自动增益控制（AGC）电路的设计

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自动增益控制（AGC）电路的设计

摘 要：自动增益控制电路是在输入信号幅度变化较大时，能使输出信号幅度稳定不变或限制在一个很小范围内变化的特殊电路，简称为AGC电路。自动增益控制（AGC）电路是无线电接收设备中的重要电路，用来保证接收幅度的稳定，已广泛用于各种接收机、录音机和信号采集系统中，另外在光纤通信、微波通信、卫星通信等通信系统以及雷达、广播电视系统中也得到了广泛的应用。本文主要研究了音频信号的自动增益控制电路原理，设计出两种不同的AGC电路，并进行了仿真与分析。

关键词：自动增益控制; 场效应管; 运算放大器

The Design of Automatic gain control circuit

Abstract：The Automatic Gain Control circuit, abbreviated AGC, is one special circuit. It can make the output signal amplitude constant or limit its change in a very small range, when the input signal amplitude changes. The Automatic Gain Control (AGC) circuit is an important circuit in the radio receiving equipment, and is used to ensure the stability of the receiver amplitude. Now it has been widely used in all kinds of receivers, tape recorders and signal gathering systems, and also has been used in communications system radar, the broadcast television system as well as optical fiber communications, microwave communications and satellite communications in recent times. This paper mainly studies the theory of the AGC circuit, discusses two different AGC circuit, and finally gives the simulation and analysis.

Key words：Automatic Gain Control; FET ; Operational Amplifier

引言

随着微电子技术、计算机网络技术和通信技术等行业的迅速发展，自动增益控制电路越来越被人们熟知并且广泛的应用到各个领域当中。自动增益控制线路，简称AGC线路，A即AUTO（自动），G即GAIN（增益），C即CONTROL（控制）。AGC是输出限幅装置的一种，是利用线性放大和压缩放大的有效组合对输出信号进行调整，在输入信号幅度变化较大时，能使输出信号幅度稳定不变或限制在一个很小范围内变化。使得接收机不至于因为输入信号太小而无法正常工作，也不至于因为输入信号太大而发生饱和或堵塞。在电路设计中，这种线路被大量的运用，从尖端的雷达技术到日常的广播电视系统，自动增益控制无疑很好的解决了各种技术中存在的信号强度问题。目前，实现自动增益控制的手段有很多，在本文中，我们主要讨论了两种简单的适用于低频段小信号处理系统的AGC电路：一种是将运算放大器与结型场效应管结合，利用结型场效应管工作在可变电阻区来实现自动增益控制的目的；另一种是短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法，简单有效地实现AGC功能。

一．自动增益控制

1．1自动增益控制的基本概念

接收机的输出信号取决于输入信号和接收机的增益。由于各种原因，接收机的输入信号变化范围往往很大，信号弱时可以是一微伏或几十微伏，信号强时可达几百毫伏，最强信号和最弱信号相差可达几十分贝。这个变化范围称为接收机的动态范围。

影响接收机输入信号的因素很多，例如：发射台功率的大小、接收机离发射台距离的远近、信号在传播过程中传播条件的变化(如电离层和对流层的骚动、天气的变化)、接收机环境的变化(如汽车上配备的接收机)，以及人为产生的噪声对接收机的影响等。

为了防止强信号引起的过载，需要增大接收机的动态范围，这就要有增益控制电路。能够使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的控制电路，简称自动增益控制AGC (Automatic Gain Control)电路，它能够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，不至于因为输入信号太小而无法正常工作，也不至于因为输入信号太大而使接收机发生饱和或堵塞。

现在，AGC电路已广泛用于各种接收机、录音机和信号采集系统中，并且在光纤通信、微波通信、卫星通信等通信系统以及雷达、广播电视系统中也得到了广泛的应用。

AGC电路目前概括起来有模拟AGC和数字AGC电路。AGC环路可以放在模拟与数字电路之间，增益控制算法在数字部分来实现，合适的增益设置反馈给模拟可变增益放大器（VGA）。现在的自动增益控制方法可以分为以下3类：基于电路反馈的自动增益控制；基于光路反馈的自动增益控制；光路反馈和电路反馈相结合的自动增益控制。本文中研究的是基于电路反馈，利用放大器实现的自动增益控制。

1．2自动增益控制的原理

自动增益控制电路的作用是：当输入信号电压变化很大时，保持接收机输出电压恒定或基本不变。简单来说就是当输入信号很弱时，接收机的增益较大；当输入信号很强时，自动增益控制电路进行控制，使接收机的增益变小。这样，当接收信号强度变化时，接收机的输出端的信号基本不变或保持恒定。

为实现上述要求，必须有一个能随外来信号强弱而变化的控制电压或电流信号，利用这个信号对放大器的增益自动进行控制。我们设计的AGC 电路的基本原理是随着输入信号幅度的变化产生一个相应变化的直流电压(AGC 电压)，利用这一电压去控制一种可变增益放大器的放大倍数(或者控制一种可变衰减电路的衰减量)：当输入信号幅度较大时AGC 电压控制可变增益放大器的放大倍数减小(或者增大可变衰减电路衰减量)，当输入信号幅度较小时AGC 电压控制可变增益放大器的放大倍数增加(或者减小可变衰减电路衰减量)。这里，我们将AGC电压作用于结型场效应管的栅极，通过改变场效应管源漏极间的电阻来控制运算放大器的放大倍数，进而达到自动增益控制的目的。

本文设计的电路主要是应用于音频放大的前级电压放大，因此设计的电路需容纳的频带范围应较宽，以使语音信号能够无衰减地通过。由于语音信号的频带范围为300Hz-3400Hz,所以该电路所应设计的频带范围应包含300Hz-3400Hz区间，并且电路应该实现增益的闭环调节，通过此电路可以实现增益的自动调整，以至于使音频信号强时自动减小放大器的倍数，信号弱时自动增大放大器的倍数，从而实现音量的自动调节。

二. 自动增益控制电路设计

方案（一）：利用结型场效应管工作在可变电阻区，通过改变场效应管源漏极间的电阻来控制运算放大器的放大倍数，进而实现自动增益控制。

电路原理图为：

原理图中，输入信号经电阻 R1送往运放F1的同相输入端，二极管VD对运放 F1 的输出信号整流后，经过一个π形滤波电路得到一个负向的 AGC 电压，这一电压经运放 F2 放大后送往场效应管2N3821的栅极。

（1）当输入信号的幅值较大时，相应地得到了较大的 AGC 电压，运放 F2 输出较大的负压至场效应管2N3821的栅极，增大了场效应管 2N3821 的源漏极间的电阻，从而减小了运放 F1 的放大倍数。输入信号的幅度进一步加大时，场效应管 2N3821 的源漏极间的电阻也会进一步加大，使运放 F1 的放大倍数进一步减小；直至场效应管 2N3821 的源漏极被完全夹断，这时运放 F1 失去放大能力成了电压跟随器。

（2）反之，当输入信号的幅值较小时，AGC 电压也很小，运放 F2 输出AGC电压也较小，场效应管2N3821的源漏极问的电阻很低，使运放 Fl 得到较大的放大倍数，从而在 F1 的输出端可以得到幅值较大的信号。

我们试验时，F1、F2 采用了双运放电路LM358AD ，使用－12V 和 +12V 双电源工作，并采用了图中所示的元件参数搭建了电路。试验发现，当输入信号由 20mV 逐渐增加到 100mV 时，运放 F1 的输出信号都能基本稳定在 660mV 。

方案（二）：采用AD603可变增益放大器结合简单的AGC控制电路来实现自动增益控制，具有很好的效果。

电路原理图为：

原理分析：经两级AD603放大后的信号，一路由J2输出，另一路则由C10输入到三极管9018用于AGC检波。三极管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。

（1）输入信号增大时，三极管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。反馈到输入端1,2，经过自动增益调解减小增益，使输出稳定；

（2）反之，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。

通过试验我们发现，当输入信号在30mV 至 150mV 区间内，能够实现AGC功能；分析信号的频率影响发现，该电路具有较好的频率响应。

三. 自动增益控制电路仿真与分析

方案一 仿真电路图为：

输入30mV时，输出为659mV，波形如下：

AGC电压放大前波形为：

AGC电压放大后为：

输入70mV时，输出为653mV，波形如下：

AGC电压放大前波形为：

AGC电压放大后为：

当输入信号在20—100mV时，输出稳定在660mV左右；当输入信号大于120mV时，场效应管 2N3821 的源漏极被完全夹断，这时运放 F1 失去放大能力成了电压跟随器。分析信号的频率响应发现，在输入信号频率大于100Hz小于10kHz时，能够较好的实现AGC。

综上，该电路能够较好地实现音频信号的AGC功能。

方案二 仿真电路图为：

（1）输入余弦信号Vpp为150mv时，输出信号波形为：

AGC电压波形为：

（2）输入余弦信号Vpp为30mv时，输出信号波形为：

AGC电压波形为：

对比150mv输入，AGC电压增大，输出电压基本不变，符合自动增益调节的要求。

（3）当输入电压有效值在10mV~170mV间变化时，可以实现输出电压的基本稳定。分析信号的频率响应发现，在较宽的频率范围内（约为50Hz至20kHz）该电路都能能够较好的实现AGC功能。

综上，该电路能够很好地实现音频信号的AGC功能。

结论

方案一、方案二比较

方案一、二均能实现音频信号的AGC功能，方案一的电路比较简单，易于实现，但是能够实现AGC功能的输入信号电压范围比较窄，适合作为学生模电实验课的实验电路；方案二电路复杂，但是原理清晰，采用单电源供电，而且输入信号电压范围广，频率响应好，输出电压稳定性好，是现在短波数字通信系统中接收机常用的AGC电路。

结论

综合分析各指标得出方案二优于方案一的结论，我们将方案二确定为最终的AGC电路方案。

参考文献：

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