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AGG 電路和正確使用法

No.32   1995 Sep.   p48~50,   陳錫祺 BV6ER, P.O. Box 20-71 Tainan



    接收 DX 遠距離電台的 HF 高頻短波訊號時,訊號會忽大忽小,忽強忽弱,一陣一陣的,像海浪一樣。要推究其原因,則必先瞭解 HF 電波傳送的過程:


多重路徑傳播

    HF 電波從發射台的天線向外輻射,部份以低仰角向上斜射,碰到高空數百公里處的電離層,再反射下來,由接收台的天線感應到訊號,送進接收機,將訊號放大和解調,取得可聽的聲頻訊號。

    電波垂直和水平輻射圖形顯式,電波的輻射包括不同的仰角和不同的方位角,也就是有各種不同的傳播路徑。接收天線感應到的電波,自然是經由不同傳播路徑電波的總和。同時,電離層本身也不是處於穩定的狀態,隨時都在變動。所以,各不同路徑電波之間的相位關係也隨時在改變:同相時,產生建設性干涉,訊號會增強;反相時,產生破壞性干涉,訊號會減弱,這就是所謂多重路徑傳播 (Multi-path Propagation) 造成的衰落 (Fading);其強弱變化週期大約數秒鐘一次。


自動增益控制 AGC

    由上述多重路徑傳播所造成接收訊號強度的變化,有時低至 0.1uV,有時高達 0.1V,其間相差可達 120dB。而訊號增強時,實際上可能使接收機的前級放大器 (Front-end Amp) 達到飽和,訊號產生失真,對於訊號的收聽者而言,會感覺很不舒服。

    在強訊號時,降低放大器的增益;在弱訊號時,增加放大器的增益,使最後輸出的聲頻訊號保持在固定值,這就是自動增益控制 AGC (Automatic Gain Control) 的原理,也是解決這個問題的答案。

    AGC 控制訊號的取得,有從解調後之聲頻訊號的聲頻驅動 (AF-drived) 式;也有從中頻訊號整流,經濾波變成直流電壓的射頻驅動 (RF-drived) 式。聲頻驅動式的電路較簡單,射頻驅動式的效果較顯著。將取得的 AGC 訊號往前送至前級 (Front-end)RF 或 IF 放大器,藉著偏壓的改變來改變前級 RF 或 IF 放大器的增益,達到隨著接收訊號的強弱,自動調整放大器增益的效果。受 AGC 訊號控制的前級放大器,級數越多,效果越顯著,如果有兩級以上,則較理想。


放大器的增益控制

    常見的 RF 或 IF 放大器有電晶體電路,也有 MOSFET 電路。茲分別說明其增益控制的方法如下:

一、電晶體電路

Fig 01
圖 1:電晶體的 hfe 對 Ib 曲線

    電晶體的增益源於電流放大率 hfe=Ic/Ib (或稱為β),hfe 值對於 Ib 值的曲線如圖 1 所示。

    低 Ib 值時,由於晶片表面氧化層缺陷造成的電流載子陷阱,會捕捉一定量的 Ib 電流,使 hfe 值較低。當 Ib 值漸增,其影響漸小,使 hfe 值漸大。當 hfe 值達到最大值之後,Ic 電流已達到其容許的最大電流密度。當 Ib 值再增,造成電流擁擠現象, hfe 值反而下降。

    如果將電晶體正常在小訊號工作時的偏壓電流 Ib,設計在未達 hfe 值最大之處,則只要將偏壓電流 Ib 值變低,就可以使 hfe 值減少,降低放大器的增益。如果將電晶體的偏壓電流 Ib,設計在超過 hfe 值最大之處,則只要將偏壓電流 Ib 值變高,就可以使 hfe 值減少,降低放大器的增益。前者,減小 Ib 電流以降低增益的方法,稱為逆向 (Reverse) 法。後者,增大 Ib 電流以降低增益的方法,稱為順向 (Forward) 法。

    逆向法如圖 2,主要經由降低電晶體的 Ib 電流,使 hfe 值減少,以降低放大器的增益。除此而外,由於 Ib 的降低,使輸入阻抗增加,也會造成輸入端阻抗不匹配的功率損失,更進一步降低增益。幾乎大部份的電晶體都適用於逆向法 AGC,所以使用得非常普遍。不過,如果在高輸入訊號位準時,太低的 Ib 電流可能會有訊號的失真 (Distortion) 和互調變 (Cross-modulation) 的發生。實際的應用必須考慮在沒有太高輸入訊號位準和產生互調變的顧慮時,方可為之。AM 接收機具有窄頻寬的 455KHz 中頻放大器,由於沒有互調變的顧慮,都採用逆向法 AGC。

    順向法如圖 3,主要經由增加電晶體的 Ib 電流,使 hfe 值減少,以降低放大器的增益。但不是大部份的電晶體都適用於順向法 AGC。其最大的好處是,即使在高輸入訊號位準的情況下,也不會因太低的 Ib 電流,而產生訊號的失真和互調變。

Fig 02
圖 2:逆向法 AGC 電路

Fig 03
圖 3:順向法 AGC 電路

二、MOSFET 電路

    FET 電晶體堶悸甄齈h極 Dual-gate MOSFET 特別適用於 AGC 電路,其特點是直線性良好,回授容量小,動作穩定。第一個閘極是訊號的輸入,第二個閘極可用於 AGC 控制,AGC 控制和輸入訊號的分開,使放大器的阻抗匹配設計更為單純。

    典型的第二閘極電壓控制增益變化的情形如圖 3 所示。若第二閘極電壓為 +4V 時,增益為最大。當電壓降為 -2V 時,增益就降低了 30dB。因此,改變第二閘極的電壓,就可以改變放大器的增益,控制的方法類似逆向法。如果要獲致更大的增益調整效果,可包含更多級放大器,例如,兩級有 60dB,三級有 90dB。典型的電路如圖 4。

Fig 04
圖 4:MOSFET 之 AGC 電路圖



AGC 控制訊號的取得

    依前面所述,AGC 控制訊號的取得,有電路較簡單的聲頻驅動式,也有效果較顯著的射頻驅動式。其典型電路和工作原理茲分述如下:

一、聲頻驅動式

    純 AM 模式的訊號,可以從解調後還原之聲頻訊號,部份送至聲頻放大器,將訊號放大後輸出;另一部份接至 AGC 濾波器,取得 AGC 控制訊號,然後往前送到受控制的前級 RF 或 IF 放大器。電路非常簡單,不過須視順向式或逆向式而注意其電壓的極性。

    如圖 5 所示,二極體 D 為檢波元件,由 R、C 組成 AGC 濾波器,並決定 AGC 時間常數為 RC。

Fig 05
圖 5:聲頻驅動式 AGC 電路

二、射頻驅動式

    CW 和 SSB 的調變模式,由於僅在有調變時,才有訊號發射,也才會有訊號進入接收機。無訊號時, AGC 的動作使前級放大器的增益最大,不過聲頻驅動式因為直接截取檢波後之聲頻訊號來使用,檢波濾波器的時間常數較大,無法產生快速上昇之 AGC 電壓,用以快速抑制進來的訊號。故須另從中頻放大器以弱耦合方式 (10pF 電容) 取出中頻訊號,以避免對中頻放大器造成負載效應。經獨立的放大和整流,取得直流電壓,經直流放大後,再經 AGC 濾波器,取得 AGC 控制訊號,往前送到受控制的前級 RF 或 IF 放大器。

    如圖 6 所示,電晶體 Q1 為射頻放大器,二極體 D1 和 D2 為整流元件,電晶體 Q2 為直流放大器,電阻 R1,R2 和電容 C 組成 AGC 濾波器。此 AGC 電路的輸出可以提供從正到負的電壓,適用於雙閘極 MOSFET 放大器的增益控制。

Fig 06
圖 6:射頻驅動式電路



AGC 控制訊號的產生

    不論是射頻驅動式或是聲頻驅動式的 AGC 電路,都包含有取得直流 AGC 電壓的檢波電路 (Detedor) 和 AGC 濾波器。

    AGC 濾波器是一種低通濾波器 (Low-pass Filter),其時間常數必須足夠大,大到可以把因為調變 (Modulating) 造成的載波 (Carrier) 波幅變化平均掉,即大於載波的週期時間。但是必須足夠小,小到可以檢測出因傳播衰落 (Fading) 造成的載波波幅變化,即小於傳播衰落的週期時間。濾波器時間常數的大小,直接影響到 AGC 動作反應的快慢。在不同的情況之下,必須選擇適當的時間常數,以得到最佳的效果。

    一般的 AGC 電路不論輸入訊號強或弱,都會動作,即使只是微弱的訊號,也會降低一些放大器的增益。如果 AGC 電路可以在訊號超過某一強度時,才動作的話,就更理想了。

    所以,還有另一種延遲式 (Delayed Type) AGC,可以預先設定 AGC 開始動作時的輸入訊號位準。使輸入訊號弱時,接收機可以充份利用全部的增益。只有在輸入訊號強度超過預設位準時,AGC 電路才開始動作,抑制前級 RF 或 IF 放大器的增益。通常在 1uV 之下的輸入訊號已相當微弱,AGC 的開始動作點,多設在 1uV 至稍低的 0.25uV 位準之間,以免輸入訊號弱時,還要犧牲寶貴的增益。

    兩種不同方式的 AGC 動作比較,請參照圖 7。

Fig 07
圖 7:各種 AGC 的動作曲線



AGC 的正確使用法

    AGC 的功用在於調整因電波傳播衰落時,所造成的接收機輸出忽大忽小的現象。

    通常接收機的 AGC 動作可以有三種選擇:關閉 (off)、慢速 (Slow)、快速 (Fast):

    關閉,就是把 AGC 的動作關掉,而慢速和快速都是指 AGC 控制訊號對於輸入訊號變化的反應速度,也就是 AGC 時間常數的長和短。慢速 AGC 的時間常數約在 0.1、0.2 秒左右,而快速 AGC 的時間常數則在 1、2 秒附近。

    適當的選擇 AGC 的時間常數,有助於改善接收的情況,茲分別敘述這三種選擇的時機如下:

一、關閉 AGC
當接收非常微弱訊號的時候,尤其鄰近頻率還有強大訊號存在,在取得 AGC 控制訊號時,可能會受此強大訊號的影響,因而抑制了前級 RF 或 IF 放大器的增益,使欲接收的訊號反而不易抄收。所以,在此時關閉 AGC 的動作,是一種較好的處置方式。

二、慢速 AGC
通常使用 SSB 或 AM 模式時,會選擇慢速 AGC。由於使用語音模式,調變波 (聲頻訊號) 可能含有較低頻率的成份,所以須選擇較長的 AGC 時間常數。

三、快速 AGC
使用 CW 模式時,會選擇快速 AGC。因為 CW 模式非語音模式,不須考慮選擇較長的 AGC 時間常數。還有在快速轉動頻率旋鈕,尋找電台時,也須選擇快 AGC。因各個電台收到的訊號強弱不一,碰到強訊號之後,前級放大器的增益被抑制來不及恢復,以致於其後的弱訊號電台被忽略掉。 END



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