El VGA incorporado permite un control preciso de la ganancia

Un circuito VGA integrado con amplificación de ganancia fija y atenuación variable es útil para la nivelación de potencia en receptores y transmisores, incluso a altas frecuencias intermedias.

El control de la ganancia es necesario en los sistemas de comunicaciones móviles debido a la amplia gama de señales transmitidas y recibidas. Una estación base del Sistema Global de Comunicaciones Móviles (GSM), por ejemplo, debe recibir y demodular señales de unos -15 dBm a menos de -104 dBm, incluso cuando las señales de bloqueo en banda pueden ser tan bajas como -13 dBm.

El objetivo de los circuitos de control automático de ganancia (AGC) de estos sistemas es proporcionar un nivel de entrada relativamente constante al convertidor analógico-digital (ADC). Aunque el control de la ganancia puede implementarse en frecuencias de RF, de frecuencia intermedia (FI) o de banda base, la mayoría de los controles de ganancia funcionan en la FI. Aunque siempre es deseable una relación precisa entre la tensión de control de ganancia y la ganancia, en las aplicaciones de receptor (Rx) suele ser más crítica la capacidad de proporcionar un nivel de señal constante a las etapas posteriores. Por esta razón, un detector de nivel analógico o digital es un componente importante para establecer niveles de ganancia precisos en los sistemas de comunicaciones móviles.

Aunque los terminales de comunicaciones móviles deben ser capaces de transmitir en un amplio rango de potencia, como 75 dB en los sistemas de acceso múltiple por división de código de banda ancha (WCDMA), también se requiere un amplio rango de control de potencia en la estación base. Los operadores de red deben poder variar el tamaño de la célula ajustando los terminales nominales deben ser capaces de transmitir en un amplio rango de potencia, como 75 dB en los sistemas de Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha (WCDMA), también se requiere un amplio rango de control de potencia en la estación base. Los operadores de red deberían poder variar el tamaño de la célula ajustando el rango nominal a 12 dB. Si la estación base tiene un amplificador de potencia de ganancia fija [PA] (que es lo que suele ocurrir), la salida nominal de la EB debe ajustarse variando la señal de entrada al PA (figura 1).

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Figura 1. El control de la ganancia es esencial en los receptores y transmisores para mantener niveles de potencia precisos.

Además, la potencia de transmisión varía con la distancia a la unidad móvil. Además, los sistemas de Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA), como el GSM y el IS-136, requieren un aumento ordenado de la potencia. Esto añade 40-50 dB adicionales al rango de control de potencia de la estación base. En el caso de una estación base CDMA o WCDMA, la potencia de la señal de salida debe variar en función de la carga de llamadas en la célula.

En las aplicaciones de transmisión en las que la salida variará constantemente por cualquiera de las razones mencionadas anteriormente, la relación entre la ganancia de un amplificador de ganancia variable (VGA) y su tensión de control de ganancia adquiere importancia en la lucha por definir la potencia correcta. Por ejemplo, si el VGA tiene una relación de control de ganancia que es lineal, estable a la temperatura y plana en la banda de interés, bastará con una simple calibración de dos puntos del VGA. Utilizando los datos de calibración, el controlador de la estación base puede ajustar con seguridad la potencia e ignorar los cambios de temperatura y frecuencia. Sin embargo, sin esa linealidad, se necesitarán varios puntos de calibración en la banda de frecuencia correspondiente. Y si el rendimiento varía con la temperatura, se necesitarán puntos de calibración adicionales para tener en cuenta estas variaciones dependientes de la temperatura en la tensión de control de la ganancia.

Un circuito de AGC suele estar formado por un atenuador variable seguido de amplificadores de ganancia fija. Al integrar estas funciones en un solo chip, es posible desarrollar AGCs con altos niveles de rendimiento, al tiempo que se reduce significativamente el tamaño total de los circuitos. Uno de los objetivos de desarrollo de una nueva generación de AGCs de Analog Devices era satisfacer los requisitos de rendimiento de diversos sistemas de estaciones base de telefonía móvil en un amplio rango de FI, aunque conseguir un rango de control de ganancia lineal en dB y estable en temperatura a altas frecuencias es un reto importante. Por ejemplo, las FI de los Rx superheterodinos de conversión simple para las estaciones base de telefonía móvil pueden ser de hasta 380 MHz. Uno de estos VGA integrados, el AD8367, incorpora un atenuador variable con un rango de 45 dB (0-45 dB de atenuación) con un amplificador de ganancia fija muy lineal (Figura 2).

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Figura 2. La arquitectura X-AMPTM del AD8367 permite un control preciso de la ganancia lineal en dB en un amplio rango dinámico.

El AD8367 se basa en la tecnología X-AmpTM patentada por la empresa (llamado así por la naturaleza exponencial de la función de control de ganancia). Escala lineal precisa en dB [i.e., (gain (in dB)/(VAGC (in V) is constant] simplifica enormemente el diseño del AGC en las estaciones base de telefonía móvil en comparación con el uso de AGV discretos o de atenuadores de diodos PIN con amplificadores de ganancia en cascada. La ruta principal de la señal consiste en un atenuador de 0-45 dB controlado por tensión, seguido de un amplificador de ganancia fija de 42,5 dB. El AD8367 está diseñado para funcionar de forma óptima en un sistema de 200Ω.

Además, el AD8367 lleva incorporado un detector de ley cuadrada para la función AGC.

En el modo AGC, la clavija de polarización de ganancia proporciona el control del indicador de intensidad de la señal recibida (RSSI) y la señal de salida se nivela a 354 mVRMS (1V p-p para una onda sinusoidal no modulada). Este circuito es especialmente útil si un Rx tiene que manejar señales con diferentes formatos de modulación. Un buen ejemplo sería una estación base GSM moderna que tiene que recibir tanto señales Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) como Eight-Phase Shift Keying (8-PSK) (EDGE).

La integración de un atenuador seguido de un amplificador de ganancia fija es muy adecuada para los circuitos Rx de AGC, ya que la intercepción de entrada de tercer orden (IIP3) y la figura de ruido siguen dB a dB con el ajuste de la ganancia (Figura 3). Cuando la señal de entrada es más fuerte, la ganancia está al mínimo y la PII3 y la figura de ruido están al máximo. Cuando la señal recibida es más débil, la ganancia es máxima y la PII3 y la figura de ruido son óptimas para la señal débil, manteniendo así un amplio rango dinámico de la señal. La ordenada de salida de tercer orden (OIP3) y la potencia de salida con una compresión de 1 dB son independientes de la ganancia y la temperatura, lo que constituye otra ventaja significativa respecto a los VGA discretos, que pueden experimentar una deriva en los niveles de potencia de salida con la temperatura y los ajustes de ganancia (Figura 4).

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Figura 3. El control de ganancia lineal de dB, estable en temperatura, permite un ajuste preciso de la ganancia en un amplio rango dinámico.

Figura 4. A medida que aumenta la ganancia, el factor de ruido del AD8367 mejora, mientras que el OIP3 se mantiene bastante constante.

El AD8367 está empaquetado en un TSSOP (thin shrunk small outline package) de 14 hilos y está caracterizado para temperaturas de funcionamiento de -40 a +85ºC. Funciona con una única tensión de alimentación de +3 a +5 VCC. El dispositivo integrado tiene un ancho de banda de 3 dB de 500 MHz y se ha evaluado ampliamente en frecuencias intermedias comunes como 70, 140, 190 y 240 MHz. Ya están disponibles las placas de evaluación y las muestras.

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