Hoe gaan ontwerpers om met een systeem dat een sterk variabele ingangsamplitude heeft en toch een tamelijk constante uitgangsamplitude vereist? Laten we eens kijken.

Een van de eerste dingen die we leren als we in de wereld van de elektronica komen, is hoe we een op-amp schakeling met een gespecificeerde versterking moeten ontwerpen. Het is niet bijzonder moeilijk en zelfs nadat we vertrouwd zijn geraakt met alle nuances en onvolkomenheden die samenhangen met versterkerschakelingen, kunnen we nog steeds vol vertrouwen systemen ontwerpen die een uitgangssignaal vereisen dat gelijk is aan het ingangssignaal vermenigvuldigd met een vaste versterking.

Maar wat gebeurt er wanneer dit hele paradigma in duigen valt? Wat kunnen we doen wanneer de vaste parameter niet de versterking van de versterker is, maar de grootte van de uitgang? Een vaste versterking kan een constante uitgangsamplitude opleveren als de ingangsamplitude bekend en onveranderlijk is, maar dat is niet altijd het geval en bovendien is de ingangsamplitude soms zeer variabel.

Closing the Loop

De oplossing hier is iets dat automatische versterkingsregeling wordt genoemd, afgekort AGC. We kunnen intuïtief concluderen dat er eigenlijk geen manier is om dit te bereiken in een open-loop systeem – de versterkerschakelingen moeten kennis hebben van de uitgangsamplitude om de versterking goed te kunnen regelen. Hieruit volgt dat AGC terugkoppeling vereist. Ook is (niet verrassend) een versterker met variabele versterking (VGA) nodig.

Het volgende is een (zeer) basisarchitectuur voor een AGC-systeem:

De uitgang van de VGA wordt niet alleen naar het volgende apparaat in de signaalketen gevoerd, maar ook naar meetcircuits die de amplitude van de uitgang bepalen en de versterking dienovereenkomstig aanpassen. De amplitudemeting wordt uitgevoerd door het detectorblok, en er worden verschillende typen detectoren gebruikt – de vier standaard detectortypen zijn envelope (of gelijkrichter), square-law, true-RMS, en logaritmisch.

Aanpassen aan verandering

Net als andere gesloten-lus feedbacksystemen kan een AGC zich “vastzetten” op het ingangssignaal, zodat geleidelijke veranderingen in de ingangsamplitude een minimaal effect hebben op de uitgang. Een AGC kan zich echter niet onmiddellijk aanpassen aan snelle veranderingen; in feite is een extreem snelle reactietijd niet wenselijk omdat dit de AGC-schakeling overgevoelig zou maken voor ruis of voor opzettelijke variaties in de amplitude van het ingangssignaal (d.w.z. amplitudemodulatie).

De term “aanvalstijd” verwijst naar de reactie van een AGC-schakeling op verhogingen van de ingangsomvang, en de “vervaltijd” verwijst naar de reactie op verlagingen van de ingangsomvang. De volgende grafiek van Analog Devices vergelijkt het “attack” en “decay” gedrag voor de vier standaard detector types (om de een of andere reden is “LINBNV” de afkorting voor een envelope detector).

Afbeelding met dank aan Analog Devices.

Zoals u kunt zien, moet bij de keuze van het detectortype rekening worden gehouden met de responsvereisten van het systeem.

AGC voor RF Rx

AGC is een kritiek aspect van het ontwerp van RF-ontvangers. De energiedichtheid van elektromagnetische straling neemt af met het kwadraat van de afstand. De sterkte van het RF-signaal bij de ontvanger varieert dus drastisch, afhankelijk van hoe dicht de ontvanger bij de zender staat. AGC zorgt ervoor dat het ontvangen signaal consequent wordt versterkt tot een niveau dat een efficiënte verwerking door de demodulatie-circuits mogelijk maakt.

In dit tijdperk van sterk geïntegreerde, deskundig ontworpen, overal verkrijgbare analoge en mixed-signal IC’s, is het niet waarschijnlijk dat u ooit uw eigen AGC-systeem zult moeten (of willen) ontwerpen (wat geenszins een eenvoudig proces is). Toch is het goed om vertrouwd te zijn met de basistechnieken en -concepten. Indien u geïnteresseerd bent, is een overvloed aan extra informatie beschikbaar in een ontwerptutorial van Analog Devices.