可以滿足RF功率測量的對數放大器的設計
来源: 电子发烧友    发布时间: 2019-03-28 10:47   124 次浏览   大小:  16px  14px  12px
可以滿足RF功率測量的對數放大器的設計

  对数放大器(通常称为对数放大器,有时称为对数检测器)是RF电路和电光接口中使用的模拟元件。其传递函数在概念上很简单:输出电压或电流与输入电压或电流的对数成正比(图1)。它在60到80分贝(通常)的输入范围内实现这种输入/输出关系,但在某些情况下它可以大到或宽到120分贝;一些对数放大器甚至达到160 dB的动态范围。虽然它被称为“放大器”,但它不是习惯意义上的“放大器”;它实际上是一个线性到对数转换器。

  图1:对数放大器或转换器产生输出电流或电压信号( Y轴),与输入电流的对数或电压信号(X轴)成正比;请注意,对于等于或低于零的输入,它是未定义的,尽管对数放大器有这种限制的方法。

  考虑到所有对组件的重视,故意将非线性组件置于系统中可能会适得其反。电路线性度和在很宽的范围内产生的低失真。对数放大器是设计的一部分,但它通常不直接在信号链中。在RF电路中,它通常是闭环控制的一部分,它通过自动增益控制(AGC)调节接收通道增益,通过在宽范围内测量输入信号强度来维持通道中接近恒定的信号电平(RSSI) - 接收信号强度指示器),图2,以及控制发射功率。在光学电路中,它用于监视激光二极管的电流,并根据温度和其他操作因素调整变化。

  圖2:正如此FM接收機框圖所示,對數放大器通常用于接收機的AGC反饋環路,以維持信號電平盡管輸入信號強度範圍很廣,但在很窄的範圍內。

  盡管對于等于或小于零的參數,對數函數未定義,但實際電路確實具有非正信號。因此,對數放大器設計人員使用各種技術來解決這一局限。對數放大器及其應用分爲三大類:

  DC对数放大器(“DC”有点用词不当)用于缓慢变化的信号,最高可达1 MHz。它用于光路功率控制,以及医疗,化学和生物仪器。

  當需要某種信號壓縮時,基帶對數放大器用于音頻和視頻電路,以及接收器信號鏈的IF級和超聲電路的信號處理路徑。對于正輸入信號或負輸入信號,它具有對稱輸出,輸出對于正輸入爲正,對于負輸入爲負。

  解調對數放大器既壓縮和解調RF信號,其輸出爲整流信號包絡的對數。該對數放大器用于RF收發器應用,其中接收的RF信號強度用于控制發射器輸出功率。輸出基于輸入的絕對值,無論輸入是正還是負,都是正的。

  [注意,对数放大器与另一个非线性模拟不同放大器,限幅放大器。该器件有时称为削波放大器,在其大部分范围内都是线性的。但是,当输入接近正或负最大值时,放大器增益开始下降和限制。因此,这个放大器“软限制”并且相对优雅地达到最大输出,而不是仅仅使输出硬饱和 - 这会导致严重失真并且放大器可能需要相对长的时间才能恢复。当输入返回正常范围时,输出也会快速返回线性模式。]对数放大器设计

  对数放大器的核心是基于二极管PN结的电流通过和电压之间众所周知的对数关系(图3左),并与实际电路中的运算放大器结合使用,(图3右)。从这个基本的物理原理开始,对数放大器使用许多拓扑和配置,每个拓扑和配置在精度和带宽要求的各种性能属性和优先级之间提供折衷。虽然内部细节可能与对数放大器用户没有直接关系,但它们确实会影响对数放大器和应用程序之间的匹配。提供高精度传递函数的对数放大器 - 某些应用所需的特性,但在其他应用中则不需要 - 通常称为“线性dB”对数放大器。

  圖3:二極管衆所周知的電流與電壓關系是幾乎所有對數放大器設計的基礎(左圖);爲了利用這種二極管關系,它被放置在基本運算放大器設計的反饋環路中(右)。

  对于RF应用,连续压缩对数放大器使用多级放大和渐进限制以分段方式形成对数的近似值。它们包括一个整流器(探测器),每个都有5到10个低增益级(每个8 dB到12 dB),其输出相加以产生滤波电压,这是一个分贝级的平均功率测量值,超过100 dB其他射频应用采用指数增益设计,增益范围缩小(约60 dB)但精度更高;它通常包括一个探测器,其滤波输出使探测器成为平方律器件,输出是所施加信号的功率等效(rms)值。

  光学应用的对数放大器通常是在“DC级”中,因为它们测量与光功率相关的相对缓慢变化的电流,以控制激光二极管中的电流或光模放大器的增益。他们可能需要在大约几皮安到几毫安的范围内完成这项工作,总共九十年(10 9 :1跨度)。

  對數放大器規格

  對數放大器的物理實現可以是集成電路(IC),也可以是由單個芯片和分立元件組成的模塊,IC版本更小,更便宜,功耗更低,以及其他優點,並且可以提供非常好的性能;它們通常是首選。當IC的單一工藝技術以及單個IC不能充分滿足應用的所有必要參數(如噪聲,帶寬或溫度範圍)時,使用混合結構。

  對數放大器具有一些規格類似于傳統的非對數放大器,以及一些由于設備的性質而獨特的規格。此外,不同的供應商可能對這些參數中的某些參數具有合法的不同定義,因此檢查數據表中的詳細信息和測試條件至關重要。頂級因素包括:

  - 几十年的动态范围:通常以dB为单位,大多数情况下的范围为60 dB至120 dB(或更高)。在所有情况下可能都不需要宽范围,实现它可能会降低其他关键规格的折衷。

  - 带宽:对于今天的RF应用,这通常是一位数的GHz范围,但一些先进的设备可以达到几十GHz。

  - 准确度:符合完美的线性/对数传递函数。它通常在0.1%和1%之间,但也可以根据其测量的输入范围中的位置而变化。

  - 灵敏度:对数放大器可以处理的最低信号值;通常,它在1 nA或1μV的范围内,但可以更低;它通常以dBm为单位指定,通常为50Ω。

  - 偏移:当输入处于最小值时,对数放大器的输出(不为0,因为log 0未定义)。

  - 固定或可调节参考:某些对数放大器具有固定的比例因子,例如0.25 V/十倍(或10 mA/十倍);其他允许用户提供确定比例因子的参考。比例因子可以相对于dB或十进制调出,例如20 mV/dB或400 mV/decade。

  - 单极性与双极性输入和输出:负数的对数未定义,但许多现实世界的信号都是带有负值的双极性信号;为了克服这一限制,基带和解调对数放大器使用偏移,平方或其他技术来允许低于0 V的输入。

  對數放大器最具挑戰性的兩個問題是噪聲和溫度系數(溫度系數)。由于對數放大器工作數十年,因此可以處理μV,nV甚至pV範圍(或μA,nA或pA)的信號。但是,如果信號電平很低,則對數放大器的內部噪聲可能會超過信號。對于許多RF應用,幸運的是,只要噪聲頻譜密度足夠低(通常在nV/√Hz的數量級),低噪聲就不像範圍和帶寬那麽重要。

  Tempco是最多的對數放大器設計人員和用戶的挑戰性參數。由于對數放大器的核心基于半導體結的行爲,它將不可避免地隨溫度變化。對數放大器設計人員使用各種設計技術來取消,補償,修整或最小化溫度系數,但它仍然是影響整體性能的一個因素。與許多模擬組件一樣,對數放大器可提供詳細規格,適用于標准商用,擴展工業甚至軍用溫度範圍。

  對數放大器示例顯示規格範圍

  許多模擬和混合信號IC供應商都提供對數放大器。制造商通常提供誤差一致性概述曲線,以及詳細曲線,顯示在每個頻率下特定頻率以及低溫,標稱溫度和高溫下的一致性。

  例如,ADI公司的AD8318是一款解调对数放大器,它在级联放大器链上使用逐行压缩技术,每级都配有一个探测器单元(图4)。它为1 MHz至6 GHz的信号提供准确的对数一致性,并提供8 GHz的有用操作。输入范围通常为60 dB(输入阻抗为50Ω),误差小于±1 dB(图5),而温度稳定性为±0.5 dB。 4 mm×4 mm,16引脚器件的额定温度范围为-40°C至+ 85°C,采用5 V单电源供电。

  图4:ADI公司的AD8318对数放大器采用级联放大器链和逐行压缩技术,可为1 MHz至6 GHz的信号提供精确的对数一致性,并可在8 GHz的频率下运行。

  图5:供应商为对数放大器提供的许多详细性能图之一,AD8318输出电压VOUT(几乎是直线下降线)和对数一致性(“摇摆”线)对比图.8 GHz的输入幅度也表现出+ 25°C(黑色),-40°C(蓝色)和+ 85°C(红色)的性能。

  凌力尔特公司提供LT5537,宽动态范围RF/IF探测器,工作频率范围为10 MHz至1 GHz(图6)。在200 MHz时,其动态范围为90 dB,具有±3 dB非线性(50Ω输入),如图7所示。检波器输出电压斜率为20 mV/dB(标称值),温度系数为0.01 dB/° C为200 MHz(典型值)。灵敏度也在200 MHz下测量,至少为-76 dBm。它采用2.7 V至5.25 V单电源供电,采用8引脚,3 mm×2 mm封装。

  圖6:LT5537在輸入和輸出之間提供對數線性關系;輸入信號由一系列限幅放大器級放大;一系列探測器單元對信號進行整流並産生一個與輸入功率線性相關的輸出電流。

  图7:这是一个广泛的概述输出电压和线性误差与输入功率的关系,在200 MHz和三个温度下,凌力尔特公司的LT5537辅以大量更详细的性能图。

  第三个例子是MAX4003来自Maxim Integrated。他们的MAX4003低功耗对数放大器设计用于检测工作频率范围为100 MHz至2500 MHz的RF功率放大器(PA)的功率电平(图8)。该对数放大器具有45 dB的典型动态范围,可与无线应用相匹配,包括蜂窝天天看高清PA控制,无线终端设备的发射器信号强度控制以及其他发射机功率测量。

  图8:Maxim的MAX4003对数放大器是100 MHz至2500 MHz的低功耗元件,范围为45 dB;包括四个10 dB放大器/限幅器级,每个级都具有10 dB的小信号增益;每个放大器/限幅器级的输出应用于全波整流器和检测器级也位于第一级之前,共有五个检测器。

  该电压测量装置适用于 - 的典型信号范围 - 58 dBV至-13 dBV,采用各种小型封装,包括8焊球芯片级,μMAX和薄型QFN封装。供应商提供了针对不同频率的高级概述一致性图(图9),以及所引用的每个频率的更详细的一致性图,包括温度甚至封装类型。该器件需要5.9 mA(3.0 V电源),当器件处于关断状态时仅需13μA。它可在-40°C至+ 85°C的整个工作温度范围内实现温度稳定性。

  图9:封装也会影响性能,如Maxim MAX4003数据手册所示,VOUT和对数一致性与2.5 GHz时的输入功率相比,采用8引脚μMAX封装(左)及其8焊球芯片级UCSP?封装(右)。

  總結

  雖然它們具有比傳統線性放大器更複雜和細微的規格,但對數放大器在射頻和光學系統中都發揮著關鍵作用。具有GHz範圍響應的對數放大器用于管理接收器的前端增益以及傳輸功率,而低頻對數放大器用于測量通過光纖鏈路中的激光二極管的電流。

  構建對數放大器的方法有很多種,其中大多數是基于二極管獨特的對數電壓/電流傳遞函數的核心。然而,實用的完整對數放大器遠比單獨的二極管複雜,並且必須適應和權衡動態範圍,帶寬,溫度漂移,噪聲和其他性能參數的規格。今天的IC型對數放大器在小型,低功耗和低成本封裝中提供了出色的性能。只有在相當專業的情況下,才能越來越多地需要混合的多芯片對數放大器實現。

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