Wie kommen Entwickler mit einem System zurecht, das eine stark veränderliche Eingangsamplitude hat, aber eine ziemlich konstante Ausgangsamplitude erfordert? Schauen wir uns das mal an.

Eines der ersten Dinge, die man lernt, wenn man in die Welt der Elektronik einsteigt, ist, wie man eine Operationsverstärkerschaltung mit einer bestimmten Verstärkung entwickelt. Das ist nicht besonders schwierig, und selbst nachdem wir uns mit allen Nuancen und Unzulänglichkeiten von Verstärkerschaltungen vertraut gemacht haben, können wir immer noch getrost Systeme entwerfen, die ein Ausgangssignal erfordern, das gleich dem mit einer festen Verstärkung multiplizierten Eingangssignal ist.

Aber was passiert, wenn dieses ganze Paradigma zusammenbricht? Was können wir tun, wenn der feste Parameter nicht die Verstärkung des Verstärkers, sondern die Größe des Ausgangssignals ist? Eine feste Verstärkung kann eine konstante Ausgangsamplitude erzeugen, wenn die Eingangsamplitude bekannt und unveränderlich ist, aber das ist nicht immer der Fall, und außerdem ist die Eingangsamplitude manchmal sehr variabel.

Schließen der Schleife

Die Lösung heißt automatische Verstärkungsregelung, abgekürzt AGC. Wir können intuitiv feststellen, dass es keine Möglichkeit gibt, dies in einem System mit offenem Regelkreis zu erreichen – die Verstärkerschaltung muss die Ausgangsamplitude kennen, um die Verstärkung richtig einstellen zu können. Daraus folgt, dass AGC eine Rückkopplung erfordert. Außerdem ist (wenig überraschend) ein Verstärker mit variabler Verstärkung (VGA) erforderlich.

Das Folgende ist eine (sehr) grundlegende Architektur für ein AGC-System:

Der Ausgang des VGA wird nicht nur dem nächsten Gerät in der Signalkette zugeführt, sondern auch einer Messschaltung, die die Amplitude des Ausgangs bestimmt und die Verstärkung entsprechend anpasst. Die Amplitudenmessung wird vom Detektorblock durchgeführt, und es werden verschiedene Detektortypen verwendet – die vier Standarddetektortypen sind Hüllkurve (oder Gleichrichter), quadratisches Gesetz, True-RMS und logarithmisch.

Anpassung an Veränderungen

Wie andere Rückkopplungssysteme mit geschlossenem Regelkreis kann eine AGC das Eingangssignal „einrasten“, so dass allmähliche Änderungen der Eingangsamplitude minimale Auswirkungen auf den Ausgang haben. Eine AGC kann sich jedoch nicht sofort an schnelle Änderungen anpassen; tatsächlich ist eine extrem schnelle Reaktionszeit nicht wünschenswert, da dies den AGC-Schaltkreis übermäßig empfindlich gegenüber Rauschen oder absichtlichen Schwankungen der Amplitude des Eingangssignals (d.h. Amplitudenmodulation) machen würde.

Der Begriff „Ansprechzeit“ bezieht sich auf die Reaktion eines AGC-Schaltkreises auf Erhöhungen der Eingangsamplitude, und „Abklingzeit“ bezieht sich auf seine Reaktion auf Verringerungen der Eingangsamplitude. Das folgende Diagramm von Analog Devices vergleicht das Ansprech- und Abklingverhalten für die vier Standarddetektortypen (aus irgendeinem Grund ist „LINBNV“ die Abkürzung für einen Hüllkurvendetektor).

Bild mit freundlicher Genehmigung von Analog Devices.

Wie Sie sehen, sollten die Anforderungen des Systems an das Ansprechverhalten bei der Wahl des Detektortyps berücksichtigt werden.

AGC für RF Rx

AGC ist ein kritischer Aspekt beim Design von RF-Empfängern. Die Energiedichte der elektromagnetischen Strahlung nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Daher schwankt die Stärke des HF-Signals am Empfänger drastisch, je nachdem, wie nah der Empfänger am Sender ist. AGC stellt sicher, dass das empfangene Signal gleichmäßig auf einen Pegel verstärkt wird, der eine effiziente Verarbeitung durch die Demodulationsschaltung ermöglicht.

Im Zeitalter hochintegrierter, fachmännisch entwickelter und weithin verfügbarer Analog- und Mixed-Signal-ICs ist es unwahrscheinlich, dass Sie jemals Ihr eigenes AGC-System entwickeln müssen (oder wollen) (was keineswegs ein einfacher Prozess ist). Dennoch ist es gut, mit den grundlegenden Techniken und Konzepten vertraut zu sein. Wenn Sie daran interessiert sind, finden Sie eine Fülle von zusätzlichen Informationen in einem Design-Tutorial von Analog Devices.