一種有效的內(nèi)環(huán)AGC電路

吳小林，朱學(xué)勇，文光俊

（電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院 射頻集成電路與系統(tǒng)研究中心，四川 成都 611731）

0 引言

自動增益控制技術(shù)（Automatic Gain Control，AGC）有數(shù)字自動增益控制和模擬自動增益控制兩種。相較于模擬AGC電路而言，數(shù)字AGC由于采用離散的增益碼來控制增益而不會引入額外的噪聲，并且具有響應(yīng)時間快、電路結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。故數(shù)字AGC電路廣泛應(yīng)用于數(shù)字化的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中，其性能好壞對接收機(jī)的高質(zhì)量穩(wěn)定接收起著至關(guān)重要的作用。

1 內(nèi)環(huán)AGC電路

AGC的基本功能是隨著發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的輸入信號的功率自動調(diào)整放大器的增益，使輸入信號的功率變化時，輸出信號功率基本不變[1-2]。

1.1 AGC電路的原理

調(diào)諧器的簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示。在系統(tǒng)鏈路中有3級可編程放大器：LNA（low noise amplifier）、VGCF（vari?able gain channel filter）和 PGA（programmable gain ampli?fier）。其中，VGCF是由一個低通濾波器（LPF）和一個放大器級聯(lián)組成的。各級放大器的增益由數(shù)字AGC電路提供的數(shù)字信號來控制。相比以上放大器，混頻器只是提供一個固定的增益。

假設(shè)差分輸入信號的功率分別為xi(t)和xq(t)，差分輸出信號功率分別為yi(t)和yq(t)，LNA，Mixer，VGCF和PGA的增益分別為wLNA(t)，wMIX(t)，wVGCF(t)和wPGA(t)，則

在數(shù)字AGC電路中，可變增益放大器的增益是離散的，因此輸出功率不能穩(wěn)定到一點(diǎn)上，而是穩(wěn)定到一段功率范圍內(nèi)[3]。在本文中，輸入信號功率范圍為（1.02～116 dBμ），輸出信號功率范圍穩(wěn)定在（109～114 dBμ），故整個系統(tǒng)鏈路可提供高達(dá)120 dB的增益?；祛l器的增益在本文中固定為-9 dB，故只需合理地分配W_LNA，W_VGCF和W_PGA的值，就可滿足輸入功率和輸出功率之間的關(guān)系。

1.2 內(nèi)環(huán)AGC電路

采用內(nèi)環(huán)AGC控制方式中，系統(tǒng)鏈路中的增益大小由調(diào)諧器本身控制，不需要外部輸入控制信號。由于LNA、VGCF和PGA的增益變化都是由數(shù)字控制信號實(shí)現(xiàn)的，因此屬于數(shù)字AGC控制方式。檢測LNA的輸出信號功率，這部分采用模擬方式實(shí)現(xiàn)，即采用功率檢測器輸出一個檢測信號（為直流電平），再對檢測信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生數(shù)字LNA_RSSI信號輸出。一旦得到數(shù)字化的功率測量值，就可根據(jù)測量的輸出功率與要求的輸出功率之間的關(guān)系來控制放大器的增益。具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

1.3 增益的分配

首先給低噪放LNA，VGCF和PGA分配最小的增益（避免過大增益造成輸出信號電平過大，超出后級ADC可以處理的范圍），然后等待輸入信號的功率發(fā)生變化，即啟動內(nèi)環(huán)AGC控制。先調(diào)節(jié)LNA的增益以使在大動態(tài)范圍內(nèi)的輸入信號的功率所對應(yīng)的LNA的輸出信號的功率在后級VGCF可允許的輸入功率范圍內(nèi)，VGCF和PGA的增益也依次進(jìn)行調(diào)整。

在調(diào)整系統(tǒng)增益時，首先要根據(jù)輸入信號的功率范圍與要求的輸出信號功率范圍之間的關(guān)系，確定整個系統(tǒng)的增益范圍，然后將系統(tǒng)增益按照一定的規(guī)則分配到LNA，VGCF和PGA中。各個模塊分配多少增益沒有嚴(yán)格的依據(jù)或限制，而第一級的最高增益要足夠大以抑制后面各級的噪聲[4]。

針對于輸入信號的強(qiáng)度不同，LNA，VGCF和PGA的增益分配如圖3所示。

在本文中，LNA，VGCF和PGA輸出信號的功率范圍或檢測窗口定義為如下：LNA的檢測窗口為41～121 dBμ；VGCF的檢測窗口為72～112 dBμ；PGA的檢測窗口為110～114 dBμ。

對內(nèi)環(huán)AGC電路，各級放大器的檢測窗口值需通過I2C接口進(jìn)行初始化，這些初始化值并不需要基帶解調(diào)芯片寫入。

在圖3中，各級放大器輸出信號的功率均位于前面討論的檢測窗口內(nèi)。輸出信號的功率Pout，也即PGA的輸出信號功率PGA_out，穩(wěn)定在112 dBμ，故增益分配是合理的。

將LNA，VGCF和PGA增益控制碼顯示在表1中。其中PGA的增益范圍為0～40 dB，步進(jìn)為0.5 dB。AGC控制電路要實(shí)現(xiàn)對于0.5 dB步進(jìn)的控制。

表1 各級放大器的增益控制碼對比

2 內(nèi)環(huán)AGC電路的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)輸入信號的功率范圍很大時，若以加1或減1的方式來調(diào)整放大器的增益，則需要數(shù)以萬計(jì)的時鐘周期來得到正確的增益控制碼。因?yàn)樘嗟哪芰勘焕速M(fèi)在這些周期里，如何降低調(diào)整時間是個關(guān)鍵的問題[1]。

一個簡單的調(diào)整方法是按照步長來減少或增強(qiáng)放大器的增益，這意味著放大器的增益在一個調(diào)整周期里只改變一個步長。這個過程稱為線性搜索算法[1]。

若輸出信號的功率小于檢測窗口的下限值，則增益控制碼加1以增強(qiáng)增益一個步長；若輸出信號的功率大于檢測窗口的上限值，則增益控制碼減1以減少增益一個步長；若輸出信號的功率在檢測窗口內(nèi)則增益調(diào)整結(jié)束。

由于放大器增益不連續(xù)，線性算法中需注意的一點(diǎn)是死循環(huán)，這種情況發(fā)生在檢測窗口設(shè)置得比增益步長小的時候。例如輸出信號的功率略小于檢測窗口的下限值，增益步長加1后，輸出信號的功率大于檢測窗口的上限值。這樣增益會反復(fù)調(diào)整，進(jìn)入死循環(huán)[3]。本設(shè)計(jì)中，LNA，VGCF和PGA的檢測窗口均大于相應(yīng)的增益調(diào)整步長，故有效避免了死循環(huán)的問題。

為了快速調(diào)整增益，采用一種改進(jìn)的算法，該算法基于二進(jìn)制搜索算法[5]。放大器的增益控制碼按照從高到低的順序被排列成一個數(shù)組。通過不斷地減半搜索區(qū)間，在該數(shù)組中搜索所需的增益控制碼。該算法開始時設(shè)最高位為1，其他位設(shè)置為0[1]。

當(dāng)輸出信號的功率小于檢測窗口的下限值，意味著增益控制碼太小，故將搜索間隔減少到高半間隔，即高位保持1，下一位設(shè)為1；若輸出信號的功率大于檢測窗口的下限值，意味著增益控制碼太大，故將搜索間隔減少到低半間隔，即高位變?yōu)?，下一位設(shè)為1。不斷循環(huán)直到輸出信號的功率位于檢測窗口內(nèi)。二分法的優(yōu)點(diǎn)是：增益的調(diào)整時間只與增益控制碼的位數(shù)相關(guān)。因?yàn)樵鲆婵刂拼a的搜索間隔相比之前減少了一半，故鎖定時間大大減小了，最終降低了AGC控制環(huán)路的響應(yīng)時間[3]。

在具體的數(shù)字AGC算法中，可以將兩種算法結(jié)合起來。當(dāng)輸出信號的功率與檢測功率相差太多時，用線性算法很耗時，這時采用二分法可以縮短鎖定時間。具體實(shí)現(xiàn)辦法是設(shè)定一個閾值，當(dāng)輸出信號的功率與目標(biāo)功率之差大于閾值時，采用二分法[6]。在本文中，閾值設(shè)為LNA的增益步長5 dB所對應(yīng)的碼字101。

因?yàn)長NA和VGCF的增益步進(jìn)較大，故只需采用線性算法。由于PGA步進(jìn)為0.5 dB，調(diào)整范圍為0～40 dB，共有81個離散增益值，故需要采用二分法和線性算法的結(jié)合。詳細(xì)的增益調(diào)整流程圖如圖4所示。

3 結(jié)果分析

內(nèi)環(huán)AGC電路在ModelSim SE 6.2b中的功能仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。圖5顯示了當(dāng)輸入信號的功率是91 dBμ，并在PGA中分別使用綜合算法和線性算法時，收斂速度的比較。最后一行PGA_over是使用線性算法時，增益調(diào)整的完成信號。倒數(shù)第二行PGA_over_L是使用綜合算法時，增益調(diào)整完成的信號?？梢钥吹剑琍GA_over_L比PGA_over延時了14個系統(tǒng)時鐘周期。圖6顯示，輸出信號PGA_RSSI穩(wěn)定在指定的范圍之內(nèi)。

內(nèi)環(huán)AGC電路完成的版圖如圖7所示。版圖的最終面積是：126 μm×106 μm，當(dāng)供電電壓為1.2 V時，平均功耗在3.876 mW左右。

4 結(jié)束語

AGC在需要穩(wěn)定輸出信號的無線通信系統(tǒng)中是必需的[4]。本論文介紹了一款應(yīng)用于移動數(shù)字電視調(diào)諧芯片中的內(nèi)環(huán)AGC控制電路。該控制電路的最終版圖通過了DRC&LVS驗(yàn)證，并達(dá)到了時序的收斂，符合設(shè)計(jì)的要求。

[1]WANG Xiaoman，CHI Baoyong，WANG Zhihua.A low-power highdata-rate ASK if receiver with a digital-control AGC loop[J].IEEE Trans.Circuits Syst.II，2010，57（8）：617–621.

[2]蔣紹勤.CATV系統(tǒng)中的AGC[J].電視技術(shù)，1994，18（9）：21-26.

[3]宮志超.射頻接收機(jī)中自動增益控制及功率檢測器設(shè)計(jì)[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2009.

[4]ISAAC M G.Automatic gain control（AGC）circuits theory and design[EB/OL].[2011-03-03].http：//www.eecg.toronto.edu/～kphang/papers/2001/martin_AGC.pdf.

[5]AHO A，HOPCROFT J，ULLMAN J.The design and analysis of computer algorithms[M].NJ：Addison-Wesley，1974.

[6]KHOURY J M.On the design of constant settling time AGC circuit[J].IEEE Trans.Circuits and Systems，1998，45（3）：283-294.