孫連昊，王 亮，石建飛

（中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

1 引言

多波束成像聲吶屬于高頻小目標(biāo)探測聲吶系列，設(shè)計(jì)采用主動聲吶工作原理對水下場景進(jìn)行成像。多波束成像聲吶中發(fā)射換能器發(fā)射信號強(qiáng)度一定，不同距離的目標(biāo)反射信號強(qiáng)度不同，因此接收換能器接收聲學(xué)信號強(qiáng)度不相同。當(dāng)目標(biāo)較近時，目標(biāo)反射強(qiáng)度很強(qiáng)，接收信號經(jīng)電路放大后會發(fā)生飽和失真，影響信號質(zhì)量而對目標(biāo)識別造成影響；當(dāng)目標(biāo)較遠(yuǎn)時，目標(biāo)反射強(qiáng)度很弱，弱信號經(jīng)電路放大后可能由于放大量不能達(dá)到信號檢測閾而造成檢測漏報(bào)。因此，根據(jù)目標(biāo)距離選擇合適的放大倍數(shù)，對多波束成像聲吶來說尤為重要。

為了解決不同距離回波信號幅度不一致的問題，加入可控增益控制功能來調(diào)整信號幅度。通過計(jì)算可以通過信號隨時間TVG 曲線和儲存次曲線值的變化來控制DA 輸出模擬電壓以控制信號增益。探測的距離指標(biāo)為1.5～100.0 m，于是計(jì)算得到接收陣輸出信號在8.8 μV～60 mV。一般情況下，5 V 供電差分AD 輸入電壓達(dá)到四分之三滿幅的范圍是諧波雜散最小的位置，通過增益控制使到AD 前端的信號達(dá)到峰峰2 V。為了把信號調(diào)整到峰峰2 V 以滿足整體30～108 dB 的增益范圍，選擇AD8332 包括2 個-6.5～43.5 dB的VGA。兩級級聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)-9～87 dB 的增益控制，加上前端阻抗匹配變壓器和儀表放大器放大倍數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)增益控制范圍稍大于需要的范圍。

2 AD8332 的特性及原理

AD8332 是一款低噪聲兩通道VGA 芯片，功能框圖如圖1 所示。每個通道包括LNA、PAMP 以及VGA，控制電壓0～1 V，輸出電壓單端峰峰值2.25 V，差分輸出電壓4.5 V。LNA 為單端輸入差分輸出19 dB 的固定增益放大器。VGA 內(nèi)置一個48 dB范圍的衰減器，后接一個21 dB 增益的放大器，因而凈增益范圍為-27～+21 dB。X-AMP 增益內(nèi)插法會形成低增益誤差和均衡帶寬，且差分信號路徑將失真降至最低。最后一級是一個增益為3.5 dB或15.5 dB 的邏輯可編程放大器［1］。

VGA 的增益通過模擬控制電壓來控制。線性dB 增益控制接口針對斜率和絕對精度進(jìn)行調(diào)整。增益控制接口的斜率為50 dB/V，增益控制范圍為40 mV～1 V，增益極差為+48 dB。在LO 模式下，增益表達(dá)式為GAIN(dB)=50(dB/V)×VGAIN-6.5 dB，增益范圍-4.5～43.5 dB；在HI 模式下，增益表達(dá)式為GAIN(dB)=50(dB/V)×VGAIN+5.5 dB，增益范圍+7.5～+55.5 dB。理想增益特性曲線，如圖2 所示。

3 AD8332 電路設(shè)計(jì)

利用AD8332 芯片設(shè)計(jì)可控增益放大電路時，需要從以下幾個方面進(jìn)行考慮。

（1）LMD 引腳必須利用2.2 nF～0.1 μF 的電容進(jìn)行容性耦合旁路到地。

（2）數(shù)據(jù)手冊中給出LNA 的未端接輸入阻抗為6 kΩ，因此可以合成50 Ω～6 kΩ 的任何輸入電阻。根據(jù)RIZ=33×RIN/(6-RIN)，計(jì)算RIZ，單位為kΩ，或從表1 中選擇［2］。使用有源輸入端接時，需要通過一個去耦電容CIS隔離LNA 的輸入和輸出偏置電壓。

兩路可變增益放大器輸入端分別為儀表放大器和濾波器輸出端，儀表放大器和濾波器輸出電阻很小約為50 Ω，因此根據(jù)表1 選擇RIZ為280 Ω，CSH為22 pF。

表1 針對共源阻抗的LNA 外部器件值

（3）兩通道增益放大器共用一個GAIN 增益控制控制引腳，為確保增益放大量穩(wěn)定，應(yīng)保證此引腳輸入噪聲。

（4）增益斜率根據(jù)MODE 引腳高低電平選擇。當(dāng)MODE 引腳為高時，增益斜率為負(fù)；MODE 引腳為低時，增益斜率為正。設(shè)計(jì)中選擇MODE 引腳接地，增益斜率為正且隨著GAIN 引腳接入電壓的增加而增大。

（5）HILO 引腳控制可控增益放大器工作模式。當(dāng)HILO 為高時，放大器工作在HI 模式，最后一級增益為15.5 dB；當(dāng)HILO 為低時，放大器工作在LO 模式，最后一級增益為3.5 dB。設(shè)計(jì)中選擇HILO 引腳接地，可控增益放大器總增益變化范圍為-13～87 dB。

綜上所述，設(shè)計(jì)可控增益放大電路如圖3 所示。

4 可控增益電路測試

（1）增益控制引腳GAIN 接入0.1 V 電平，使用信號源輸入Vpp=900 mV、頻率為450 kHz 的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，如圖4 所示。

用示波器測量輸出端信號，如圖5 所示。可以看出，輸出信號頻率為450.4 kHz，與輸入信號頻率基本一致。讀出單端信號Vpp=378 mV。由于可控增益芯片為差分輸出，因此輸出差分信號Vpp=756 mV。經(jīng)計(jì)算，放大倍數(shù)為-1.51 dB，與LO 模式下增益表達(dá)式GAIN(dB)=50(dB/V)×0.1-6.5 dB=-1.5 dB 計(jì)算結(jié)果基本一致。

（2）增益控制引腳GAIN 接入1 V 電平，使用信號源輸入Vpp=17 mV、頻率為450 kHz 的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，如圖6 所示。

用示波器測量輸出端信號，如圖7 所示。可以看出，輸出信號頻率為449.4 kHz，與輸入信號頻率基本一致。讀出單端信號Vpp=1.27 V。由于可控增益芯片為差分輸出，因此輸出差分信號Vpp=2.54 V。經(jīng)計(jì)算，放大倍數(shù)為43.47 dB，與LO 模式下增益表達(dá)式GAIN(dB)=50(dB/V)×1-6.5 dB=43.5 dB 計(jì)算結(jié)果基本一致。

（3）信號源輸入頻率450 kHz、幅度適宜的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，通過示波器測量差分輸出端電壓值（單端值的2 倍），計(jì)算實(shí)際放大增益與增益控制引腳GAIN 接入電平的關(guān)系，結(jié)果如表2 所示。幅度適宜主要原因是GAIN 在0.1～1.0 V 范圍內(nèi)增益范圍為-1.5～43.5 dB，信號可以被放大也可以被縮小。如果輸入信號太小增益沒有達(dá)到一定值時，輸出信號會很小，不利于示波器讀取輸出信號結(jié)果；如果信號太大放大增益到達(dá)一定值時，輸出信號幅值會大于4.5 V 而造成信號失真。

表2 實(shí)際、理論增益與GAIN 值關(guān)系表

5 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了AD8332 可控增益芯片的原理特性。根據(jù)芯片典型電路設(shè)計(jì)形式，利用Altium Designer 軟件設(shè)計(jì)了一種可控增益放大器。經(jīng)過測試，實(shí)際增益與GAIN的關(guān)系與理論增益曲線一致。此外，測試顯示多通道模擬接收電路中由于可控增益電路引入的相位誤差的問題基本不存在，說明多波束成像聲吶根據(jù)目標(biāo)距離選擇合適的放大倍數(shù)得到了很好地應(yīng)用。