸入三階交調(diào)截點。這種獨特的組合允許根據(jù)接收信號強度動態(tài)控制接收器的靈敏度和輸入線性度。

AD8367的額定溫度范圍為–40至+85°C，采用14引腳薄型小外形封裝（TSSOP）。它采用 3 至 5 V 單電源供電。該器件的工作帶寬為 3 MHz，為 –500dB;其數(shù)據(jù)手冊提供了常見中頻頻率（如 70 MHz、140 MHz、190 MHz 和 240 MHz）的詳細(xì)規(guī)格。

審核編輯：郭婷