模拟控制式和数字控制式VGA（一）可变增益放大

本指南将重点讨论适合通信系统的VGA。VGA是否适合通信系统取决于这些参数是否满足系统性能。文中将探讨模拟控制式和数字控制式VGA。

　　自动增益控制(AGC)系统中的可变增益放大器(VGA)宽带、低失真可变增益放大器在通信系统中应用非常广泛。例如，无线电接收机中的自动增益控制(AGC)，如图2所示。通常，由于传播路径存在差异，接收到的能量表现出很大的动态范围，需要在接收机内进行动态范围压缩。

　　这种情况下，所需信息蕴含在调制包络中(无论采用何种调制模式)，而不是载波的绝对幅度。例如，1MHz的载波被调制到1kHz上，调制深度为30%，不管接收到的载波电平是0 dBm还是–120 dBm，传递的信息都是相同的。存在较大输入变化时，通常会在接收机内利用某种类型的自动增益控制(AGC)功能，将载波幅度调整到某个归一化参考水平。AGC电路用作动态范围压缩器，能够在多个载波周期的间隔内响应某个信号衡量指标(通常为幅度平均值)。

　　因此，它们需要时间来根据接收信号电平差异做出调整。利用峰值检波方法可以缩短信号电平突然提高所需的响应时间，但稳定性会受到一定损害，因为瞬态噪声尖峰现在可以激活AGC检测电路。非线性滤波和“延迟AGC”概念对于优化AGC系统很有用。实践中有很多折衷考虑。

　　图1：通信系统中的动态范围参数

　　图2：典型的自动增益控制(AGC)系统

　　值得注意的是，一个AGC环路实际上有两路输出。当然，较为明显的输出是幅度稳定信号。不太明显的输出则是VCA的控制电压。实际上，此电压衡量输入信号的幅度平均值。如果系统经过精确调整，则控制电压可用于衡量输入信号，有时也称为“接收信号强度指示(RSSI)”。给定适用的精密VCA增益控制法则，利用后面这点便可以实施针对输入信号电平进行校准的接收系统。

　　压控可变增益放大器

　　ADL5391等模拟乘法器可以用作可变增益放大器，如下面图3所示。控制电压施加于其中一路输入，信号则施加于另一路输入。采用这种配置时，增益与控制电压成正比。

　　图3：将乘法器用作压控可变增益放大器

　　对于大多数采用模拟乘法器构建的VCA，其增益与以V为单位的控制电压成线性关系，而且往往存在噪声。但是，所需的VCA能够将宽增益范围与恒定带宽和相位、低噪声与大信号处理能力以及低失真与低功耗相结合，同时提供精确、稳定的线性dB增益。X-AMP™系列可以利用一个独特而精致的解决方案(针对指数放大器)实现这些非常严苛且相互冲突的目标。概念非常简单：固定增益放大器后接通过特殊方式利用电压来控制其衰减的无源宽带衰减器(见图4)。

　　图4：X-Amp框图

该放大器具有优秀的低噪声性能，负反馈则用于精确定义其较高增益(约30至40 dB)并将失真降至最低。由于该放大器的增益是固定的，因此其交流和瞬变响应特性也是不变的，包括失真和群延迟;由于其增益较高，因此其输入永远不会由超过数毫伏的电压驱动。因此，该器件始终工作在其小信号响应范围内。衰减器是一个7级(8抽头)R-2R梯形网络。所有相邻抽头之间的电压比都正好为2，即6.02 dB。这为实现精密线性dB特性奠定了基础。总体衰减为42.14 dB。如图所示，该放大器的输入可以连接到这些抽头中的任意一个，甚至可以在这些抽头之间进行插值，而且偏差很小，只有约±0.2 dB。总增益的变化范围是固定增益(最大值)到比最大值小42.14 dB的值。例如，在AD600中，固定增益为41.07 dB(电压增益为113);使用此选项时，整个增益范围为–1.07 dB至+41.07 dB。该增益与控制电压之间的关系为GdB = 32VG + 20，其中VG的单位为伏特(V)。VG = 0时的增益经过激光调整至绝对精度±0.2 dB。增益调整比例由片上带隙基准电压源(由两个通道共享)决定，该电压源经过激光调整以获得高精度和低温度系数。图5所示为AD600和AD602的增益与差分控制电压之间的关系。

　　图5：X-Amp传递函数

　　为了了解X-AMP™系列的工作方式，请考虑图6所示的示意图。请注意，八个抽头各自均连接到八个双极性差分对(用作由电流控制的跨导(gm)级)之一的一个输入端;所有这些gm级的另一个输入端则连接到放大器用于决定增益的反馈网络RF1/RF2。当发射极偏置电流IE被送至8个晶体管对之一(此处未显示具体方式)时，它成为完整放大器的输入级。

　　图6：X-Amp原理示意图

　　当IE连接至左侧的对时，信号输入直接连接到放大器，从而产生最大增益。凭借良好的开环设计并辅以负反馈，使得即使在较高频率条件下，失真也非常低。如果IE现在被突然切换至第二对，那么总增益会下降正好6.02 dB，而由于只有一个gm级保持有效，因此失真仍旧会很低。

　　在现实中，偏置电流会“逐渐”从第一对传递到第二对。当IE在两个gm级之间均衡分配时，这两个级都激活;当运算放大器中的两个输入级争抢环路控制(其中一个获得完整信号，而另一个获得刚好一半信号)时，就会出现这种情况。

　　分析表明，有效增益会减少20 log1.5(即3.52 dB)，而不是大家首先预想的3 dB。在整个范围内均衡分配时，该误差相当于±0.25 dB的增益纹波;不过，插值电路实际上会生成偏置电流的高斯分布，有些IE始终在相邻级中流动。这使得增益函数更加平滑，并真正地减少纹波。随着IE逐渐向右移动，总增益会逐渐下降。X-AMP™折合到输入端的总噪声为1.4 nV/Hz，仅略大于100 电阻的热噪声(25°C时为1.29 nV/Hz);折合到输入端的噪声是恒定的，而不受衰减器设置影响，因此输出噪声始终是恒定的且不受增益影响。

　　图7总结了很多X-AMP系列的特性。