基于調(diào)制器和放大器實(shí)現(xiàn)ALC環(huán)路電路的設(shè)計(jì)

引言

自動(dòng)電平控制（auto Level control，ALC）的作用是當(dāng)輸入電平在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電平恒定不變，即當(dāng)輸入信號(hào)功率很不穩(wěn)定或者有較大變化時(shí)，經(jīng)過(guò)ALC環(huán)路穩(wěn)幅后，輸出信號(hào)的功率值都會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)恒定的幅度值上。為保證整機(jī)輸出功率穩(wěn)定，在射頻放大器電路中設(shè)置ALC環(huán)路電路尤為必要。本文設(shè)計(jì)的這款電路主要用于信號(hào)源后端輸出，可滿足帶寬為0.25～1 000MHz的射頻信號(hào)穩(wěn)幅輸出要求，同時(shí)具有20 dB動(dòng)態(tài)范圍、最大輸出功率滿足+13 dBm±1.5 dB的功能。當(dāng)前很多ALC環(huán)路電路設(shè)計(jì)都很復(fù)雜、電路龐大、設(shè)計(jì)成本高，而本文介紹的這款A(yù)LC穩(wěn)幅環(huán)路，在滿足指標(biāo)要求的前提下，盡量使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，電路簡(jiǎn)化，具有很高的性價(jià)比。

1 基本原理

ALC環(huán)路框圖如圖1所示。ALC穩(wěn)幅環(huán)路由調(diào)制器、RF放大電路、功分電路、檢波電路、求和運(yùn)放電路、參考預(yù)置電路等幾部份組成，它們構(gòu)成負(fù)反饋環(huán)路。RF射頻信號(hào)輸入到調(diào)制器，經(jīng)RF射頻放大電路放大，為保證穩(wěn)幅功率值，最大功率要大于穩(wěn)幅功率值，并有一定余量，RF射頻放大電路采用兩級(jí)功率放大的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大；RF射頻信號(hào)經(jīng)RF射頻放大電路放大后，定向耦合器按比例耦合出部分功率，經(jīng)檢波器后產(chǎn)生一個(gè)檢波電壓，與預(yù)置參考電壓進(jìn)行求和積分運(yùn)算，求和電路輸出電壓反饋控制電調(diào)衰減器，組成負(fù)反饋環(huán)路，使微波信號(hào)功率恒定輸出。設(shè)定一個(gè)參考預(yù)置電壓，經(jīng)求和運(yùn)放電路后，形成一個(gè)負(fù)反饋電壓，負(fù)反饋電壓控制調(diào)制器衰減量。RF信號(hào)經(jīng)調(diào)制器衰減后，部分功率按比例功分到檢波電路，經(jīng)檢波器后產(chǎn)生一個(gè)檢波電壓，與預(yù)置電壓求和。當(dāng)檢波電壓大于預(yù)置電壓時(shí)，即RF功率大于預(yù)置功率，經(jīng)求和電路后，負(fù)反饋電壓變小，調(diào)制器衰減量變大，RF功率變小，直至求和電路平衡，RF功率穩(wěn)定；當(dāng)檢波電壓小于預(yù)置電壓時(shí)，即RF功率小于預(yù)置功率，經(jīng)求和電路后，反饋電壓變大，調(diào)制器衰減量變小，RF功率變大，直至求和電路平衡，RF功率穩(wěn)定。利用求和積分電路平衡性，組成負(fù)反饋ALC環(huán)路，可使輸出RF信號(hào)保持恒定。為保證整機(jī)輸出功率穩(wěn)定不變，ALC取樣電路應(yīng)設(shè)置在整機(jī)輸出端。為充分利用各級(jí)放大器晶體管的使用效率，不致因輸入信號(hào)的變化或其他因素引起放大器的增益變化而使放大器進(jìn)入非線性狀態(tài)，在保證整機(jī)噪聲系數(shù)的前提下，要求把受控電路置于輸入端，使增益環(huán)路加大，控制靈敏度提高。

由于從取樣到受控電路進(jìn)入控制狀態(tài)需要一定時(shí)間，雖然時(shí)間較短，但當(dāng)輸入信號(hào)或放大器的增益發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)使放大器進(jìn)入非線性狀態(tài)，尤其對(duì)末級(jí)放大器的影響最為嚴(yán)重。末級(jí)放大器所選用大功率晶體管的線性輸出功率都不太富裕，只能滿足額定輸出功率下的線性要求，在輸入信號(hào)變化較大的情況下，還有可能擊穿大功率晶體管的基射結(jié)。因此，在設(shè)計(jì)整機(jī)的自動(dòng)電平控制電路時(shí)，不僅要考慮到輸入信號(hào)的影響，而且還要考慮通道增益的變化。

2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)制器設(shè)計(jì)

2.1.1 調(diào)制器的工作原理

PIN二極管是常用的調(diào)制器元件，當(dāng)PIN二極管處于正向?qū)顟B(tài)時(shí)，電子從N層注入到I層，空穴從P層注入到I層。由于I層中存在復(fù)合現(xiàn)象，擴(kuò)散至I層的載流子濃度隨進(jìn)入I層的深度而降低。隨正向偏壓的增加，I層中空穴和電子濃度不斷提高，逐漸趨于大致相等的狀態(tài)，這時(shí)I層的電阻率大為下降，呈現(xiàn)一個(gè)小電阻，改變正向偏流可改變其電阻值。PIN二級(jí)管的電阻Rf與正向電流I的關(guān)系可用下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，得：

式中：I為正向電流（mA）；Ka為比例系數(shù)，與I層電阻率和總面積有關(guān)，一般在20～50之間。當(dāng)電流I在0～幾mA內(nèi)變化時(shí)，Rf在幾Ω～10 kΩ范圍內(nèi)變化。

正向偏置時(shí)，用作衰減器的PIN二極管I區(qū)很薄，I區(qū)的電導(dǎo)可用直流偏流來(lái)改變，使該器件成為一個(gè)隨偏流而變化的線性電阻。當(dāng)外加反向偏壓后，外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)一致，總的電場(chǎng)加強(qiáng)，空間電荷變寬。當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)，整個(gè)I層被耗盡，呈穿通狀態(tài)，此時(shí)二極管等效為一個(gè)小電容，阻抗很高，可視為開(kāi)路。

調(diào)制器利用PIN二極管的電阻變化范圍較寬，有一定的線性區(qū)域，在理想情況下，斜率為一常數(shù)，對(duì)射頻信號(hào)的衰減量進(jìn)行線性控制。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電平控制，必須利用這一特性使PIN二極管工作在其線性段，隨控制電壓的不同而調(diào)節(jié)RF射頻信號(hào)的衰減量，實(shí)現(xiàn)最終輸出功率的恒定。

2.1.2 調(diào)制器電路設(shè)計(jì)

由于RF射頻信號(hào)頻率覆蓋很寬（0.25～1 000MHz），這就要求帶寬較寬的調(diào)制器，本文選擇Agilent公司的器件HSMP3832（PIN二極管）作為調(diào)制器，它可在DC到4GHz頻率范圍內(nèi)具有良好的線性衰減特性。ALC環(huán)路調(diào)制器電路如圖2所示。由于HSMP3832單片有8 dB線性衰減動(dòng)態(tài)范圍，本文采用多管串連模式，通過(guò)4個(gè)管芯串連，整體可達(dá)到30 dB線性衰減的動(dòng)態(tài)范圍，這樣就可以滿足ALC環(huán)路20 dB穩(wěn)幅范圍的要求。

2.2 放大電路設(shè)計(jì)

RF射頻放大電路是本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，它的性能好壞對(duì)該系統(tǒng)至關(guān)重要。由于輸入信號(hào)頻率從250 kHz到1 GHz，頻帶很寬，這就要求放大器具有很好的帶寬；而考慮到其他部分的插入損耗及PIN管的衰減，在輸入RF射頻信號(hào)功率為+0 dBm±1.5 dB時(shí)，功率放大增益至少為18 dB才能保證輸出信號(hào)為+13 dBm，單級(jí)放大已經(jīng)無(wú)法滿足。本文選用兩級(jí)功率放大方式：前級(jí)放大器為低噪聲放大器，選擇PHILIPS公司的BFQ34；后級(jí)為中功率放大器，選擇了PHILIPS公司的LTE21009R。

2.2.1 前級(jí)放大電路設(shè)計(jì)

ALC環(huán)路前級(jí)放大器電路如圖3所示，BFQ34是一款高性能的放大器芯片，工作頻率從DC到4 GHz，典型增益為16.3 dB，壓縮點(diǎn)P1dB為26 dBm。GUM是放大器最大增益，如下所示：

2.2.2 后級(jí)放大電路設(shè)計(jì)

后級(jí)放大電路選用HILIPS公司的LTE21009R，LTE21009也是一款高性能的放大器芯片，工作頻率從DC到4.2 GHz，典型增益大于10 dB，壓縮點(diǎn)P1dB為28 dBm，，ALC環(huán)路后級(jí)放大電路如圖4所示，RF信號(hào)經(jīng)C3交流耦合輸入，C3、C5為隔直電容；C4為交流負(fù)反饋電容，為了得到較大功率，使LTE21009工作在最大功放狀態(tài)，C4選擇了較大容值；L1為隔交流電感，因?yàn)檫@里頻段較寬，就要求L1不僅有較好的低頻響應(yīng)，還要有很好的高頻響應(yīng)，如果沒(méi)有單個(gè)寬頻段頻響電感，可選用低頻電感和高頻電感串連方式替代。

2.2.3 放大電路功率分配

RF射頻信號(hào)通過(guò)調(diào)制器后，信號(hào)插損3 dB左右，考慮到功分器損耗及電路損耗，RF射頻放大電路要求不低于18 dB增益。兩級(jí)放大電路功率增益分別是：前級(jí)放大器增益優(yōu)于8 dB，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)效果，BFQ34足夠滿足這一指標(biāo)；后級(jí)放大器增益優(yōu)于10 dB，LTE21009也可足夠滿足這一指標(biāo)。因?yàn)檫€要考慮噪聲影響，這里BFQ34增益并不要調(diào)到最大增益，在滿足整體功率要求同時(shí)，盡量減少噪聲影響。這2種放大器都是功率放大器件，需要良好散熱，否則會(huì)使器件因?yàn)檫^(guò)熱而損壞。

2.3 功分檢波電路設(shè)計(jì)

功分檢波電路一般會(huì)選擇微波集成模塊完成，而微波集成模塊一般低端只能到10 MHz，不能覆蓋到252 kHz的頻率，而且模塊體積較大，會(huì)占用很大空間，在這里本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的功分檢波電路。如圖5所示，采用電阻功分方式按比例功分一部分RF射頻功率輸出到檢波器，這種功分方式對(duì)RF信號(hào)輸出功率影響相對(duì)較小，經(jīng)過(guò)功分器后，信號(hào)插損小于2 dB。因?yàn)镽F射頻信號(hào)帶寬較寬（0.25～1 000 MHz），檢波器也要滿足這一要求，檢波器選擇選擇Agilent公司的器件HSMP2815。HSMP2815是內(nèi)部帶溫度補(bǔ)償?shù)?a target="_blank">肖特基二極管RF檢波器，輸入功率從-30 dBm至+15 dBm，檢波頻率從100 kHz到4 GHz。利用肖特基二極管和外部電容來(lái)對(duì)RF輸入電壓進(jìn)行峰植檢波，檢波電壓輸出用于后端求和電路。

3 實(shí)際電路設(shè)計(jì)效果

本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)信號(hào)源實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定輸出一款電路，針對(duì)RF射頻信號(hào)滿足以下指標(biāo)要求：（1）頻率范圍為0.25～1 000 MHz；（2）穩(wěn)幅輸出動(dòng)態(tài)范圍為-7～+13 dBm；（3）功率準(zhǔn)確度為±1.5 dBm；（4）最大穩(wěn)幅功率為+13dBm。

測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。

4 結(jié) 論

本文的ALC環(huán)路具有寬頻響（0.25～1 000 MHz）、寬動(dòng)態(tài)范圍（20 dB動(dòng)態(tài)范圍）、高功率（最大輸出功率可達(dá)到+13 dBm）、低噪聲、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的穩(wěn)幅環(huán)路。

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