自动增益控制电路的设计与实现

自动增益控制电路的设计与实现摘要在处理输入的模拟信号时，常常会遇到通信信道或传感器衰减强度大幅变化的情况，此时可以使用带自动增益控制（AGC）的自适应前置放大器，使其增益能随信号强弱而自动增调整，以保持输出的相对稳定。本实验采用了短路双极晶体管直接进行小信号控制来实现AGC功能。关键词自动增益控制级联放大射极跟随反馈1设计任务要求（1）设计实现一个AGC电路，设计指标以及给定条件为输入信号0550MVRMS输出信号0515VRMS信号带宽1005KHZ（2）设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用MULTISIM软件绘制完整的电路原理图。2设计思路及总体框图21设计思路AGC电路实现方式有反馈控制、前馈控制和混合控制三种。典型的反馈控制AGC由可变增益放大器（VGA）以及检波整流控制组成,如图1所示。图1反馈式AGC该实验电路中使用了一个短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法，从而相对简单而有效实现预通道AGC的功能。如图2，可变分压器由一个固定电阻R1和一个可变电阻构成，控制信号的交流振幅。可变电阻由采用基极集电极短路方式的双极晶体管微分电阻实现，为改变Q1的电阻，可从一个有电压源V2和大阻值电阻R2组成的电流源直接向短路晶体管注入电流。为防止R2影响电路的交流电压传输特性，R2的阻值必须远大于R1。图2由短路三极管构成的衰减器电路对于输入Q1集电极的正电流的所有可用值，Q1的集电极发射极饱和电压小于它的基极发射极阈值电压，于是晶体管工作在有效状态，其VI特性曲线如图3所示。可以看出，短路晶体管的微分电阻与流过的直流电流成反比，即器件的微分电导直接与电流成正比。在工作状态下，共射极连接的双极型晶体管的电流放大系数一般在100或100以上，在相当大的电流范围内，微分电阻都正确地遵守这一规则。图中所示的晶体管至少可以在五个十倍程范围内控制微分电阻，即控制幅度超过100DB。图3Q1VI特性曲线22总体框图为实现自动增益控制电路的功能，设计的电路应具有四级，分别为信号先由驱动缓冲级输入，进入直流耦合互补级进行放大，在射极跟随器输出，同时，在射极输出前连一反馈电路到缓冲级，实现电流相加电压取样的并联电压负反馈，其中，反馈电路中含有由两个二极管组成的倍压整流器和衰减器的可变电阻部分。从而实现在输入信号变化很大时，输出信号稳定的功能。电路总体架构图如下图4自动增益控制电路总体框图3分块电路和总体电路的设计31驱动缓冲电路驱动缓冲电路如图5所示。驱动缓冲电路输出跟随电路级联放大电路增益反馈电路Q12N2222AR111KR21MR3200R427KVCC9VV130MVRMS2KHZ0C133FC2100FC322MF图5驱动缓冲电路当输入信号VIN驱动缓冲极Q1时，组成基极集电极输出的共射电路，它的非旁路射极电阻R3有四个作用（1）它将Q1的微分输出电阻提高到接近公式1所示的值。该电路中的微分输出电阻增加很多，使R4的阻值几乎可以唯一地确定这个输出电阻。RD1RBE1RCE/RBER3/RBE（公式1）（2）由于R3未旁路，使Q1电压增益降低至AQ1R4/RBE1R3R4/R3（公式2）（3）如公式2所示，未旁路的R3有助于Q1集电极电流电压驱动的线性响应。（4）Q1的基极微分输入电阻升至RDBASERBE1R3，与只有RBE相比，它远远大于Q1的瞬时工作点，并且对其依赖性较低。32直流耦合互补级联放大电路直流耦合互补级联放大电路如图6所示。R6300KR815KQ22N2222AR7390KR9560R1015KR1127KR12100Q42N2222AR13390R18330VCC9VC101MFC91MFC5220FQ32N3905C4220NFR141KC810F图6直流耦合互补级联放大电路其中Q2、Q3构成直流耦合互补级联放大电路，为AGC电路提供了大部分的电压增益。R14是1K的电阻，将发射机输出跟随器Q4与信号输出端隔离开来。33AGC反馈电路AGC反馈电路如图7所示。Q62N2222AQ52N2222AR1718MD11N4148D21N4148R1515KR1651KR1933KVCC9VC6100FC733F图7AGC反馈电路电阻R4构成可变衰减器的固定电阻，类似于图2中的电阻R1，而Q6构成衰减器可变电阻部分。晶体管Q5为Q6提供集电极驱动电流，Q5的共发射极结构只需很少的基极电流。用这种方法时，决定AGC释放时间的电阻R17阻值可选大些，从而能够有足够的AGC释放时间。电阻R19用于限制通过Q5和Q6的最大直流控制电流。D1和D2构成一个倍压整流器，从输出级Q4提取信号的一部分，为Q5生成控制电压。这种构置可以容纳非对称信号波形的两极性的大峰值振幅。电阻R15决定了AGC的开始时间。若与C6组合的R15过小，则使反馈传输函数产生极点，导致不稳定。34完整的AGC反馈电路完整的AGC反馈电路如图8所示。Q12N2222AR32KR21MR1200R427KR52KR6300KR815KQ22N2222AR7390KR9560R1015KR1127KR12100Q42N2222AR13390R18330R141KQ52N2222AQ62N2222AR1718MD11N4148D21N4148R1515KR1651KR1933KVCC9VVCC9VC133FC2100FC101MFC91MFC6100FC733FC5220FQ32N3905C4220NFC322MFC810FUIUO图8完整的AGC电路4功能说明本实验所完成的电路实现了自动增益控制的功能，当输入端输入信号发生较大变化时，输出信号由于自动增益控制会基本保持不变，或者是先随输入信号发生一定变化后恢复到原来的输出信号幅值。实验方法先保持恒定的信号频率，将输入信号的有效值从05MV逐渐提高到50MV，用示波器记录输入输出波形，用交流毫伏表测量输入输出有效值。实验得到的数据见表1。表1不同信号频率及输入信号幅值对应的输出信号幅值F/HZVI/MV10020005000050860860863010310310250106106105可以从示波器波形和测试数据得出在实验要求的频段内，当输入信号从5MVRMS变化到50MVRMS时，输出大约只是从860MVRMS变化到1060MVRMS，输入变化了10倍，而输出仅增大了1233倍，符合设计的要求。从示波器的波形可以直观明显地观察到当输入变化。当输入信号增大时，输出信号先突然增大，然后渐渐减小，最后保持在1V左右；信号减小时，输出信号先迅速减小，然后又缓慢回到之前的位置。另外，通过测试发现，当输入信号幅度为03MVRMS（低于要求的输入信号范围）时，输出信号幅度仍然能够达到800MV。说明该电路具有很好的自动增益控制功能。5故障及问题分析（1）分级调试时，驱动缓冲电路的输出始终为一条直线，也就是说没有输出信号。经过仔细的检查和测试后发现有一个电阻的管脚没有插好，造成了断路，将该电阻重插后得到了Q1发射极的输出波形。（2）分块调试时发现直流耦合互补级联放大部分Q2、Q3、Q4均没有输出信号，仔细检查后发现Q3发射极本应与电阻R18相连，但错误地接地了，将导线改接后得到了输出波形。（3）整体调试时发现输入为15MVRMS时出现了波形不稳的情况，调节电平可以稳定，但输入电压降至1MVRMS时，波形就再也无法稳定了，仔细检查了电路连接后没有发现任何问题，在同学建议下换了一台示波器，再次进行调试时，即使输入信号降到02V波形也能够稳定了。6总结和结论本次实验用到的电路比较复杂，相比以前的实验，综合性更强。在搭建电路时需要考虑整个电路的布局否则搭出来的电路会很凌乱，不仅不美观也会给后来的调试造成困难。考虑到实验要求的分级调试，可以将电路大致分为三个模块分别进行搭建。之前在通信电子电路课上学习了一点自动增益控制电路的知识，但只限于了解概念。通过本次实验，我对AGC电路有了初步的认识，对其作用有了更为直观的了解。在设计、搭建电路的同时，也巩固了所学过的知识，提高了综合运用的能力，对所学知识又有了新的理解与认识。通过这两周的实验，我对各种实验仪器的使用更为熟练了，同时也学会了通过逐级调试来判断故障所在支路。另外，我还学会了使用仿真软件MULTISIM130，也深刻体会到了仿真的作用所在为实际试验提供参考依据。总之，通过此次实验，我学会了很多东西，也巩固了已经学过的知识，积累了实验经验。7仿真Q1输出波形如图9所示。（图中实际有两条线，一条输入UI，一条输出UQ1,二者几乎完全重合，因而只能看到一条线。）图9Q1输出仿真波形Q2输出的仿真波形如图10所示。图10Q2输出仿真波形Q3输出的仿真波形如图11所示。图11Q3输出仿真波形Q4输出波形如图12所示。图12Q4输出仿真波形整体输出波形如图13所示。图13AGC输出仿真波形8所用元器件及仪器清单元器件清单如下。元器件标号参数个数电阻R12201电阻R21M1电阻R32K1电阻R427K1电阻R52K1电阻R6300K1电阻R7430K1电阻R815K1电阻R95601电阻R1015K1电阻R1127K1电阻R121001电阻R133901电阻R141K1电阻R1515K1电阻R1651K1电阻R1718M1电阻R183301电阻R1933K1电容C133UF1电容C2100UF1电容C32200UF1电容C4022UF1电容C5220UF1电容C6100UF1电容C733UF1电容C810UF1电容C91000UF1电容C101000UF1二极管D11N41481二极管D21N41491晶体管Q1NPN80501晶体管Q2NPN80501晶体管