电子电路综合设计实验

实验5  自动增益控制电路的设计与实现实验报告

信息与通信工程学院

班级：

姓名：XXX

学号：

班内序号：

一．课题名称

自动增益控制电路的设计与实现

二． 实验目的

1. 了解AGC的自适应前置放大器的应用。

2. 掌握AGC电路的一种实现方法。

3. 提高独立设计实验和验证试验的能力。

三． 摘要

1. 目的：

针对处理模拟信号时，经常遇到的通信信道或传感器衰减幅度大幅变化的情况，以及某些情况下不可预知的信号导致数据丢失的问题，设计并实现了自动增益控制电路。

2. 方法：

使用短路双极晶体管进行小信号控制的方法，实现AGC的自适应前置放大器，使增益能随信号强弱而自动调整。

3. 结果：

输入信号在0.5~50mvrms间变化时，输出信号稳定在1v左右，完成了预期结果。

关键词：自动增益控制，短路双极晶体管，检波整流器。

四．  设计任务与要求

1、基本要求：

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0.5～50mVrms；

输出信号：0.5～1.5Vrms；

信号带宽：100～5KHz；

2） 设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完整的电路原        理图（SCH）及印制电路板图（PCB）

2、提高要求：

1）设计一种采用其他方式的AGC电路；

2）采用麦克风作为输入，8Ω喇叭作为输出的完整音频系统。

3、探究要求：

1）如何设计具有更宽输入电压范围的AGC电路；

2）测试AGC电路中的总谐波失真（THD）及如何有效的降低THD。

五．设计思路和总体结构框图

原理

    在处理输入的模拟信号时，经常会遇到通信信道或传感器衰减强度大幅变化的情况；另外，在其他应用中，如监控系统中的多个相同传感器返回的信号中，频谱结构和动态范围大体相似，而最大波幅却相差很多。此时，可以使用带自动增益控制的自适应前置放大器，使其增益应能随信号强弱而自动调整，以保持输出相对稳定。

    AGC电路的实现有反馈控制、前馈控制和混合控制等三种，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，本实验中电路采用了短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法，从而简单而有效的实现AGC功能。

    在下图1中，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。

图表 1 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2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。

图表 2  VI特性曲线图显示短路晶体管相应的微分电阻图

将上述AGC电路与一个放大电路相接，互相配合，即可以达到一个实现自动增益控制的放大电路。在本实验中采用一个8050型三极管和一个8550型三极管进行直流耦合互补级联提供大部分电路电压增益，并且利用一个8050型三极管作为缓冲极输入，一个8050型三极管作为射极跟随器输出。

设计思路

1）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。如下图，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。可变电阻采用基极-集电极短路方式的双极性晶体管微分电阻实现为改变Q1电阻，可从一个由电压源Vreg和大阻值电阻R2组成的直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.

                      I

反馈式AGC            由短路三极管构成的衰减器

2）      对正电流的I所有可用值，晶体管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。短路晶体管的V-I特性曲线非常类似与PN二极管，符合肖特基方程，除了稍高的直流电压值外，即器件电压的变化与直流电流变化的对数成正比。

3）输入信号VIN驱动输入缓冲极Q1，中间互补级联放大电路Q2、Q3提供大部分电压增益，通过负反馈网络回到放大级的输入端。Q6构成衰减器的可变电阻部分，D1、D2构成一个倍压整流器。它从输出级Q4提取信号的一部分并为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AGC的开始时间，电阻R17决定AGC的释放时间。

4）倍压整流原理：

   

在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。倍压整流，可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。倍压整流电路一般按输出电压是输入电压的多少倍，分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路。

电路工作中，当二极管D3导通，D4 截止，电流经过D3 对电路中的电容充电，将电容C11上的电压充到接近加在D3上电压的峰值，并基本保持不变；

当加在C11上的电压反向时，二极管D4导通，D3截止，此时，加在C11上的反向电压继续通过D4对电容C11充电，充电电压峰值为加在D4两端的电压峰值。

如此反复充电，C11上的电压就基本上就维持在加在D3、D4上的交流电压峰值两倍。故称为倍压整流电路。

总体结构框图

六．分块电路与总体电路的设计

分块电路

（1）输入缓冲极，其设计电路图如图3所示；

输入信号V_IN驱动缓冲极Q₁，它的旁路射极电阻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。

R_D1≈r_be+(1+βr_ce/r_be)(R₃//r_be)  （1）

②由于R3未旁路，使Q₁电压增益降低至：

A_Q1=－βR₄/〔r_be+(1+β)R₃〕≈－R₄/ R₃  (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。

④Q₁的基极微分输入电阻升至R_dBASE=r_be+(1+β)R_3，与只有r_be相比，它远远大于Q₁的瞬时工作点，并且对其依赖性较低。

 

图表 3输入缓冲极电路图

（2）直流耦合互补级联放大部分，电路图如图4所示；

该部分利用直流耦合将Q₂与Q₃进行级联，构成互补放大器，在电路中对信号起到大部分的放大作用。

图表 4  直流耦合互补级联放大部分电路

（3）输出极，电路图如图5所示；

Q₄作为射极跟随器作为输出端，R₁₄将Q₄与信号输出端隔离开来。

图表 5  输出极

（4）自动增益控制部分（AGC），电路图如图6所示，并且在该图基础上加上R₄构成。

其中R₄构成可变衰减器的固定电阻，类似于图1中的电阻R₁，而Q₆构成衰减器的可变电阻部分。Q₅为Q₆提供集电极驱动电流，Q₅的共射极结构只需要很少的基极电流。电阻R₁₇决定了AGC的释放时间。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。电阻R₁₅决定了AGC的开始时间。当输入信号变大时，输出跟着增大，Q₆的微分电阻就会跟这变小，输入进入放大级的信号就会变小，是输出减小；反之输入变小时，输出自动变大。从而实现自动增益控制功能。

图表 6  AGC

总体电路

最终设计的总体电路图如下：

电路参数如图中标示，输入信号为0.5～50mVrms，信号带宽为100～5KHZ（在5K～6KHz时也可以达到要求）

图表 7  完整AGC电路图

七、所实现功能说明

1、基本功能：

输入的信号范围在0.5～50mVrms时，经过输入缓冲级，直流耦合互补级联放大信号（提供大部分增益），经过射极跟随器，接输出端同时引反馈回去到放大级前端，反馈由具有倍压整流作用的D1、D2和可变衰减器，对不同的输入信号，反馈信号大小不一样，使经输入缓冲级放大电路放大的信号与反馈信号叠加，叠加后的信号幅度在很小的范围波动，再经过放大，使输出电压0.5～1.5Vrms，信号带宽满足覆盖100Hz～5KHz的要求，实现了自动增益控制。

 

2、直流电源：Vcc=12V

3、主要测试数据：

   调节增益时间：约为0.5s左右

4、测试方法：

（1）      输入端接输入信号，电压有效值0.5～50mV，频率在100Hz～5KHz，为得到不同  频率不同电压下的增益数据，采取单变量法测试，即保持一个变量不变，改变另一变量，使其在规定范围内按一定的步长变化，用示波器观察输入输出信号，使用交流毫伏表测量输入输出的信号电压的有效值，计算增益；

（2）具体测试过程如下：

保持输入电压有效值0.5mV，改变信号频率从100Hz变化到5KHz（为取得更多的数据，可以每次增大500Hz，多测数据；为测试电路的带宽，可以改变频率到更低和更高的值，使输出信号电压衰减到3dB处，测出上限截止频率），测量记录如上表格所示；

（3）    由测出的数据可以计算出增益，同时可见，再输入电压在规定的范围内大幅波     动时，输出电压在规定的范围内以很小幅度波动，即可认为输入在规定范围内变化时，输出不变，实现了自动增益控制的功能；

（4）          为了解反馈网络在自动增益控制电路中的作用，可以在反馈输出端接示波器通道来观察测量反馈输出信号，亦可把反馈引回的线去掉，用示波器观察测量没有反馈时的输出信号，记录测量的数据，分析可以看出反馈网络在该电路中举足轻重的地位，这也是该电路称为反馈式AGC的原因。

（5）   用示波器观察输入缓冲级（该实验中注释为Q1）的集电极输出波形，记录测量数据；把反馈去掉，同样观察测量Q1集电极的波形，对比可见，有反馈的时候Q1的集电极输出信号幅值基本为2mV，而无反馈的时候，Q1的集电极输出信号幅值为伏级上的，比有反馈的时候大的多，可见自动衰减的负反馈信号与经缓冲级放大的信号叠加，使信号维持在一个比较稳定的值。

（6）      测量倍压整流电路（D1、D2构成）的输出信号波形，增进对倍压整流器的工作      原理的理解。

经过以上步骤，自动增益控制电路的测试基本完成。

所搭建的面包板如下：

调试时的波形图：

（1）Vin=30mv,f=1kHz时

（2）Vin=50mv,f=1kHz

(3)Vin=5mv,f=3kHz

八．故障及问题分析

故障及问题：

（1）第一次连好电路测试时，发现无输出波形，且第一个三极管基极有电流，射极与集电极均无电流，于是便检查电路，并与同学交流，发现我对面包板横排格子内部连线理解错误，于是重连。

（2）第二次连好以后，有输出波形，但有一定的失真，且增益不够，于是便再次检查电路，发现一个三极管接反了，及时调换过来，结合实验原理，更换了R3，增益符合要求，又更换了二极管，失真现象消失了，便得到了清晰且稳定的波形。

九．总结和结论

1.实验总结：

1.1本实验是一次综合性实验，要求我们自己设计并搭建电路，既考察了对电子电路基础知识的理解，有考验了动手能力。设计电路时要求我们对实验原理有深刻的理解。只有理解了实验原理在调试时才能迅速检查并解决故障。

1.2在搭电路板时，一定要对面包板内部结构有清楚准确的认识，才能避免不必要的错误。并且由于元件较多，需要事先布局。

1.3 在测试之前，要认真检查电路，确保电路的正确性。对于此实验中的复杂电路，可以从晶体管入手，看其三个管脚连接是否正确。

1.4实验中若得到的结果与预期不同，要冷静分析，清楚每个模块的功能，再根据为达到的要求修改电路。

十．PROTEL绘制的原理图

电路图

PCB生成图

十一．所用元器件及测试仪表清单

元器件清单

测试仪表清单

十二．参考文献

1. 北京邮电大学电路中心 《电子电路综合设计实验教程》

2. 刘宝玲 主编《电子电路基础》高等教育出版社

3. 北京邮电大学电路实验中心网站 网址：http://cclab.see.bupt.cn/

第二篇：AGC电路

一种结构简单性能优良的AGC电路

短波数字通信系统中接收机的AGC电路采用AD603可变增益放大器结合简单的AGC控制电路来实现，具有较高的增益，动态范围达70dB，频带宽度为90MHz，且电路结构相当简单。

短波接收机在接收信号时，由于电离层的变化、衰落和接收信号条件等不同，其输入端信号电平在很大范围内变化。而接收机的输出功率是随外来信号的大小而变化的，接收机的输出端会出现强弱非常悬殊的信号功率。为此，短波接收机中非常强调自动增益控制(AGC)电路。AGC电路是一种在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化的自动控制电路。AGC的基本原理是产生一个随输入电平而变化的直流AGC电压，利用AGC电压去控制某些放大部件(如中放)的增益，使接收机总增益按照一定规律而变化。AGC电路主要由控制电路和被控电路两部分组成。控制电路就是AGC直流电压的产生部分，被控电路的功能是按照控制电路所产生的变化着的控制电压来改变接收机的增益。

目前，在短波接收机中放大器增益的控制方法主要有两种。一种是改变放大器本身的参数，使增益发生变化，典型的是采用双栅场效应管，通过改变其中某一栅的直流偏置电压使增益发生变化；另一种是在放大器级间插入可变衰减器，控制衰减量，使增益发生变化，典型的是各种集成的可变增益放大器，本文讨论的AGC电路就是采用ADI公司的AD603可变增益放大器结合简单的AGC控制电路来实现的。要求增益大于50dB，AGC动态范围大于65dB，输出信号电平基本稳定在-10dBm。

AD603

工作原理

表1：AD603引脚功能

AD603是低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11～+30dB时的带宽为90MHz，增益在+9～+41dB时具有9MHz带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。该集成电路可应用于射频自动增益放

大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统，简化原理框图如图1

所示。

图1：AD603的原理框图

AD603由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。图中加在梯型网络输入端(VINP)的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值VG有关，由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50MΩ，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。以上特点很适合构成程控增益放大器。图1中的“滑动臂”从左到右是可以连接移动的。当VOUT和FDBK两管脚的连接不同时，其放大器的增益范围也不一样。

当脚5和脚7短接时，AD603的增益为40Vg+10，这时的增益范围在 -10～30dB，本文的设计就是这样应用的。当脚5和脚7断开时，其增益为40Vg+30，这时的增益范围为10～50dB。如果在5脚和7脚接上电阻，其增益范围将处于上述两者之间。

AGC电路工作原理及增益的分配和计算

● AGC电路工作原理

选用AD603作为主放大器，两片AD603采用顺序级联形式，充分发挥每一片AD603的增益控制功能。AGC检波由9018完成，9018同时送出AGC控制电压。完整的放大器及AGC电路如图2所示。

经两级AD603放大的信号，一路由J2送入下一级信号通道，另一路则由C10输入到9018用于AGC检波。9018的发射极PN结完成AGC检波，并由集电极经电容CAGC滤波后送出AGC控制电压VAGC。 输入信号增大时，9018的基极瞬时电流也增大，相应的集电极电流也跟着增大，从而R7两端的瞬时压降也增大，则集电极瞬时电压减小，经滤波后得到的VAGC也相应减小；同样，输入信号减小时，VAGC则会增大，即VAGC与输入信号的强度成反比，符合AGC电压反向控制要求。

AD603的2脚对地压降固定，1脚对地压降即为VAGC，从而1、2脚的电压差V12受VAGC的控制。AD603的增益可表示为：G=40·V12+10。由此可见，随着VAGC的增加，V12也增加，则AD603的增益变大；相反，若VAGC减小，V12也减小，则AD603的增益变小，从而使两级AD603的输出恒定在某个信号强度上。AGC时间常数的调整可以通过改变CAGC的容值来实现。

● AGC增益的分配和计算

两片AD603采用顺序级联模式有利于控制精度和信噪比的提高。而顺序级联模式要求在放大信号时先启用第一片AD603的增益，用尽后再用第二片的增益。由AD603的增益计算公式可知，当V12在-500～

500mV之间时，其增益在-10～30dB范围内变化，则两片AD603的V12之间应有1V的电压差，反应在图2中，即两片AD603的2脚之间有1V

的压降。

图2：放大器及AGC电路

根据实际设计应留有一定的余量。将第一片AD603的增益范围定为 -6～30dB，则相应的V12为-400～500mV，而其2脚已固定在5.5V，故1脚的控制电压即VAGC应为5.1～6V。第二片AD603的增益范围定为-10～24dB，则相应的V12为-500～350mV，而其2脚已固定在6.5V，故1脚的控制电压即VAGC应为6～6.85V，两片顺序级联后的总增益范围为-16～54dB，如图3所示。

图3：AGC增益分配情况

由以上分析可知，当AGC控制电压VAGC从5.1V到6.85V变化时，两级AD603的总增益将从-16dB到54dB线性增加。现在需要做的是调整9018的工作点，使得当输入信号适当变化时，能够从9018的集电极取出从5.1V到6.85V变化的AGC控制电压VAGC。由图2可以看出，VAGC的大小取决于R7的阻值和集电极电流的大小。

在无信号输入时，调整9018的静态工作点，使9018发射极的PN结处于近似截止状态，并调整R7的阻值使得VAGC为6.85V，此时两级AD603的增益全部放开，即54dB；当有信号输入，但其信号强度尚不能使9018发射极的PN结导通时，AGC处于失控状态，输出信号将随着输入信号强度的增大而增大；当信号强度足以使9018发射极的PN结导通时，9018处于AGC检波状态，此时AGC开始起控，VAGC大约以25mV/dB的速率下降，直至下降到5.1V。对应的两级AD603的增益也开始逐渐从54dB下降到-16dB，先是第二级AD603的增益逐渐从24dB下降到-10dB，然后第一级AD603的增益也开始逐渐从30dB下降到-6dB。此时，AGC进入饱和点，输入信号强度再增大时，AGC已失去控制作用，输出信号又将随着输入信号强度的增大而增大。这就是AGC的整个控制过程，即随着输入信号强度的不断增大，AGC将历经失控、开始起控、进入饱和、再次失控的控制过程。

● AGC起控点与饱和点的选取和计算

AGC起控点与饱和点的选取应根据具体的应用来计算。假设要求信号经AGC放大后，其信号强度稳定在W(dBm)，AGC增益范围为Ga～Gb(dB)，则AGC起控点电平(dBm)为W-Gb；AGC饱和点电平(dBm)为W-Ga。在应用中，要求信号经两级AD603的放大后，其信号强度基本稳定在-10dBm，而AGC增益范围为-16～54dB，因此AGC起控点电平应为-10-54=-64(dBm)；AGC饱和点电平应为-10-(-16)=6(dBm)。故此AGC所能处理的信号的动态范围为-64～6dBm，共70dB。

AGC起控点的调整可通过改变R5的阻值来实现。事实上，改变R5的阻值也就是调整9018发射极的PN结压降。此PN结用于AGC检波时，其压降大约被偏置在500～700mV之间。假设在工作过程中此PN结的瞬时压降为600mV时，AGC开始起控，又假设要求的AGC起控点电平为-30dBm(20mV)，那么，可以通过调整R5的阻值使得此PN结被偏置在580mV，则当输入信号电平达到20mV时，此PN结的瞬时压降为600mV，AGC开始起控。以上只是定性的近似分析，在实际电路的实现中，要根据测量结果，反复调整R5的阻值，才能满足AGC起控点的要求。当然，AGC起控点有一个下限。就图2所示AGC控制电路来

讲，其AGC控制下限取决于9018发射极PN结压降的调整精度，经实际测量，此值大约在100μV(-76dBm)左右。

实验数据

图4：AGC测试框图

将整个电路按图4所示连接进行闭环测试。在测试过程中，通过调整HP-8920A的可变衰减器来改变输入信号强度的大小，输出信号强度由HP-E4405B观测，同时，通过万用表测试VAGC的电压值，测试数据如表2

所示。

表2：AGC测试数据

由表2的测试数据可以看出，输入信号强度从-64dBm到6dBm变化时，AGC控制电路能够相应地调节AGC控制电压VAGC的大小，从而改变AD603的增益，使其输出信号强度基本稳定在-10dBm，整个控制范围在70dB以上，满足设计要求。