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基于LMH6505的中频信号调理电路设计
陈磊,黄峰
摘要:为了改善数字接收机的动态范围,较常见的解决方法是在其前级增加信号调理单元。这里给出一种采用宽带可变增益放大器LMH6505为核心器件实现的具有自动增益控制功能的信号调理电路。与使用专用自动增益控制器件的设计相比,该信号调理电路更适用于中频信号处理。
Abstract:
Key words :

1 引言
字接收机对输入模拟信号的要求往往要比模拟接收机更严格,除了频率方面有限制外,为了提高A/D 数据采集的精度,还要求输入信号的幅度既不能过大,也不应过小。因此为了改善数字接收机的动态范围,较常见的解决方法是在其前级增加信号调理单元。这里给出一种采用宽带可变增益放大器LMH6505为核心器件实现的具有自动增益控制功能的信号调理电路。与使用专用自动增益控制器件的设计相比,该信号调理电路更适用于中频信号处理。

2 自动增益控制原理
自动增益控制AGC(Auto Gain Control),即在信号幅度变化较大的情况下,通过调整电路放大系数来保持输出信号幅度恒定或基本不变。图1为自动增益控制的一种实现方法。

输出信号Sout反馈至比较器,与期望输出相比较,其误差e被送至检波器。若Sout与期望输出相等,则检波器输出值Sf不变;若Sout小于期望输出,则检波器输出作相应变化,通过反馈控制使可变增益放大器的增益增大,从而增大Sout的幅度,反之亦然。放大器可将Sf的范围调整至可变增益放大器反馈端口要求的电压范同内,可放大,也可分压。其中检波后的输出信号Sf经低通滤波后再放大,从而滤除增益控制信号中无需的高频分量。

3 信号调理电路设计
该信号调理电路作为AD6645数据采集器件的前级,要求输入信号幅度为0~5 V,输出信号带宽为30 MHz,幅度在1 V以内并尽量接近1 V,-3 dB增益范同大于40 dB。根据以上要求,输入信号首先经交流耦合送至AGC模块的输入端,将幅度调整至0.9 V左右,再经射极跟随器隔离,送至截止频率为30 MHz的四阶巴特沃思低通滤波器,最后输出至AD6645,该电路的所有运放均采用±5 V的供电电压。

3.1 可变增益放大器LMH6505
可变增益放大器LMH6505是一款高动态范围的低功耗宽带高速放大器,该器件增益可调整范围为80 dB,低增益时的-3 dB带宽为150 MHz,压摆率为1 500 V/μs,在无负载的条件下输出电流典型值仅为11 mA,能够适应一般中频信号接收机对自动增益控制电路的要求。图2为LMH6505的引脚配置。

3.2AGC电路设计
图3为AGC模块的电路图。中频输入信号Vin首先送至LMH6505的输入端,经放大后的信号Vout从输出端输出;同时Vout经肖特基二极管VDI 整流后送至积分检波器的输入负端-IN,积分器正端+IN接参考电平Vref因为积分器的实际输入为两输入端的电压差,故调整Vref令其等于期望输出信号幅度减去二极管VDI上的压降,即可完成上述比较功能。这里积分器中运算放大器选用超宽带运放LMH6609,以满足对反馈电路频率特性的要求;适当调整积分电路C1与R3的值,令其时间常数满足输出信号的频率要求,积分器输出的电压便会趋向于一稳定值,再绎R1与R2分压调整,直接送至LMH6505 的电压控制端,从而完成闭环反馈。

LMH6505的应用电路中,输入信号Vin的最大幅度与Rg成正比,是Rg的±7.4倍,Rf 用来调整LMH6505的增益范围,最大增益为Rf/Rg的0.94倍。由此看出,涮整实际增益范围受Rf与Rg的共同约束。当输入大信号时,Rg值需也较大,若此时需要最大增益较大,则又使Rf更大。经实际测量,Rf值大于50 kΩ会导致LMH6505的反馈电流过小,使整体增益系数急剧下降,并增大输出的直流偏置,故当要求较宽的动态范围时,LMH6505更适用于仅包括输入弱信号放大或输入大信号衰减的系统。

3.3 低通滤波器电路设计
由于截止频率较高,并考虑到设计成本与器件体积问题,该设计选用双通道宽带运放 LMH6715构建四阶巴特沃思有源低通滤波器,如图4所示。图4中LMH6715_A与LMH6715_B实际集成在一起。由于信号在前级已经过自动增益控制处理。故该滤波器通带增益为1,经验证该滤波器通带波纹为50 dB,-3 dB截止频率为29.8 MHz,阻带衰减为40 dB,满足设计需求。

4 仿真结果分析
该电路经过PSPICE仿真,在输入频率为10 MHz,幅度为0.1 V的正弦波时,输入/输出波形如图5所示;在输入频率为30 MHz,幅度为4 V的正弦波时,输入/输出波形如图6所示。可以看出,输出信号的幅度基本稳定在0.9 V,中频下闭环增益可调范围大于30 dB,由于后级连接隔直电容,输出的暂态时间约为400 ns,实际增益调整暂态时间约70 ns。在信号带宽10 MHz情况下闭环增益可调范围大于40 dB,电路增益带宽积为500 dBMHz,二次谐波比大于40 dB。

5 结束语
该信号调理电路经实际信号采集系统验证,能够将中频信号输入幅度调整至期望值,与仿真结果相符,扩大了A/D转换器的输入电压范围,提高了A/D采样精度。因此,该电路具有良好的稳定性,能够适应常见的中频信号采集。

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