1、对数放大器的原理与应用（下）北京航空工程技术研究中心罗鹏丁亚生对数放大器的原理与应用(下)对数放大器的典型应用宽动态范围放大器对数放大器的特点是在提供大动态范围同时能突出成本优势.在移动通信系统中,CDMA 和 GSM 都需要调节基站的功率输出,以匹配目标手机和本地基站对通讯距离的要求.近可能的减少基站近处手机过载的可能性.同样,基站也需要调节接收信道的增益,从而加大信噪比,降低误码率.此类大量的对数放大器应用于 RSSI(接收信号的强度指示)和发射功率控制场合.在某些无线电接收通道中的中频放大器设计,也可采用对数放大器.例如单片 AD8307 可完成信号接收解调功能,前端进行适当的频率比配后
2、动态范围可达 92dBm.若前端配合低噪声 XAMP 技术的放大器,动态范围更可高达 l20dBm,无须外部温度补偿,元件少,电路非常简洁.值得注意的是由于对数放大器的实质是完成输入输出信号的对数变换.并不强调其放大器的放大器能力,因此对数放大器的检波输出电压一般不能满足后续处理电路的门限电压要求,通常采用高带宽增益积的运放对经过对数变换后的信号做进一步的放大.对于标称的l0%90%电压上升时间是否可调的问题,应当说如果输出不带缓冲,则上升时间可通过外部电路来调节.若输出信号已经是经过缓冲以后的信号,则 10%90%电压上升时间是不可调的.如图 4 所示.另外对数放大器输入输出呈对数关系,对于
3、大信号而言无须类似AGC 的外部控制电路,使得对数放大器在光纤通信方面有着可喜的前景.例如光通信系统应用中的功率监控,包括激光控制电路,光开关,衰减器,放大器等场合,传统解决方案要求采用成本较高的带切换增益互阻放大器前端的数字信号处理电路.如采用双对数变换器ADL53l0 则大大简化了掺铒光纤放大器(EDFA),可变光衰减器(VOA)和光分插复用器(OADM)的控制环路的设计,ADL53l0包含两个独立的信号通道以便与光电二极管相连,允许为每个通道独立配置传递函数常数(斜率和截距).其对数变换能力允许,.?/IrI5-CdgH,一iIj15l 肇,tII(1j0Hfln(1:1【_J(II1f
4、-图 5 波形对截距的影响,r,r,输入/JJJV输出,时一图 6 输出波形畸变对差分信号进行测量以便计算增益或吸收率.数据压缩对数放大器输入输出呈对数关系,输入信号的动态范围可以很大,这个特点非常适用数据压缩.假设输入信号范围为 lV 一 10V,要求在 lv时的分辨率为 l%,为保证精度【lIlj 在10V 时分辨率就是 0,l%.为保证分辨率,要求使用 l0 位数模转换器.如果分辨率不变,而输入范围为10mVl0V,至少需要 l6 位模数转换器.现在用对数放大器,其输入130I.誊子矗品 t 摹 2005.5,表 1 解调对数放大器对各种输入波形的校正因子正弦波 0dB方波或直流信号一
5、3.0ldB三角波+0.9dBGSMI道+0.55dB(所有时隙均打开)CDMA 正向信道+3,55dB(9 个信道均打开)CDMA 反向信道+0.5dB(9 个信道均打开)PDC 信道+0.58dB(所有时隙均打开)高斯噪声+2,5ldB动态范围为 3 个数量级,信号的分辨率保持 1%,则模数转换器用 l2 位足矣.因此在数据压缩方面对数放大器有着很重要的作用,经常在数据采集的前端要经过对数放大器,然后将信号送人采集卡的模拟输入端,经电平转换后送人 ADC 进行转化.对数放大器应用的常见问题带宽在对数放大器中,系统的带宽不能用恒定输入信号而输出下降3dB 的频率问隔来决定系统的带宽.因为信号
6、经过对数放大器后,其幅度会被压缩,这样测定的值往往大大超出前端匹配网络的带宽,不能真正反映对数放大器的频率特性.所以,应当采用恒定输出,将输入下降 3dB 时的频率间隔作为对数放大器带宽的方法就不会出现上述的情况.噪声干扰有些对数放大器的输入带宽非常宽,可高达 2.5GHz.宽的频率范围必然导致一些无用信号进入放大器,随机噪声功率也与输入带宽成正比.在复杂的电磁环境下,这种现象更常见.假设你正在使用一个宽动态范围的对数放大器,而附近的一个移动电话可能会带来一60dBm 的噪声,这就会把你的动态范围削20dB.一种解决办法是把对数放大器的两个差动输入端接地.因为对数放大器通常都是交流耦合输入,所
7、以可以在输入端与地之间接耦合电容.另一种有效的办法是使用滤波电路,也可以在输入端利用一个匹配网络间接来实现滤?波.窄带匹配网络具有某种滤波特性并能对待测信号提供一定程度的增益.此外高频应用中,电路的屏蔽和接地非常重要.敏感电路可以置于屏蔽盒内.波形对截距的影响对于交流耦合信号,不同波形的信号将影响某些解调对数放大器的截距,使其有效值上移或下移(如图 5),但不影响对数放大器的斜率.这是由于解调对数放大器在解调后低通滤波器的信号检波与平均特性引起的后果.而在基带对数放大器中不存在依赖于波形的截距问题.表 1 是具有正弦输入特性的对数放大器测量各种波形信号幅度有效值时需加的校正因子,例如测量方波的
8、有效值时,就应该从对数放大器输出电压值中减去表中 dB 值等价的 mV 值(在 AD8307 中方波是一3.01dB 对应 75.25mV).是对数放大器的特点.在某些情况下(有电容存在等等), 脉冲没有立即关断而却降至某个低电平,然后按指数规律衰减到 0V,这种输入型号 mV 级的变化很可能我们用肉眼是看不到的.按指数衰减的信号的对数响应是一条直线.如果输入信号是连串的脉冲,输出的后沿很容易和下一个脉冲的前沿重叠,因此,一个适当的差放视频处理电路可产生与输入脉冲等宽度的输出,从而解决脉冲重叠现象,如果应用中脉冲的占空比很大,而有用信息集中在脉冲前沿,则差放视频处理电路可以省略.如图 6 所示
9、.对数放大器的选型我们知道基本对数放大器具有优良的直流精度和非常宽的动态范围,适用于光纤等直流或低频信号的功率测量.这样的模拟集成电路有 AD8304,AD8305.基带对数放大器交流特性好,能响应瞬时变化的输入信号,但动态范围较小,适用于高速数据 I/0 和蜂窝基站等场合的应用.相应的器件有 AD8364.解调对数放大器动态范围大,频率响应宽.适用于系统的脉冲信号的中频放大,频谱分析,天线功率测量,功率指示等等.此类器件有AD640,641,8307,8309,8310.其他类型的对数放大器参见表 2.圊波形畸变表 2ADI 对数放大器,检波器选型对数放大器在低电平输人情况下,即使输入信号的微小变化也会对输出电压产生明显的影响,这正AD8302 双通道检波器 2.7GHz60AD83l3 对数检波/控制器 2.5GHz70AD83l4 对数检波/控制器 2.7GHz45AD836lTruPwr(RMS)检波器 2.5GHz30AD8362TruPwr(RMS)检波器 2.7GHz60ADL53l0 双对数变换器 3nA3mA.2005.5?量子座品 t 暴 I131
