アンプのゲインを変化させ出力を一定にするAGC回路

■問題

【 AD8336/LTC1966 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，可変ゲイン・アンプ(VGA)を使用した，自動ゲイン調整(AGC)回路です．AGC回路は，入力レベルが変化しても，出力レベルが一定になるように動作します．図1のVGAは，gain端子の電圧により，図2のようにゲインが変化します．また，RMS-DCコンバータは，入力された信号の，実効値の直流電圧を出力します．この回路で，IN端子に周波数1kHzで，振幅10mV_PPの正弦波を加えたとき，OUT端子の信号の大きさは，(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　VGA(Variable Gain Amplifier)を使用したAGC(Automatic Gain Control)回路⁽¹⁾
IN端子に1kHz,10mV_PPの正弦波を加えたとき，OUT端子の信号の大きさは？

図2　VGAのコントロール電圧対ゲイン特性⁽²⁾

(a) 200mV_PP　(b) 283mV_PP　(c) 400mV_PP　(d) 566mV_PP

■ヒント

　正弦波の実効値は，ピーク電圧の1/√2になります．そして，図1のOUT端子の振幅は，OPアンプの非反転入力端子に接続されたVrefの電圧で決まります．

■解答

(d) 566mV_PP

　図1の回路は，Out端子の出力レベルの実効値が，Vrefの電圧の0.2Vで一定になります．そのため，OUT端子の出力レベルのピーク・ツー・ピーク電圧(V_OUTPP)は「V_OUTPP=0.2*√2*2=566mV_PP」となります．そのため正解は(d)です．なお，このとき，VGAのゲインは「0.2/(10m/(√2*2))=57=35dB」に自動調整されています．

■解説

●無線機器で多く使われるAGC回路
　AGC(Automatic Gain Control)回路は，入力信号が変化しても，出力が一定の大きさになるように，アンプのゲインを変化させる回路です．無線機器で多く使われますが，オーディオ信号のレベルを一定にする用途にも使用できます．
　図1の回路では，VGAのゲインを制御して，OUT端子の出力が一定になるように動作します．図1の回路でOPアンプ(U₁)は，抵抗(R₃)とコンデンサ(C₃)とともに，反転積分回路を構成しています．OPアンプの非反転入力端子には，基準電圧(Vref)が接続されており，Vrefの電圧により，出力レベルを設定することができます．
　VGAの出力は，RMS-DCコンバータに加えられ，その出力(RMS端子)が反転積分回路に入力されています．そして，反転積分回路の出力がVGAの制御端子(gain)に接続されています．この回路で，出力レベルがどのようにして一定になるのか，順番に考えてみます．

●AGC回路の動作
　まず，入力信号が0Vのとき，RMS端子は0Vになります．RMS端子の電圧がVrefよりも小さいため，反転積分回路の出力は+電源に振り切れます．そのときのVGAのゲインは，図2のグラフより，44dB（158.5倍）になっています．この状態で，10mV_PPの正弦波(3.5mV_RMS)の信号を加えると，VGAの出力は3.5mを158.5倍した554mV_RMSになります．すると，RMS端子は554mVになります．
　RMS端子の電圧がVrefよりも大きいと，+電源に振り切れていた反転積分回路出力(gain端子)の電圧は小さくなっていきます．gain端子の電圧が0.6Vよりも小さくなると，VGAのゲインが減少してOUT端子の出力は減少し，RMS端子の電圧も小さくなります．
　そして，VGAのゲインは，RMS端子の電圧がVrefと等しくなった状態で安定します．VGAのゲインが安定したときの，OUT端子の出力レベルの実効値は，Vrefと等しくなります．図1でVrefは，0.2Vとなっているため，図1のOUT端子の出力は0.2V_RMSで一定となります．0.2V_RMSの正弦波信号のピーク・ツー・ピーク電圧(V_OUTPP)は，式1のように，566mV_PPになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　なお，このときVGAのゲイン(G_VGA)は，式2のように，35dBとなっていることになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
　この後，図1の回路を具体的なICを使用した回路で再構成し，動作を確認します．

●VGAはゲイン可変アンプ
　VGA(Variable Gain Amplifier)は，電子的にゲインを変えることのできるアンプです．主に高周波回路のゲインを制御する目的で使用されています．ゲイン・コントロール信号としては，アナログ信号を使用するものと，デジタル信号を使用するものがあります．また，ゲイン・コントロール回路は，信号をひずませることなく，広い範囲でゲインを可変するために，さまざまな回路方式が考案されています．
　今回は，広帯域(80MHz)で，アナログ信号による60dBのゲイン可変範囲を持ったVGAのAD8336を使用してAGC回路を構成します．

●ゲイン・コントロール特性を確認する
　図3は，AD8336のゲイン・コントロール特性をシミュレーションする回路です．AD8336には外付け抵抗で，自由にゲイン設定できるプリアンプが内蔵されています．図3の回路ではR₂とR₃により，4倍のゲインに設定しています．また，可変ゲイン・アンプは，GNEG端子とGPOS端子の差電圧によってゲインをコントロールします．図3の回路では，GNEG端子はGNDに接続し，GPOS端子に接続された，電圧源Vgの電圧でゲインをコントロールします．「.stepコマンド」で，Vgの電圧を-0.7Vから0.7Vまで10mVステップで変化させ，AC解析により，1kHzのゲインを求めます．

図3　AD8336のゲイン・コントロール特性をシミュレーションする回路
「.stepコマンド」で，Vgの電圧を変化させ，AC解析でゲインを求める．

　図4は，図3のシミュレーション結果です．ゲイン・コントロール信号を-0.7V～0.7Vまで変化させると，ゲインは-15dBから+45dBまで，60dB変化することが分かります．図4のシミュレーション結果では，コントロール電圧とゲインのカーブが若干曲がっていますが，データシート⁽²⁾によると，実際の製品のカーブは図2のような直線になっています．

図4　AD8336のゲイン・コントロール特性のシミュレーション結果
コントロール信号を-0.7Vから0.7Vまで変化させると，ゲインは-15dBから+45dBまで変化する．

●RMS-DCコンバータの特性をシミュレーションする
　RMS-DCコンバータ(LTC1966)⁽³⁾は，入力信号の実効値に対応した直流電圧を出力する回路です．いろいろな方式のICがありますが，今回はデルタシグマ回路を使用したRMS-DCコンバータのLTC1966を使用します．図5はLTC1966の変換特性をシミュレーションする回路です．Vinが信号源で，ピーク電圧が「RMS*√2」で1kHzの正弦波を出力します．そして，「.stepコマンド」によりRMSという変数の値を50m,500m,1と変化させてトランジェント解析を行います．

図5　RMS-DCコンバータのLTC1966の変換特性をシミュレーションする回路
「.stepコマンド」で入力振幅を変えてトランジェント解析を行う．

　図6は，図5のシミュレーション結果です．ピーク電圧が「RMS*√2」の正弦波を入力すると，RMS値と等しい直流電圧が出力されることが分かります．

図6　RMS-DCコンバータのLTC1966の変換特性のシミュレーション結果
「RMS*√2」の正弦波を入力すると，RMS値と等しい直流電圧が出力される．

●VGAを使用したAGC回路を確認する
　図7は，VGA(AD8336)を使用したAGC回路をシミュレーションする回路です．図1のAGC回路の構成ブロックを，具体的なICに置き換えたものです．反転型積分回路には，ダイオードによる電圧リミッタを追加して，出力電圧範囲を制限し，OUT端子の出力が安定するまでの時間を短縮しています．
　入力信号は，B電源を使用して正弦波を発生させ，その振幅は電圧源(Vamp)で設定できるようにしています．これは，時間とともに振幅の変化する正弦波を作るためです．図7では正弦波の振幅は10mV_PPで一定としています．このときのOUT端子の出力はいくつになるか，シミュレーションします．

図7　AD8336を使用したAGC回路をシミュレーションする回路
図1のAGC回路の構成ブロックを，具体的なICに置き換えた回路．

▼AGC回路のシミュレーション結果
　図8は，図7のシミュレーション結果です．OUT端子とgain端子の電圧をプロットしています．OUT端子の振幅は，シミュレーション直後は大きくなっていますが，その後一定値に収束しています．

図8　図7のシミュレーション結果
10mV_PPの正弦波を入力したときのAGC回路のシミュレーション結果．
OUT端子の振幅は，シミュレーション直後は大きく，その後一定値に収束している．

▼AGC回路の時間軸を拡大したシミュレーション結果
　図9は，図8の時間軸を拡大したものです．OUT端子の出力波形は，きれいな正弦波となっており，その振幅は566mV_PPで，実効値は200mVとなっています．

図9　時間軸を拡大したAGC回路のシミュレーション結果
OUT端子の振幅は566mV_PPで，実効値は200mVとなっている．

▼AGC回路の入力信号電圧を時間とともに変化させたときのシミュレーション結果
　図10は，図7の振幅設定用電圧源(Vamp)の電圧を時間とともに変化させ，振幅の変化する正弦波を入力したときのシミュレーション結果です．Vampの電圧は，PWL(0 0.1m 0.1 0.1m 5 100m)と指定し，1msまでは0.1mVで，3s後に100mVとなるようにしています．そのため，入力信号の振幅はは0.2mV_PPから200mV_PPまで変化することになります．

図10　時間とともに振幅が大きくなる信号を入力したときの，AGC回路のシミュレーション結果
入力信号の振幅が変化しても，OUT端子の信号振幅は一定になっている．

　上段が入力信号で，時間とともに振幅が大きくなっています．下段がOUT端子とgain端子の電圧です．入力信号の振幅が大きくなるにしたがって，gain端子の電圧は小さくなっています．そして，OUT端子の信号振幅は一定になっています．

　以上，VGAと「RMS-DCコンバータ」を使用したAGC回路について解説しました．AGC回路の構成としては，信号レベル検出にピーク検波回路を使用したものや，コントロール信号の充放電時定数に差をつけたものなど，色々な種類があります．

◆参考・引用*文献◆
(1)アナログデバイセズ：AN-934-VGAを1個使用した60dBの広いダイナミック・レンジを持つ低周波AGC回路
(2)アナログデバイセズ：AD8336データシート P8
(3)アナログデバイセズ：LTC1966データシート

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice10_043.zip

●データ・ファイル内容
AD8336_G_V.plt：図4のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
LTC1966.asc：図5の回路
LTC1966.plt：図6のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
AD8336_AGC_10m.asc：図7の回路
AD8336_AGC_10m.plt：図8のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
AD8336_AGC.asc：図10をシミュレーションするための回路
AD8336_AGC.plt：図10のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル