Miten suunnittelijat selviytyvät järjestelmästä, jonka tuloamplitudi vaihtelee suuresti mutta jonka lähtöamplitudi on kuitenkin melko vakio? Katsotaanpa.

Yksi ensimmäisistä asioista, jotka opimme elektroniikan maailmaan astuessamme, on se, miten suunnitella op-amp-piiri, jolla on määritelty vahvistus. Se ei ole erityisen vaikeaa, ja jopa sen jälkeen, kun olemme tutustuneet kaikkiin vahvistinpiireihin liittyviin vivahteisiin ja epätäydellisyyksiin, voimme silti luottavaisesti suunnitella järjestelmiä, jotka vaativat lähtösignaalin, joka on yhtä suuri kuin tulosignaali kerrottuna kiinteällä vahvistuksella.

Mutta mitä tapahtuu, kun koko tämä paradigma hajoaa? Mitä voimme tehdä, kun kiinteä parametri ei ole vahvistimen vahvistus vaan ulostulon suuruus? Kiinteä vahvistus voi tuottaa vakion ulostulon amplitudin, kun tulon amplitudi on tunnettu ja muuttumaton, mutta näin ei aina ole, ja lisäksi joskus tulon amplitudi on hyvin vaihteleva.

Silmukan sulkeminen

Ratkaisu tähän on niin sanottu automaattinen vahvistuksen säätö (automatic gain control, lyhennettynä AGC). Voimme intuitiivisesti päätellä, että tätä ei todellakaan ole mahdollista saavuttaa avoimen silmukan järjestelmässä – vahvistinpiirin on tunnettava lähtöamplitudi, jotta vahvistusta voidaan säätää oikein. Tästä seuraa, että AGC edellyttää takaisinkytkentää. Se vaatii myös (yllätyksettömästi) vahvistinvahvistimen (VGA).

Seuraavassa on AGC-järjestelmän (hyvin) perusarkkitehtuuri:

VGA:n ulostulo syötetään paitsi seuraavalle laitteelle signaaliketjussa myös mittauspiirille, joka määrittää ulostulon amplitudin ja säätää vahvistuksen sen mukaisesti. Amplitudin mittauksen suorittaa detektorilohko, ja käytössä on erityyppisiä detektoreita – neljä tavallista detektorityyppiä ovat envelope (tai tasasuuntaaja), neliölaina, true-RMS ja logaritminen.

Muutokseen sopeutuminen

Kuten muutkin suljetut takaisinkytkentäjärjestelmät, AGC voi ”lukittua” syöttösignaaliin siten, että asteittaisilla muutoksilla syötteen amplitudissa on minimaalinen vaikutus ulostuloon. AGC-piiri ei kuitenkaan voi sopeutua välittömästi nopeisiin muutoksiin; itse asiassa erittäin nopea vasteaika ei ole toivottavaa, koska se tekisi AGC-piiristä liian herkän kohinalle tai tahallisille muutoksille tulosignaalin amplitudissa (eli amplitudimodulaatiolle).

Käsitteellä ”hyökkäysaika” viitataan AGC-piirin vasteeseen tulosignaalin amplitudin nousuun ja ”laantumisaika” viitataan sen vasteeseen tulosignaalin amplitudin pienenemiseen. Seuraavassa Analog Devicesin kuvaajassa verrataan neljän vakioilmaisintyypin (jostain syystä ”LINBNV” on kirjekuori-ilmaisimen lyhenne) attack- ja decay-käyttäytymistä.

Kuva, jonka on myöntänyt Analog Devices.

Kuten näet, järjestelmän vastevaatimukset on otettava huomioon ilmaisintyyppiä valittaessa.

AGC for RF Rx

AGC on kriittinen näkökohta RF-vastaanottimen suunnittelussa. Sähkömagneettisen säteilyn energiatiheys pienenee etäisyyden neliön myötä. Näin ollen RF-signaalin voimakkuus vastaanottimessa vaihtelee voimakkaasti sen mukaan, kuinka lähellä vastaanotin on lähettimestä. AGC varmistaa, että vastaanotettua signaalia vahvistetaan johdonmukaisesti tasolle, joka mahdollistaa tehokkaan käsittelyn demodulaatiopiirissä.

Tänä pitkälle integroitujen, asiantuntevasti suunniteltujen ja laajalti saatavilla olevien analogisten ja sekasignaali-IC:iden aikakautena on epätodennäköistä, että sinun tarvitsee (tai haluaisit) ikinä suunnitella omaa AGC-järjestelmääsi (mikä ei suinkaan ole yksinkertainen prosessi). On kuitenkin hyvä tuntea perustekniikat ja -käsitteet. Jos olet kiinnostunut, runsaasti lisätietoa on saatavilla Analog Devicesin suunnitteluoppaassa.