Jak projektanci radzą sobie z systemem, który ma bardzo zmienną amplitudę wejściową, ale wymaga w miarę stałej amplitudy wyjściowej? Przyjrzyjmy się temu.

Jedną z pierwszych rzeczy, których uczymy się po wejściu w świat elektroniki jest to, jak zaprojektować obwód op-ampa o określonym wzmocnieniu. Nie jest to szczególnie trudne i nawet po zapoznaniu się ze wszystkimi niuansami i niedoskonałościami związanymi z obwodami wzmacniaczy, nadal możemy śmiało projektować układy, które wymagają sygnału wyjściowego równego sygnałowi wejściowemu pomnożonemu przez ustalone wzmocnienie.

Ale co się dzieje, gdy cały ten paradygmat się rozpada? Co możemy zrobić, gdy stałym parametrem nie jest wzmocnienie wzmacniacza, ale wielkość sygnału wyjściowego? Stałe wzmocnienie może produkować stałą amplitudę wyjściową, gdy amplituda wejściowa jest znana i niezmienna, ale nie zawsze tak jest, a ponadto czasami amplituda wejściowa jest bardzo zmienna.

Zamykanie pętli

Rozwiązaniem jest tutaj coś, co nazywamy automatyczną kontrolą wzmocnienia, w skrócie AGC. Intuicyjnie możemy stwierdzić, że tak naprawdę nie ma możliwości osiągnięcia tego w układzie z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego – układ wzmacniacza musi znać amplitudę wyjściową, aby prawidłowo wyregulować wzmocnienie. Wynika z tego, że AGC wymaga sprzężenia zwrotnego. Wymaga również (co nie jest zaskakujące) wzmacniacza o zmiennym wzmocnieniu (VGA).

Poniżej przedstawiono (bardzo) podstawową architekturę systemu AGC:

Wyjście VGA jest podawane nie tylko do następnego urządzenia w łańcuchu sygnałów, ale również do obwodów pomiarowych, które określają amplitudę wyjścia i odpowiednio dostosowują wzmocnienie. Pomiar amplitudy jest wykonywany przez blok detektorów i stosowane są różne typy detektorów – cztery standardowe typy detektorów to obwiedniowy (lub prostowniczy), kwadratowy, true-RMS i logarytmiczny.

Dostosowanie do zmian

Podobnie jak inne zamknięte systemy pętli sprzężenia zwrotnego, AGC może „zablokować się” na sygnale wejściowym w taki sposób, że stopniowe zmiany amplitudy wejściowej będą miały minimalny wpływ na wyjście. Jednakże, AGC nie może natychmiast dostosować się do szybkich zmian; w rzeczywistości, bardzo szybki czas reakcji nie jest pożądany, ponieważ uczyniłoby to obwód AGC zbyt wrażliwym na szumy lub celowe zmiany amplitudy sygnału wejściowego (tj. modulacja amplitudy).

Termin „czas ataku” odnosi się do reakcji obwodu AGC na wzrost amplitudy wejściowej, a „czas zaniku” odnosi się do jego reakcji na spadek amplitudy wejściowej. Poniższy wykres firmy Analog Devices porównuje zachowanie ataku i zanikania dla czterech standardowych typów detektorów (z jakiegoś powodu „LINBNV” jest skrótem od detektora obwiedni).

Obraz dzięki uprzejmości firmy Analog Devices.

Jak widać, wymagania systemu dotyczące odpowiedzi powinny być brane pod uwagę przy wyborze typu detektora.

AGC for RF Rx

AGC jest krytycznym aspektem projektowania odbiorników RF. Gęstość energii promieniowania elektromagnetycznego maleje z kwadratem odległości. Tak więc, siła sygnału RF w odbiorniku zmienia się drastycznie w zależności od tego, jak blisko odbiornik jest do nadajnika. AGC zapewnia, że odbierany sygnał jest konsekwentnie wzmacniany do poziomu, który pozwala na efektywne przetwarzanie przez obwody demodulacyjne.

W dobie wysoko zintegrowanych, fachowo zaprojektowanych, szeroko dostępnych analogowych i mieszanych układów scalonych, jest mało prawdopodobne, że kiedykolwiek będziesz potrzebował (lub chciał) zaprojektować swój własny system AGC (co w żadnym wypadku nie jest prostym procesem). Niemniej jednak, dobrze jest znać podstawowe techniki i koncepcje. Jeśli jesteś zainteresowany, wiele dodatkowych informacji jest dostępnych w samouczku projektowym firmy Analog Devices.