Hvordan håndterer designere et system, der har en meget variabel indgangsamplitude, men som alligevel kræver en forholdsvis konstant udgangsamplitude? Lad os tage et kig.

En af de første ting, vi lærer, når vi kommer ind i elektronikkens verden, er at designe et op-amp-kredsløb med en bestemt forstærkning. Det er ikke særlig vanskeligt, og selv efter at vi er blevet bekendt med alle de nuancer og ufuldkommenheder, der er forbundet med forstærkerkredsløb, kan vi stadig trygt designe systemer, der kræver et udgangssignal, der er lig med indgangssignalet ganget med en fast forstærkning.

Men hvad sker der, når hele dette paradigme falder fra hinanden? Hvad kan vi gøre, når den faste parameter ikke er forstærkerens forstærkning, men størrelsen af udgangssignalet? En fast forstærkning kan give en konstant udgangsamplitude, når indgangsamplituden er kendt og uforanderlig, men det er ikke altid tilfældet, og desuden er indgangsamplituden nogle gange meget variabel.

Closing the Loop

Løsningen her er noget, der kaldes automatisk forstærkningsstyring, forkortet AGC. Vi kan intuitivt konkludere, at der egentlig ikke er nogen måde at opnå dette på i et open-loop-system – forstærkerkredsløbet skal have kendskab til udgangsamplituden for at kunne justere forstærkningen korrekt. Det følger heraf, at AGC kræver feedback. Det kræver også (ikke overraskende) en forstærker med variabel forstærkning (VGA).

Det følgende er en (meget) grundlæggende arkitektur for et AGC-system:

Udgangen fra VGA’en føres ikke kun til den næste enhed i signalkæden, men også til målekredsløb, der bestemmer amplituden af udgangen og justerer forstærkningen i overensstemmelse hermed. Amplitudemålingen udføres af detektorboksen, og der anvendes forskellige typer detektorer – de fire standarddetektortyper er envelope (eller ensretter), square-law, true-RMS og logaritmisk.

Adaptering til ændringer

Som andre lukkede feedback-systemer kan en AGC “låse sig fast på” indgangssignalet, således at gradvise ændringer i indgangsamplituden vil have minimal effekt på udgangen. En AGC kan imidlertid ikke øjeblikkeligt tilpasse sig hurtige ændringer; faktisk er en ekstremt hurtig responstid ikke ønskelig, da dette ville gøre AGC-kredsløbet overdrevent følsomt over for støj eller forsætlige variationer i indgangssignalets amplitude (dvs. amplitudemodulation).

Tegningen “attack time” henviser til et AGC-kredsløbs reaktion på stigninger i indgangsamplituden, og “decay time” henviser til dets reaktion på fald i indgangsamplituden. Følgende plot fra Analog Devices sammenligner attack- og decay-adfærden for de fire standarddetektortyper (af en eller anden grund er “LINBNV” forkortelsen for en envelope-detektor).

Billedet er venligst udlånt af Analog Devices.

Som du kan se, skal systemets reaktionskrav tages i betragtning ved valg af detektortype.

AGC til RF Rx

AGC er et kritisk aspekt ved design af RF-modtagere. Energitætheden af elektromagnetisk stråling aftager med kvadratet på afstanden. RF-signalstyrken ved modtageren varierer således drastisk afhængigt af, hvor tæt modtageren er på senderen. AGC sikrer, at det modtagne signal konsekvent forstærkes til et niveau, der muliggør en effektiv behandling i demodulationskredsløbet.

I denne tidsalder med højt integrerede, ekspertdesignede, bredt tilgængelige analoge og blandede signal-IC’er er det ikke sandsynligt, at du nogensinde får brug for (eller lyst til) at designe dit eget AGC-system (hvilket på ingen måde er en enkel proces). Det er dog godt at være bekendt med de grundlæggende teknikker og begreber. Hvis du er interesseret, findes der en overflod af yderligere oplysninger i en designvejledning fra Analog Devices.