可以满足RF功率测量的对数放大器的设计

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。

 

 

图2：正如此FM接收机框图所示，对数放大器通常用于接收机的AGC反馈环路，以维持信号电平尽管输入信号强度范围很广，但在很窄的范围内。

尽管对于等于或小于零的参数，对数函数未定义，但实际电路确实具有非正信号。因此，对数放大器设计人员使用各种技术来解决这一局限。对数放大器及其应用分为三大类：

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。

当需要某种信号压缩时，基带对数放大器用于音频和视频电路，以及接收器信号链的IF级和超声电路的信号处理路径。对于正输入信号或负输入信号，它具有对称输出，输出对于正输入为正，对于负输入为负。

解调对数放大器既压缩和解调RF信号，其输出为整流信号包络的对数。该对数放大器用于RF收发器应用，其中接收的RF信号强度用于控制发射器输出功率。输出基于输入的绝对值，无论输入是正还是负，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。

 

 

图3：二极管众所周知的电流与电压关系是几乎所有对数放大器设计的基础(左图);为了利用这种二极管关系，它被放置在基本运算放大器设计的反馈环路中(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)。

对数放大器规格

对数放大器的物理实现可以是集成电路(IC)，也可以是由单个芯片和分立元件组成的模块，IC版本更小，更便宜，功耗更低，以及其他优点，并且可以提供非常好的性能;它们通常是首选。当IC的单一工艺技术以及单个IC不能充分满足应用的所有必要参数(如噪声，带宽或温度范围)时，使用混合结构。

对数放大器具有一些规格类似于传统的非对数放大器，以及一些由于设备的性质而独特的规格。此外，不同的供应商可能对这些参数中的某些参数具有合法的不同定义，因此检查数据表中的详细信息和测试条件至关重要。顶级因素包括：

- 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。

对数放大器最具挑战性的两个问题是噪声和温度系数(温度系数)。由于对数放大器工作数十年，因此可以处理μV，nV甚至pV范围(或μA，nA或pA)的信号。但是，如果信号电平很低，则对数放大器的内部噪声可能会超过信号。对于许多RF应用，幸运的是，只要噪声频谱密度足够低(通常在nV/√Hz的数量级)，低噪声就不像范围和带宽那么重要。

Tempco是最多的对数放大器设计人员和用户的挑战性参数。由于对数放大器的核心基于半导体结的行为，它将不可避免地随温度变化。对数放大器设计人员使用各种设计技术来取消，补偿，修整或最小化温度系数，但它仍然是影响整体性能的一个因素。与许多模拟组件一样，对数放大器可提供详细规格，适用于标准商用，扩展工业甚至军用温度范围。

对数放大器示例显示规格范围

许多模拟和混合信号IC供应商都提供对数放大器。制造商通常提供误差一致性概述曲线，以及详细曲线，显示在每个频率下特定频率以及低温，标称温度和高温下的一致性。

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。

 

 

图6：LT5537在输入和输出之间提供对数线性关系;输入信号由一系列限幅放大器级放大;一系列探测器单元对信号进行整流并产生一个与输入功率线性相关的输出电流。

 

 

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，包括蜂窝手机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)。

总结

虽然它们具有比传统线性放大器更复杂和细微的规格，但对数放大器在射频和光学系统中都发挥着关键作用。具有GHz范围响应的对数放大器用于管理接收器的前端增益以及传输功率，而低频对数放大器用于测量通过光纤链路中的激光二极管的电流。

构建对数放大器的方法有很多种，其中大多数是基于二极管独特的对数电压/电流传递函数的核心。然而，实用的完整对数放大器远比单独的二极管复杂，并且必须适应和权衡动态范围，带宽，温度漂移，噪声和其他性能参数的规格。今天的IC型对数放大器在小型，低功耗和低成本封装中提供了出色的性能。只有在相当专业的情况下，才能越来越多地需要混合的多芯片对数放大器实现。