發布日期：2022-04-17 點擊率：107
設計人員在處理寬動態范圍信號時會面臨一個大問題。如何才能將幅度變化超過 100 分貝 (dB) 的信號應用于典型動態范圍為 60 dB 至 100 dB 的線性放大器或模數轉換器 (ADC) 呢？此類信號會出現在像雷達和聲吶之類回波測距設備、通信系統和光纖系統中。在此類系統中，低振幅信號需要高增益，高振幅信號需要低增益。
是否有一種方法可以動態調節這些信號，在振幅范圍的低端防止信號損失，在高端防止限幅或削波？
對數放大器或對數轉換器可為低電平信號提供高增益，為高電平信號逐步降低增益，從而解決這個問題。
本文將介紹幾種同時適合低頻率和高頻率應用的對數放大器。然后，本文將討論這些有用的非線性放大器的規格和典型應用。
對數放大器是非線性的模擬放大器，可以產生與輸入信號或信號包絡呈對數函數關系的輸出。它們將具有很大動態范圍的輸入信號，壓縮為具有固定振幅范圍的輸出信號。實現方法是為低電平輸入信號提供高增益，并逐步降低高電平信號的增益（圖 1）。
圖 1：對數放大器通過向振幅最低的信號應用高增益，并逐步降低高電平信號的增益，來壓縮輸入信號（頂部跡線）。中間的跡線顯示了輸入的對數，底部跡線則是對數放大器輸出的包絡。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
輸入信號（頂部跡線）屬于調幅載波。調制信號為線性斜坡。對數放大器輸出（中間跡線）為低電平信號提供較高的增益，并在信號電平增加時逐步降低增益，從而產生對數加權的輸出信號。底部跡線是對數放大器輸出的包絡，是檢測器類型對數放大器的輸出選項。在 ADC 之前應用對數放大器，可以壓縮輸入信號，以適應 ADC 的固定輸入范圍。
對數放大器有兩種不同的拓撲：多級對數放大器和直流對數放大器。多級對數放大器依賴于一系列放大器的順序限幅。這種拓撲最常用于頻率高達數 GHz 的高頻信號，通常用于雷達和通信應用。
直流對數放大器在運算放大器的反饋環路中使用二極管或二極管接法晶體管。這種類型的對數放大器頻率限 20 兆赫 (MHz) 以下。采用這種技術的對數放大器通常在控制應用中結合傳感器使用。
使用多級對數放大器時，可使用一系列具有良好過載限制特性的線性放大器來實現對數振幅響應，且每個放大器的輸出會驅動隨后的各級以及求和電路（圖 2）。
圖 2：此圖顯示了單個輸出求和的多個線性放大器串聯的簡單概念模型（上部）。這種方法產生對數振幅響應，如傳遞函數圖所示（下部）。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
圖 2 所示的放大器串使用了四個放大器，每個放大器具有相同的增益 A。低振幅信號（在導致任何級進行限幅的電平以下）的增益為 N × A，本例中為 4 × A。該圖下部的傳遞函數顯示了這一點，其中最左側（紅色）部分的增益等于 N × A，如振幅線段的斜率所示，振幅介于零到 VMAX / A4 之間，其中 VMAX 是最大輸入電壓。
隨著輸入電平增加，最后一個放大器（第 4 級）會在某個時候開始限幅。整體增益將降低至 (N - 1) × A，也就是 3 × A。在輸入電平 VMAX / A3 和 VMAX / A4 之間的綠色部分斜率代表了這個增益范圍。同樣，隨著輸入電平繼續增加，前幾個級的放大器相繼開始限幅。深藍色部分的增益為 (N - 2) × A，紫紅色部分的增益為 (N - 3) × A，淡藍色部分的增益為 (N - 4) × A，也就是零。
雖然這個概念模型有助于解釋如何使用一系列放大器產生對數響應，但它也面臨著一個棘手的問題。每個放大器級都有關聯的固有傳播延遲。相比后面其他級的信號分量，來自第一個級的信號分量會更早到達求和電路，從而使得輸出波形失真。這可以通過更改基本電路來加以糾正（圖 3）。
圖 3：串聯對數放大器拓撲可進行修改，通過使用采用放大器對的級聯架構來消除延遲。每對放大器都包含限幅放大器，在必要時提供增益；還包含單位增益緩沖器，在不需要放大時使用。每個級中都會進行求和，從而消除延遲。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
這種拓撲使用放大器對取代了單級放大器。每對放大器包含限幅放大器，在必要時提供增益；還包含單位增益緩沖器，在不需要增益時使用。每個級中都會進行求和，從而消除在使用單個加法器時產生的延遲。對于小信號，限幅放大器提供了主導路徑。隨著信號幅度增加，最后一級開始限幅，允許該級的單位增益放大器成為加法器的主輸入。若進一步增加輸入電平，則會導致前幾個級相繼限幅，從而導致增益全面降低。
串聯放大器拓撲的另一種形式是連續檢波對數放大器（圖 4）。
圖 4：連續檢波對數放大器在每級之后添加了峰值檢波。然后，對這些輸出進行求和，產生對數放大輸出信號的振幅包絡。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
連續檢波對數放大器使用了上文所述的相同限幅放大器鏈，但在每級之后添加了峰值檢波。對這些檢測器輸出進行求和，以產生對數放大器輸出的振幅包絡。有些版本也輸出對數放大信號。檢測器可按照半波或全波實現，具體取決于電路設計。在需要提取檢波信號電平的應用中，對數包絡非常有用。此類應用包括自動增益控制和接收信號強度指示器 (RSSI)。
一個很好的商用多級解調對數放大器的實例是 Analog Devices 的 AD8310ARMZ-REEL7（圖 5）。
圖 5：AD8310 多級解調對數放大器級聯了六個放大器，每個放大器具有 14.3 dB 的標稱增益（5.2 的增益）和 900 MHz 的帶寬。（圖片來源：Analog Devices）
AD8310 具有差分輸入，動態范圍為 95 dB，帶寬為 440 MHz，對數線性度為 ±0.4 dB。它級聯了六個放大器，每個放大器具有 14.3 dB 的標稱增益（5.2 的增益）和 900 MHz 的帶寬。每個放大器都會驅動具有電流輸出的檢測器，而該電流輸出則通過內部緩沖放大器被轉換為電壓，然后再輸出。
正如上文所述，另一種對數放大器拓撲是直流對數放大器。該器件在運算放大器的反饋路徑中，使用二極管或二極管接法晶體管。二極管接法晶體管是最常用的配置（圖 6A）。晶體管基極結兩側的電壓與流經電流的對數成正比。在運算放大器的反饋路徑中采用二極管接法晶體管產生的輸出電壓，與輸入電流相對射極飽和 (IES) 電流之比的對數成正比。
圖 6：通過在運算放大器的反饋路徑中使用二極管接法晶體管可實現對數放大器 (A)。通過使用兩個差分連接的此類放大器，可顯著減少這種類型的對數放大器的溫度相關性 (B)。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
圖 6(A) 所示的簡單配置的局限在于：輸出與溫度和射極飽和電流 IES 有關，如公式所示，其中 T 是開爾文溫度。如圖 6(B) 所示，將兩個此類放大器配置為差分對，可以顯著降低這種相關性。差分版為跨阻放大器，可計算 IIN 2 / IIN 1 比率的對數值，并產生電壓輸出。IIN 1 通常設置為固定基準電流。
Texas Instruments 的 LOG114AIRGVT 是一款直流對數放大器，具有最多八個十倍頻程動態范圍，帶寬為 5 MHz。此裝置可以配置為對數放大器或對數比放大器。除了溫度補償對數放大器之外，還包括兩個調節運算放大器和一個 2.5 伏電壓基準源（圖 7）。
圖 7：LOG114 對數放大器的功能框圖和相關外部元器件。該放大器基于溫度補償電路，且包含另外兩個調節放大器。（圖片來源：Texas Instruments）
Texas Instruments 為 LOG114 提供了電路模型，讓設計人員能夠在 TINA-TI Texas Instruments 電路仿真器上仿真設計（圖 8）。
圖 8：LOG114 對數放大器模型的 TINA-TI 仿真，展示了在七個十倍頻程的輸入電流的出色對數線性度。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
該電路使用內置的 2.5 伏電壓基準，建立 1 微安 (μA) 的基準電流 I1。伴隨的傳遞函數顯示了在七個十倍頻程（從 100 皮安 (pA) 到 1 毫安 (mA) 的 140 dB 電流范圍）的線性響應。對數放大器輸出使用附加兩個運算放大器中的一個進行調節，以產生傳遞函數公式：VOUT = -0.249 x log (I1 / I2) + 1.5 伏。
無論是基帶還是射頻，對數放大器都為設計人員提供了一種用于處理寬動態范圍信號的技術。實現方法是，將寬動態范圍信號壓縮為固定輸出范圍，從而防止隨后各級出現溢出和削波情況。對數放大器解決方案可以隨時使用，且通常得到在線仿真工具的支持，從而為設計過程提供幫助。
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