對數(shù)放大器的原理與應(yīng)用.docx

1、對數(shù)放大器的原理與應(yīng)用信號壓縮在現(xiàn)實世界中，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)前端信號動態(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) 范圍。另一方面，DA變換中，在保證分辨率的情況下，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, 常常將其動態(tài)范圍壓縮到一個可以處理的程度。如果一個系統(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)范圍既可 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)范圍的壓縮分為“線

2、性壓縮”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RF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 和F放大器中，

3、它對小信號呈現(xiàn)出高增益等等，但它們真正的用途是實現(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。£廠商也不 愿因為改名而使用戶對他們的產(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。但幾十年 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 實現(xiàn)的方法已經(jīng)被淘汰，其分類方法也未盡科學(xué)。目前根據(jù)市場上現(xiàn) 有

4、的對數(shù)放大器結(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（Tmnslhear）對數(shù)放大器，它基于 雙極性三極管（BJT）的對數(shù)特性來實現(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）,缺點是交流特性差?；鶐?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，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

5、性近似 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現(xiàn)信號對數(shù)變 換的原理?；緦?shù)放大器基本對數(shù)放大器在工設(shè)計中使用了跨導(dǎo)線性電路，因此也稱做跨導(dǎo) 線性(Translhear)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)。跨導(dǎo)線性的 概念在1975年由Bam G ibert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)特性若將上視為激勵信號電流，

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B的影響?？梢钥闯?，理想BJT的UBE與其七是理想的對數(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已被一 個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）?；鶐?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，它不是采用一個放大器的對數(shù)

7、特性而是用多個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，這里只是一個理想的通用模型，其核心為一個限幅放大器，每個放大單元的傳遞函數(shù)如圖3所示，對于N 個級聯(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 EKAN-1時，限幅放 大器的每一級都不會飽和，因此，小于 EKAN-1的輸入信號可以得 到充分的放大，此時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EKN-L小于EK時，由于各級限幅的原因，輸入信號 越大，飽和的級數(shù)越多。當(dāng)輸入大于 EK時，輸出則為NAEK o輸入信號幅度在EK AN-1和EK之間的信號，其總的輸出電壓

8、與輸入電 壓的幅度可用下式表示：V1N= EKAN-M , VOUT=,其中M為飽和的級數(shù)（M WN）實際的電路結(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丟失。如果采用

9、半波檢波器 和延時補償，相位和頻率信息也可被保留。圖2線性放大器級聯(lián)Ek圖3限幅放大器對數(shù)放大器的技術(shù)指標(biāo)這里我們有必要對對數(shù)放大器的相關(guān)指標(biāo)做進(jìn)一步的說明，因為他們與工程實踐密切相關(guān)。也是在使用對數(shù)放大器中必須考慮的問題。噪聲所有信號處理系統(tǒng)都受到隨機(jī)噪聲的限制， 這便對最小信號設(shè)置了可被檢測或識別的門限。隨機(jī)噪聲和信號輸入端的帶寬密切相關(guān), 隨機(jī)噪聲常用“噪聲頻譜密度（SND） ”來定義，總的噪聲功率與系 統(tǒng)的噪聲帶寬BN （用Hz來表示）成正比。在線性系統(tǒng)中，輸出噪聲 功率N與系統(tǒng)的帶寬有關(guān)，這里的帶寬通常是指3dB帶寬，對于理 想低通系統(tǒng)而言，3dB帶寬就是系統(tǒng)的等效噪聲帶寬。而在非線

10、性系 統(tǒng)中例如對數(shù)放大器，情況就不同了，即使輸入端很小的噪聲都會引 起放大器末級的過載現(xiàn)象。因此對數(shù)放大器的主要缺點是會降低大信號 的信噪比。所以對數(shù)放大器的前級一般的噪聲頻譜密度（NSD）設(shè)計的 非常低。例如AD 8307的前級放大器SND為1.5nV/。交調(diào)失真兩個單一頻率的交調(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（WD ）的質(zhì)量因數(shù)。諧波失真是由幅度傳遞函數(shù)特 性中的非線性所致。交調(diào)失真由兩個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，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，輸出包含了放 大器的直流偏移、有

11、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）， 但輸入信號的兩個頻率靠的很近時，三階交調(diào)失真將和兩個基頻相近而 不容易被濾掉。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事級 數(shù)展開的話，那么輸入信號每增加IdB,二階交調(diào)失真會增加2dB,三階 交調(diào)失真會增加3dB。輸入信號超過一定值后，放大器開始飽和，同時MD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 會會在某一點相交。這些交點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)。交點功率越大，使MD增大的電平就越大

12、。 所以給定的信號電平下WD就越低。（如圖4所示）。另一個值得關(guān)注 的參數(shù)是IdB壓縮點（IdB com pressbn point），從這點開始，輸出信 號已開始受到限制，并相對理想的輸入輸出曲線衰減 IdBoINT22階交點輸入功率（相對單-頻率）（dBm）GBP) (<奚1<裝要)榭俘壬建圖4交調(diào)失真動態(tài)范圍系統(tǒng)的動態(tài)范圍的下端在能夠保證測量精度的范圍內(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，在實際應(yīng) 用中規(guī)定系統(tǒng)動態(tài)范圍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%?；蛞?guī)定使系統(tǒng)的輸出功 率相對理想輸出功率下降IdB的

13、信號電平（ldB壓縮點）。顯然，測 定系統(tǒng)動態(tài)范圍依賴于信號的性質(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)范圍。事實上，信號處理系統(tǒng)設(shè)計的中 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（sbpe）和截距（inteicept）是表征對數(shù)放大器傳遞函數(shù)的兩 項技術(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）獺入信號（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

14、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算UOUT=斜率X （U3N灌距）。由公式可以看出截距的增加會導(dǎo)致輸出電壓的下降。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，定義在一個可接受的誤差范圍內(nèi)（比如±3dB）,相應(yīng)的對數(shù)放大 器

15、的動態(tài)范圍也就確定。例如，AD 8307的對數(shù)一致性在100Hz時為 ±0.3dB, 500Hz 為±ldB。對數(shù)放大器的典型應(yīng)用寬動態(tài)范圍放大器對數(shù)放大器的特點是在提供大動態(tài)范圍同時能突出成本優(yōu)勢。在移 動通信系統(tǒng)中，CDMA和GSM都需要調(diào)節(jié)基站的功率輸出，以匹配 目標(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，也可采用對數(shù)放大器。例如單片AD 8307可完成

16、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)92dBm o若 前端配合低噪聲X7MP6技術(shù)的放大器，動態(tài)范圍更可高達(dá)120dB m, 無須外部溫度補償，元件少，電路非常簡潔。值得注意的是由于對數(shù)放大器的實質(zhì)時完成輸入輸出信號的對數(shù)變換。并不強調(diào)其放大 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%電壓上升時間是不可調(diào)

17、的。如圖5所示£ 67k Qtnu±-AD8307-O-T-120口溫5芍12*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則大大簡化了摻銀光纖放大器（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，ADL5310包含兩個獨立的信號通道以便與光

18、電二極管相連，允許為每個通道獨立配置 傳遞函數(shù)常數(shù)斛率和截距）o其對數(shù)變換能力允許對差分信號進(jìn)行測量以便計算增益或吸收率。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，這個特點非常適用數(shù)據(jù)壓縮。假設(shè)輸入信號范圍從1V-10V ,要求在 IV時的分辨率為1% ,為保證精度則在10V時分辨率就是0.1% o為保證 分辨率，要求使用10位數(shù)模轉(zhuǎn)器。如果分辨率不變，而輸入范圍為10M V-10V ,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

19、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。因為信號經(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，隨機(jī)噪聲功率也與隨輸入帶寬成正比。在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，這

20、種現(xiàn)象更常見。假設(shè)你正在使用 一個寬動態(tài)范圍的對數(shù)放大器，而附近的一個移動電話可能會帶來- 60dBm的噪聲，這就會把你的動態(tài)范圍削低20dB。一種解決辦法是把 對數(shù)放大器的兩個差動輸入端接地。因為對數(shù)放大器通常都是交流耦 合輸入，所以可以在輸入端與地之間接耦合電容。另一種有效的辦法 是使用濾波電路，也可以在輸入端利用一個匹配網(wǎng)絡(luò)間接來實現(xiàn)濾波。 窄帶匹配網(wǎng)絡(luò)具有某種濾波特性并能對帶測信號提供一定程度的增益。 此外高頻應(yīng)用中，電路的屏蔽和接地非常重要。敏感電路可以置于屏蔽 盒內(nèi)。波形對截距的影響對于交流耦合信號，不同波形的信號將影響某些解調(diào)對數(shù)放大器的截距，使其有效值上移或下移（如圖 7）,但

21、不影響對數(shù)放大器的斜率。這是由于解調(diào)對數(shù)放大器在解調(diào)后低通濾波器的信號檢波與平均特性引起的后果。而在基帶對數(shù)放大器中不存在依賴于波形的截距問題。AD8307用未調(diào)制的正弦波及與正弦波具有相同功率有效值的CMDA信號（9個通道全部打開）分別驅(qū)動時的傳遞函數(shù)圖象?？梢钥闯?，在器件的整個動態(tài)范圍之內(nèi)，它們的輸出電壓相差3.55dB（88.7mV）,具有正弦輸入特性的對數(shù)放大器測量各種波形信號幅度有 效值時需加的校正因子，例如測量方波的有效值時，就應(yīng)該從對數(shù)放 大器輸出電壓值中減去表中dB值等價的mV值（在AD8307中 方波是-3.01dB對應(yīng)75.25mV）。2乎三二士海止弦波 J01 I I I I I I I I I-80-60-40-20020輸入功率（dBin ）圖6波形對截距的影響表1解