对数放大器的基本原理及其处理宽动态范围信号的方法

使用高动态范围信号对设计人员来说是一个主要问题。如何将幅度变化超过100分贝(dB)的信号应用于线性放大器或模数转换器(ADC),典型动态范围为60 dB至100 dB?像这样的信号发生在回波测距设备中,如雷达和声纳,通信系统,以及光纤系统。在这种系统中,低幅度信号需要高增益,高幅度信号需要低增益。

有没有办法动态调整这些信号,以防止低端信号丢失,限制或削波幅度范围的高端?

对数放大器,对数转换器或更简单的对数放大器,通过为低电平信号提供高增益和为更高信号电平逐渐降低增益来解决这个问题。

本文将介绍和描述几种类型的对数放大器,用于低频和高频应用。然后讨论这些有用的非线性放大器的规格和典型应用。

什么对数放大器做

对数放大器是非线性模拟放大器,产生的输出是输入信号或信号包络的对数。它们将具有大动态范围的输入信号压缩为具有固定幅度范围的输出信号。这是通过为低输入信号电平提供高增益和为更高电平信号提供逐渐降低的增益来实现的(图1)。

对数放大器的图像压缩输入信号

图1:对数放大器通过对最低幅度信号应用较高增益并逐渐降低增益至较高电平信号来压缩输入信号(顶部迹线)。中间的迹线显示输入的对数,而底部的迹线是对数放大器输出的包络。(图片来源:Digi-Key Electronics)

输入信号(顶部迹线)是调幅载波。调制信号是线性斜坡。对数放大器输出(中间迹线)为低电平信号提供更高的增益,随着信号电平的增加逐渐降低增益,产生对数加权的输出信号。底部迹线是对数放大器输出的包络线,它是探测器类型对数放大器的输出选项。在ADC之前施加的对数放大器将压缩输入信号以适应ADC的固定输入范围。

对数放大器拓扑

有两种不同的对数放大器拓扑结构:多级对数放大器和直流对数放大器。多级对数放大器取决于一系列放大器的顺序限制。这种拓扑通常用于高达几千兆赫兹的高频信号,通常用于雷达和通信应用。

DC对数放大器在运算放大器(运算放大器)的反馈回路中使用二极管或二极管连接的晶体管。这种类型的对数放大器限于低于20兆赫兹(MHz)的频率。使用该技术的对数放大器通常与控制应用中的传感器一起使用。

多级对数放大器

利用多级对数放大器,使用具有良好过载限制特性的一系列线性放大器实现对数幅度响应,每个线性放大器的输出驱动下一级以及求和电路(图2)。

多个线性放大器系列连接的简单概念模型图

图2:显示了各个输出相加的多个线性放大器的串联连接的简单概念模型(上图)。该方法产生对数幅度响应,如传递函数图(底部)所示。(图片来源:Digi-Key Electronics)

图2中所示的放大器串使用四个放大器,每个放大器具有相同的增益A.低幅度信号 - 低于该电平以在任何阶段中引起限制 - 在这种情况下经历增益N×A或4×A 。这在图的底部的传递函数中示出,其中最左侧(红色)段具有等于N×A的增益,如线段的斜率所示,对于0和V MAX / A 4之间的幅度,其中V MAX是最大输入电压。

随着输入电平的增加,在某个时刻,最后一个放大器第4阶段将开始限制。总增益将降至(N-1)×A或3×A。绿色段的斜率,在输入电平V MAX / A 3和V MAX / A 4之间,代表该增益范围。类似地,随着输入电平持续增加,早期放大器开始连续限制。深蓝色片段的增益为(N-2)×A,品红色片段的增益为(N-3)×A,浅蓝色片段的增益为(N-4)×A或为零。

虽然这个概念模型可用于解释如何使用一系列放大器开发对数响应,但它会遇到令人不快的问题。存在与每个放大器级相关的固有传播延迟。来自第一级的信号分量在后级的信号分量之前到达求和电路,从而使输出波形失真。这可以通过改变基本电路来纠正(图3)。

带成对放大器的级联架构图(点击放大)

图3:通过使用具有成对放大器的级联架构,可以修改串联对数放大器拓扑以消除延迟每对包括限幅放大器,以在必要时提供增益,以及单位增益缓冲器,用于不需要放大时。在每个阶段进行求和消除延迟。(图片来源:Digi-Key Electronics)

这种拓扑结构取代了具有成对放大器的单级放大器。每对包括一个限幅放大器,用于在需要时提供增益,以及一个单位增益缓冲器,如果不需要增益。在每个阶段进行求和,消除了使用单个夏季时发生的延迟。对于小信号,限幅放大器提供主导路径。随着信号幅度的增加,最后一级将开始限制,允许该级的单位增益放大器成为夏季的主要输入。增加输入电平进一步导致早期阶段连续限制,导致整体降低增益。

串联放大器拓扑结构的一个变体是连续检测对数放大器(图4)。

对数放大输出信号的幅度包络图

图4:连续检测对数放大器在每个阶段后添加峰值检测。然后将这些输出相加以产生对数放大的输出信号的幅度包络。(图片来源:Digi-Key Electronics)

连续检测对数放大器使用前面描述的相同限幅放大器链,但在每个级之后增加峰值检测。将这些检测器输出相加以产生对数放大器输出的幅度包络。某些版本还输出对数放大信号。根据电路设计,探测器可以实现为半波或全波。日志包络在需要提取检测到的信号电平的应用中很有用。这些应用包括自动增益控制和接收器信号强度指示器(RSSI)。

商用多级解调对数放大器的一个很好的例子是ADI公司的 AD8310ARMZ-REEL7(图5)。

ADI公司AD8310多级解调对数放大器图

图5:AD8310多级解调对数放大器级联6个放大器,每个放大器的标称增益为14.3 dB(增益为5.2),带宽为900 MHz。(图片来源:ADI公司)

AD8310具有差分输入,在440 MHz带宽内具有95 dB的动态范围,具有±0.4 dB的对数线性度。它级联6个放大器,每个放大器的标称增益为14.3 dB(增益为5.2),带宽为900 MHz。每个放大器驱动一个具有电流输出的检测器,该电流输出由内部缓冲放大器转换为电压然后输出。

直流对数放大器

如上所述,另一种对数放大器拓扑结构是DC对数放大器。这在运算放大器的反馈路径中使用二极管或二极管连接的晶体管。二极管连接的晶体管是最常用的配置(图6A)。晶体管基极 - 发射极结上的电压与通过它的电流的对数成比例。在运算放大器的反馈路径中具有二极管连接的晶体管导致输出电压与输入电流与发射极饱和(I ES)电流的比率的对数成比例

运算放大器反馈路径中二极管连接晶体管的示意图

图6:通过在运算放大器(A)的反馈路径中使用二极管连接的晶体管,可以实现对数放大器。通过使用差分连接的两个这样的放大器(B),大大降低了这种对数放大器的温度依赖性。(图片来源:Digi-Key Electronics)

图6(A)中所示的简单配置具有如下限制:其输出是温度相关的,如等式所示,其中T是以开尔文为单位的温度,以及饱和发射极电流I ES通过将两个这样的放大器配置为差分对,如图6(B)所示,可以大大降低这种依赖性。差分版本是跨阻抗放大器,用于计算I IN 2 / I IN 1比率的对数并具有电压输出。IN 1通常设置为固定参考电流。

德州仪器 LOG114AIRGVT是具有多达八个十年的动态范围与5MHz的带宽的直流对数放大器。它可以配置为对数放大器或对数比放大器。除温度补偿对数放大器外,它还包括两个缩放运算放大器和一个2.5伏电压基准源(图7)。

LOG114对数放大器的功能框图和相关外部组件

图7:LOG114对数放大器的功能框图和相关外部组件。该放大器基于温度补偿电路,包括两个额外的缩放放大器。(图片来源:德州仪器)

德州仪器(TI)为LOG114提供电路模型,允许设计人员在TINA-TI德州仪器电路仿真器上模拟其设计(图8)。

LOGINA日志放大器模型的TINA-TI仿真图像(点击放大)

图8:LOG114对数放大器模型的TINA-TI仿真显示了七十年输入电流的出色的对数线性。(图片来源:Digi-Key Electronics)

该电路使用内置的2.5伏电压基准来建立1微安(μA)的参考电流I1。随附的传递函数显示七十年的线性响应,从100皮安(pA)到1毫安(mA),140 dB电流范围。使用两个附加运算放大器中的一个来对对数放大器输出进行缩放,以产生传递函数方程:V OUT = -0.249 x log(I1 / I2)+ 1.5伏。

结论

对数放大器为设计人员提供了处理宽动态范围信号(无论是基带还是RF)的技术。它们通过将宽动态范围信号压缩到固定输出范围来实现,从而防止了后续阶段的溢出和削波条件。日志放大器解决方案随时可用,并且经常由在线仿真工具支持,以帮助设计过程。

用户喜欢...