對數(shù)放大器的原理與應(yīng)用

1、對數(shù)放大器的原理與應(yīng)用信號壓縮在現(xiàn)實(shí)世界中，一些信號往往具有很寬的動態(tài)范圍。比如雷達(dá)、聲納等無線 電系統(tǒng)中，接收機(jī)詢端信號動態(tài)范圍可達(dá)120dB以上；光纖接收器前端的電流也可 從“pA”級到“mA”級。寬動態(tài)范圍往往給應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來很多問題。一方面，線性 放大器無法處理這樣寬的動態(tài)范圉。另一方面，DA變換中，在保證分辨率的惜況 下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)會隨動態(tài)范圍的增大而增大。因此，在處理寬動態(tài)范圍的信 號時(shí)，常常將其動態(tài)范圍壓縮到一個(gè)可以處理的程度。如果一個(gè)系統(tǒng)中阻抗是線性 的，信號的功率與電壓的平方成正比，信號的動態(tài)范圉既可以用電壓表示也可以用 功率來表示。在工程應(yīng)用中，動態(tài)范用的壓縮分為“線性

2、壓縮”和“非線性壓縮”。線性 壓縮是指放大器的增益與信號的大小無關(guān)，輸出基本保持恒定。線性壓縮的特點(diǎn)使 諧波失真小，其本質(zhì)是一種“壓控放大器”（VCA） o非線性壓縮方面最好的例子 就是對數(shù)放大器。它是輸入輸出信號成對數(shù)關(guān)系的器件，它對信號動態(tài)范圍的壓 縮不需要像AGC系統(tǒng)那樣提取輸入信號的電平來控制增益，其增益與信號的大小成 反比，在通信、雷達(dá)、電子對抗、電子測量中有著廣泛的應(yīng)用。對數(shù)放大器的實(shí)質(zhì)多年來，人們對對數(shù)放大器本質(zhì)的認(rèn)識有一些模糊。通常人們把它看作是一 種放大器，反而淡化了其非線性的特性，把它們看作特殊類型的放大器更是不對。 盡管這些電路提供一些放大功能，如在RF和IF放大器中，它

3、對小信號呈現(xiàn)出高增 益等等，但它們真正的用途是實(shí)現(xiàn)精確的對數(shù)變換，嚴(yán)格地說，這些電路應(yīng)該叫做 “對數(shù)變換器”。但多年來人們已經(jīng)習(xí)慣了 “對數(shù)放大器”的叫法。IC廠商也不 愿因?yàn)楦拿褂脩魧λ麄兊漠a(chǎn)品性質(zhì)和用途造成誤解。因此，本文也將沿用“對 數(shù)放大器”這一名稱。對數(shù)放大器的分類在許多文獻(xiàn)中，對數(shù)放大器的分類也是相當(dāng)混亂的，根據(jù)實(shí)現(xiàn)對數(shù)函數(shù)依據(jù) 的不同，有的將其分為二極管、三極管對數(shù)放大器和級聯(lián)對數(shù)放大器，有的將其分 為真對數(shù)放大器和似對數(shù)放大器等等。但兒十年來，隨著半導(dǎo)體理論、工藝和模擬 集成電路的發(fā)展，許多對數(shù)放大器實(shí)現(xiàn)的方法已經(jīng)被淘汰，其分類方法也未盡科 學(xué)。LI前根據(jù)市場上現(xiàn)有的對數(shù)放

4、大器結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可將對數(shù)放大器分 為三類：基本對數(shù)放大器、基帶對數(shù)放大器和解調(diào)對數(shù)放大器?；緦?shù)放大器也稱跨導(dǎo)線性（Tenslinear）對數(shù)放大器，它基于雙極性三 極管（BJT）的對數(shù)特性來實(shí)現(xiàn)信號的對數(shù)變換。這類對數(shù)放大器可以響應(yīng)緩慢變 化的輸入信號，其特點(diǎn)是具有優(yōu)良的直流精度和非常寬的動態(tài)范圍（高達(dá) 180dB）,缺點(diǎn)是交流特性差。基帶對數(shù)放大器也稱視頻對數(shù)放大器（雖然很少用于視頻顯示相關(guān)的應(yīng) 用），它克服了基本對數(shù)放大器的缺點(diǎn)，能夠響應(yīng)快速變化的輸入。其原理是采用 了一種“逐級壓縮”的技術(shù)，交流特性好，但動態(tài)范圍較小。解調(diào)對數(shù)放大器也稱逐級檢波對數(shù)放大器，它具有分段線性近似

5、性質(zhì)，形成 對數(shù)級聯(lián)后，可以得到很好的對數(shù)傳遞函數(shù)，在整個(gè)動態(tài)范圍內(nèi)對數(shù)精度高，同基 帶對數(shù)放大器相似，也采用多個(gè)級聯(lián)線性放大器，動態(tài)范圍大。對數(shù)放大器原理針對上述的三種對數(shù)放大器，我們分別來講述其實(shí)現(xiàn)信號對數(shù)變換的原理。基本對數(shù)放大器基本對數(shù)放大器在IC設(shè)計(jì)中使用了跨導(dǎo)線性電路，因此也稱做跨導(dǎo)線性 （Translinear）對數(shù)放大器?？鐚?dǎo)線性電路是電流模電路的主要組成部分，是許 多線性和非線性模擬集成電路的理論基礎(chǔ)?？鐚?dǎo)線性的概念在1975年山BarrieGillbert創(chuàng)立，跨導(dǎo)線性對數(shù)放大器就是基于雙極性(BJT)三極管的對數(shù)特性。 如圖1圖1三極管的對數(shù)特性若將ic視為激勵(lì)信號電流，

6、UBE看作響應(yīng)信號電壓，將輸入偏流為零的隔離 放大器接在集電極C與基極B之間以隔離iB的影響?？梢钥闯觯硐隑JT的UBE與其ic是理想的對數(shù)關(guān)系。等式中，Is是BJT 的飽和電流，它與溫度密切相關(guān)。此外熱電壓UT也依賴于溫度。在集成的跨導(dǎo)線 性對數(shù)放大器中這種受溫度影響的缺點(diǎn)已被一個(gè)具有同樣溫度變化特性的三極管修 正，而且可以確保對數(shù)斜率的穩(wěn)定性。UY叫做對數(shù)斜率，固定電流IZ叫做對數(shù)截距(有關(guān)對數(shù)放大器的一些名詞 將在后面予以說明)。基帶對數(shù)放大器與解調(diào)對數(shù)放大器對于高頻應(yīng)用，常常選擇基帶對數(shù)放大器或解調(diào)對數(shù)放大器。盡管這兩種放 大器在細(xì)節(jié)上有些不同，但原理是相同的，它不是采用一個(gè)放大器的

7、對數(shù)特性而是 用多個(gè)相同的線性放大器級聯(lián)來分段線性逼近對數(shù)函數(shù)。如圖2所示，這里只是一 個(gè)理想的通用模型，其核心為一個(gè)限幅放大器，每個(gè)放大單元的傳遞函數(shù)如圖3所 示，對于'個(gè)級聯(lián)限幅放大器構(gòu)成的對數(shù)放大器，EK為限幅放大器的飽和電壓， A為放大倍，當(dāng)輸入信號電壓小于臨界值EK/AN-1時(shí)，限幅放大器的每一級都不會 飽和，因此，小于EK/AN-1的輸入信號可以得到充分的放大，此時(shí)輸出信號幅度是 輸入信號幅度的AN-1倍。當(dāng)輸入電壓大于EK/AN-1小于EK時(shí)，山于各級限幅的原 因，輸入信號越大，飽和的級數(shù)越多。當(dāng)輸入大于EK時(shí)，輸出則為AEK。輸入信 號幅度在EK/AN-1和EK之間的信

8、號，其總的輸出電壓與輸入電壓的幅度可用下式 表示：VIN= EK/AN-M , VOUT二，其中M為飽和的級數(shù)（MW）實(shí)際的電路結(jié)構(gòu)是：對于小信號采用增益為A的放大器，而大信號則采用單 位增益放大器，稱之為A/1放大器，如圖4所示，限幅增益放大器和單位增益緩沖 器并聯(lián)，輸出送加法器。解調(diào)對數(shù)放大器與基帶對數(shù)放大器雖然都采用上述的級聯(lián) 限幅放大器，解調(diào)對數(shù)放大器不是將輸出直接累加，而是先檢波然后輸出累加，用 級聯(lián)限幅放大器構(gòu)成的對數(shù)放大器有兩種輸出：對數(shù)輸出和限幅輸出。許多應(yīng)用中 限幅輸出并不需要，但有些應(yīng)用中，兩種輸出都是必須的。解調(diào)對數(shù)放大器的對數(shù) 輸出一般包括幅度信息，而相位和頻率信息則被

9、丟失。如果采用半波檢波器和延時(shí) 補(bǔ)償，相位和頻率信息也可被保留。圖2線性放大器級聯(lián)兩個(gè)單一頻率的交調(diào)失真指標(biāo)在射頻應(yīng)用中特別重要。它是表征放大器的交 調(diào)失真（IMD）的質(zhì)量因數(shù)。諧波失真是山幅度傳遞函數(shù)特性中的非線性所致。交 調(diào)失真山兩個(gè)或更多不同頻率的信號混頻而成。當(dāng)輸入信號只含一種頻率時(shí)，放大 器的輸出僅產(chǎn)生諧波失真，若輸入信號含兩中頻率，則輸出產(chǎn)生諧波失真和交調(diào)失 真。此時(shí)，輸出包含了放大器的直流偏移、有用信號、二次諧波、二階交調(diào)失真、 三次諧波、三階交調(diào)失真等等。大多數(shù)的交調(diào)失真可以被濾掉（包括二階交調(diào)失 真），但輸入信號的兩個(gè)頻率黑的很近時(shí)，三階交調(diào)失真將和兩個(gè)基頻相近而不容 易被濾

10、掉。通常三階交調(diào)失真與窄帶應(yīng)用有關(guān)，而二階交調(diào)失真與寬帶應(yīng)用有關(guān)。 如果放大器的非線性可以用幕級數(shù)展開的話，那么輸入信號每增加ldB,二階交調(diào) 失真會增加2dB,三階交調(diào)失真會增加3dBo輸入信號超過一定值后，放大器開始 飽和，同時(shí)IMD分量明顯增加，理想輸出功率和二階交調(diào)，三階交調(diào)失真功率會會 在某一點(diǎn)相交。這些交點(diǎn)在縱軸上的投影既對應(yīng)的輸出功率通常為放大器輸出功率 提供基準(zhǔn)。交點(diǎn)功率越大，使IMD增大的電平就越大。所以給定的信號電平下IMD 就越低。（如圖4所示）。另一個(gè)值得關(guān)注的參數(shù)是ldB壓縮點(diǎn)（ldB compression point），從這點(diǎn)開始，輸出信號已開始受到限制，并相對理

11、想的輸 入輸出曲線衰減ldBom3 -11圖4交調(diào)失真動態(tài)范用系統(tǒng)的動態(tài)范圍的下端在能夠保證測量精度的范圉內(nèi)受噪聲的限制，而信號 范圍的上端受放大器非線性方面的影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中規(guī)定系統(tǒng)動態(tài)范圉的 一種方法是確定信號的大小使其總諧波失真（THD）在某種可接受的程度，比如 1%O或規(guī)定使系統(tǒng)的輸出功率相對理想輸出功率下降ldB的信號電平（ldB壓縮 點(diǎn)）。顯然，測定系統(tǒng)動態(tài)范用依賴于信號的性質(zhì)和采用的處理方法，沒有單一的 標(biāo)準(zhǔn)可用來精確測定所有系統(tǒng)的動態(tài)范圉。事實(shí)上，信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的中心問題 是對每一部分進(jìn)行優(yōu)化，使其能恢復(fù)出最大可能的信息。對數(shù)斜率和截距斜率（slope）和截距（int

12、ercept）是表征對數(shù)放大器傳遞函數(shù)的兩項(xiàng)技術(shù)指 標(biāo)，如圖5所示，輸入很小的情況下，對數(shù)函數(shù)可以認(rèn)為是線性，在對數(shù)坐標(biāo)中輸 入-輸出曲線比較平緩。隨著信號的增大對數(shù)曲線為一條直線，對數(shù)斜率定義為： 輸出信號（V） /輸入信號（dBm）。若將傳遞函數(shù)的線性部分延長與坐標(biāo)橫軸相 交，其交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值被稱為截距，它反映了對數(shù)放大器對于小信號的增益，線性 部分的斜率則表明了輸出信號相對于輸入信號的變化。成為對數(shù)斜率。它表明隨著 信號的增大，對數(shù)增益的變化。一旦對數(shù)放大器的斜率和截距確定后，其信號的輸 入和輸出就可用下面的公式計(jì)算U0UT二斜率X （UIX-截距）。山公式可以看出截距 的增加會導(dǎo)致輸出

13、電壓的下降。對數(shù)一致性誤差在消除了參考電流誤差和失調(diào)分量后，對數(shù)放大器輸出端呈現(xiàn)的實(shí)際電壓值 與傳輸特性方程所算出的理想值的差值稱為對數(shù)一致性誤差。它與器件的動態(tài)范 圍、頻率特性和溫度密切相關(guān)。一個(gè)成熟產(chǎn)品的對數(shù)放大器制造出來后其對數(shù)一致 性誤差也就響應(yīng)的定了下來。因此，定義在一個(gè)可接受的誤差范圍內(nèi)（比如 ±3dB）,相應(yīng)的對數(shù)放大器的動態(tài)范用也就確定。例如，AD8307的對數(shù)一致性在 100Hz 時(shí)為土0. 3dB, 500Hz 為±ldB。對數(shù)放大器的典型應(yīng)用寬動態(tài)范圉放大器對數(shù)放大器的特點(diǎn)是在提供大動態(tài)范圉同時(shí)能突出成本優(yōu)勢。在移動通信系 統(tǒng)中，CDMA和GSM都需要

14、調(diào)節(jié)基站的功率輸出，以匹配LI標(biāo)手機(jī)和本地基站對通 訊距離的要求。近可能的減少基站近處手機(jī)過載的可能性。同樣，基站也需要調(diào)節(jié) 接收信道的增益，從而加大信噪比，降低誤碼率。此類大量的對數(shù)放大器應(yīng)用于 RSSI (接收信號的強(qiáng)度指示)和發(fā)射功率控制場合。在某些無線電接收通道中的中 頻放大器設(shè)計(jì)，也可采用對數(shù)放大器。例如單片AD8307可完成信號接收解調(diào)功 能，前端進(jìn)行適當(dāng)?shù)念l率比配后動態(tài)范圍可達(dá)92dBmo若前端配合低噪聲X-M!P(r) 技術(shù)的放大器，動態(tài)范圍更可高達(dá)120dBm,無須外部溫度補(bǔ)償，元件少，電路非 常簡潔。值得注意的是由于對數(shù)放大器的實(shí)質(zhì)時(shí)完成輸入輸出信號的對數(shù)變換。并 不強(qiáng)調(diào)其

15、放大器的放大器能力，因此對數(shù)放大器的檢波輸出電壓一般不能滿足后續(xù) 處理電路的門限電壓要求，通常采用高帶寬增益積的運(yùn)放對經(jīng)過對數(shù)變換后的信號 做進(jìn)一步的放大。對于標(biāo)稱的10%90%電壓上升時(shí)間是否可調(diào)的問題，應(yīng)當(dāng)說如 果輸出不帶緩沖，則上升時(shí)間可通過外部電路來調(diào)節(jié)。若輸出信號已經(jīng)是經(jīng)過緩沖 以后的信號，則10%-90%電壓上升時(shí)間是不可調(diào)的。如圖5所示圖5不帶緩沖輸出的對數(shù)放大器輸出端另外對數(shù)放大器輸入輸出呈對數(shù)關(guān)系，對于大信號而言無須類似AGC的外部控制電路，使得對數(shù)放大器在光光纖通信方面有著可喜的前景。例如光通信系統(tǒng)應(yīng) 用中的功率監(jiān)控，包括激光控制電路、光開關(guān)、衰減器、放大器等場合，傳統(tǒng)解決

16、 方案要求采用成本較高的帶切換增益互阻放大器前端的數(shù)字信號處理電路。如采用 雙對數(shù)變換器ADL5310則大大簡化了摻鉗光纖放大器(EDFA)、可變光衰減器(VOA) 和光分插復(fù)用器(OADM)的控制環(huán)路的設(shè)計(jì)，ADL5310包含兩個(gè)獨(dú)立的信號通道以便 與光電二極管相連，允許為每個(gè)通道獨(dú)立配置傳遞函數(shù)常數(shù)(斜率和截距)。其對數(shù) 變換能力允許對差分信號進(jìn)行測量以便i十算增益或吸收率。數(shù)據(jù)壓縮對數(shù)放大器輸入輸出呈對數(shù)關(guān)系，輸入信號的動態(tài)范圍可以很大，這個(gè)特點(diǎn) 非常適用數(shù)據(jù)壓縮。假設(shè)輸入信號范圍從1V-10V,要求在IV時(shí)的分辨率為1%,為 保證精度則在10V時(shí)分辨率就是0. l%o為保證分辨率，要求

17、使用10位數(shù)模轉(zhuǎn)器。 如果分辨率不變，而輸入范圍為lOMv-lOV,至少需要16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)在用對 數(shù)放大器，其輸入動態(tài)范圍為3個(gè)數(shù)量級，信號的分辨率保持1%,則模數(shù)轉(zhuǎn)換器 用12位足矣。因此在數(shù)據(jù)壓縮方面對數(shù)放大器有著很重要的作用，經(jīng)常在數(shù)據(jù)采 集的前端要經(jīng)過對數(shù)放大器，然后將信號送入采集卡的模擬輸入端，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后 送入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)化。對數(shù)放大器應(yīng)用的常見問題帶寬在對數(shù)放大器中，系統(tǒng)的帶寬不能用恒定輸入信號而輸出下降3dB的頻率間 隔來決定系統(tǒng)的帶寬。因?yàn)樾盘柦?jīng)過對數(shù)放大器后，其幅度會被壓縮，這樣測定的 值往往大大超出前端匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬，不能真正反映對數(shù)放大器的頻率特性。所 以，應(yīng)當(dāng)采用恒定輸出，將輸入下降3Db時(shí)的頻率間隔作為對數(shù)放大器帶寬的方法 就不會出現(xiàn)上述的情況。噪聲干擾有些對數(shù)放大器的輸入帶寬非常寬，可高達(dá)2.5GHz。寬的頻率范圍必然導(dǎo)致 一些無用信號的進(jìn)入放大器，隨