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噪声系数与对数放大器
[Leif 博士的聪明才智—6*] 作者Barrie Gilbert
[编者按: Leif 博士在大约三十岁左右的时候加入了 ADI 公司, 担任 IC 设计师.他具备了丰富的经验——其中既包括这项工作方面的经验, 也包含由于年龄增长而不断丰富的阅历. 他丰富的经验包括了在测量仪表和控制系统方面的大量知识, 这可以追溯到他的青少年时代,那时,他利用通过邮购(telak)公司(这是今天使用的词语,源自该世纪的头十年间使用的 "tele-acquisition"一词)买来的剩余元件,制成了无线电接收机,发射机和电视机. Leif 博士在讲授模拟电路原理方面花费的时间几乎与实际从事设计的时间一样多.早先,他写过无数的"纪要"(Memos) ——属于扼要的专论, 这些文献曾一度被他的设计师同事们广泛参阅, 而且也是公司新成员所渴望阅读的. 这些论文大部分都被转成了电子格式. 可惜的是, 这些电子格式的论文在被称为"信息时代"的那个时期内流失了,因为这些"文字"被存放在那些逐渐过时而被荒弃的存储介质上. 曾几何时, 人人都因为"数据"的泛滥而感到窒息,而同时又感到在模拟设计方面缺乏扎实的基础知识:"本原",即物理现象的根本,而这正是 Newton Leif 喜欢用来称呼那些基本原理的词眼. 最近, 当一位名叫Niku Chen的年轻工程师加入到了ADI公司位于Solna的设计中心的Leif团队中时,他激发起她的兴趣,将所有这些珍宝尽可能多的重新挖掘出来. 这里就是她所发现的此类文章中的一篇,写于 2008 年,用传真的方式复制.我们相信文章几乎没有什么错误.他的散文体,用美国英语写成, 要比我们所期盼的更加华丽. 文章的标题表明那时的Leif (现在仍然在ADI位于Solna的机构中供职, 而且在这一领域十分活跃)显然非常熟悉噪声的基本原理.但是,对这个奇异的小课题上, 他也出现过迷惘. 这样一些编者的评语偶尔也会被插入下面的文章中.] 测量元件使用, 它的最新产品可测量的频率范围从接近直流一直到 12 GHz.这些产品特有的价值,一方面源自它们很宽的 "动态范围" 而另一方面则源自它们直接以分贝数给出测量 , 值的能力. 这些产品具有良好的温度稳定性, 而且严格符合 "对数律" 这篇纪要的中心内容是讨论基本噪声机理所带来的各 . 种限制. 和大多数探究问题根源的过程一样, 我们需要采取一些迂回措施. 对数放大器有三种基本的形式.但是,在这里,仅就 RF 功率测量器件的用途而言,我们主要考虑它们的前两种形式: 它们以分段方式产生出一 1.使用多级放大和逐级限幅的器件, 个非常接近的近似对数特性. 其中的有些器件还提供了最后的限幅放大级的输出,以便提取时间编码的信息(PM或FM, 基带比特流) .这些器件包括AD608,AD640/AD641以及更多 AD8307, AD8309, AD8310, AD8311, AD8312, AD8313, 的AD8306, AD8314, AD8315, AD8316, AD8317, AD8318等器件, 还有AD8319 系列和匹配良好的双对数放大器,例如AD8302(该器件也可测量相位)和ADL5519,它们的测量范围达到了空前的 1 kHz～10 GHz. 这些逐级压缩对数放大器中,每 5 至 10 个低增益(8 dB至 12 dB)放大级就包括了一个整流器(检测器), 这些整流器的输出相加起来, 以产生一个经过滤波的电压, 而这个电压是以分贝为单位的平均功率的测量值. 对于那些也给出最后的硬限幅信号(比如,100 dB范围的产品AD8306/AD8309)的器件, 对数测量则经常被视为一种辅助测量手段, 而且被称为接收信号强度指示器(RSSI). 2. 使用指数式增益放大器(X-AMParchitectute)2的器件, 它们具有 60 dB的典型增益范围,后面跟随单一的检测器, 而检测器经过滤波的输出与一个基准电平进行比较;误差信号经过积分后便产生一个电压,这个电压可以调节放大器的增益,从而把误差调节到零(见图 6 中的文字说明). 由于器件具有精确的指数(有时叫做"以dB表示的线性") 增益函数特性,这个电压就是所施加信号的分贝值.使检测器具有平方率的响应,就可得到所施加的被测信号的功率等效值(rms,均方根值). 这将被认为是自动增益控制(AGC)放大器的一般形式. 相应的, 我们可以把它们叫做AGC型对数放大
器.AD8362,AD8363和 AD8364就属于这种类型, 其中的后两种器件可以对两路输入信号进行同时测量,并计算出它们之间的差值.在这一类型中, 通常不提供对已放大信号的输出. 但AD607(实际上是一个单片式超外差接收机)是一个例外,它的以分贝为单位的RSSI出覆盖了 100 dB的范围,而它的输出信号是经过解调的IF的一对 I/Q分量. 1
Leif 2698:060508 对数放大器中的噪声
偶尔会有人向我们咨询关于对数放大器噪声系数的问题. 将对数放大器用作功率测量器件时, 噪声系数是不是一个有意义的衡量指标,这个问题的答案应该由用户来确定.但是,只要对数限幅放大器应用在信号通路(在 PM 或 FM 应用)中,噪声系数显然就是重要的指标, 因为它可以衡量系统从伴随有噪声的信号中提取信息的能力. 因此, 在供用户评估系统性能的电子数据手册, 应该提供该参数. 这篇纪要是为现场应用工程师及相应的客户而写的. 经过充分校准的单芯片对数放大器(log amp),这项由 ADI 公司首创并在过去二十年间保持领先的技术,被作为惟一的 R F Analog Dlaloglue 42-06,June(2008)
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3.基于双极结型晶体管(BJT)所具备的高度可靠的跨导线性 (translinear)性质的器件——在最高达 10 个 10 倍程 (200 dB!) 的电流范围内, 晶体管的基-射极电压(VBE)与它的集电极电流(IC)之间都保持着精确的对数关系.结合运算放大器对这一性质所开展的早期探索,是由Paterson 完成的. 现在被称为跨导线性对数放大器的现代产品, 则具有类似的情况, 惟一的差异是在实现的细节上. 这是一类独立的对数放大器,在光纤通讯系统中用来测量光功率并控制光模放大器增益,实质上只能对静态电流进行测量,测量范围从最小的 1pA 一直到几个mA.另一方面,使用外部的输入电阻,也可以对很 AD8305, 大幅度范围上的电压进行测量. 具体的例子有AD8304, ADL5306和ADL5310.
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背景
任何系统的内部噪声是基本热能kT所引起的, 因而也就是绝对工作温度T的函数 (其中的k为Boltzmann常数) 在一个人们普 . 遍关注的例子中,基本源(root source)是天线,它的噪声是在接收信号的时候与自由空间电阻进行电磁耦合而引入的, 基本的阻抗值为377 . 信号与噪声是通过第一次阻抗变换而同等的耦合到系统中的,这次阻抗变换是由天线设计所决定的; 在这之后, 用相同阻抗的电缆进行传送. 在驱动具有 300 或其它阻抗的平衡式("双绞线"或"扁平电缆")馈线或者驱动 50 (偶尔有用 75 的)同轴电缆的时候, 它们可以以最高的功率效率工作. 不妨先插入一段关于其它问题的论述:特性阻抗为 71 时, 同轴电缆的损耗最小. 阻抗大于这个值时, 越来越细的内导体的电阻使损耗增加; 小于这个值时, 则不断变薄的电介质层将使损耗增加.虽然 50 不是最优值,但已经成为测量时的电阻基准值, 其中主要的原因是因为方便和标准化. 除非另有说明,这个值就是用于确定噪声系数时所用的电阻值. 作为一个功率源(实际上是一个变送器,它把电磁波转换成电功率),天线呈现出一个复数阻抗ZA = Re(ZA) + jIm(ZA).然而, 天线的特性在一个很窄的频带内一般是纯电阻性的. 很显然, 它能够提供给开路点——比如一个理想的电压响应元件——的功率等于零, 因为从信号源中吸取的电流为零. , 同理, 输入到短路点——如理想的电流响应元件——的功率也为零, 因为我们无法利用其中任何一部分电压摆幅. 这个功率传递定律表明, 该信号源可以向相连的负载传递的最大功率, 出现在负载阻抗中的电阻部分等于RA= Re(ZA)的时候,也就是等于 50 的时候(图 1). 用于RF功率测量的对数放大器(常常简称为RF检波器)一般不需要极低的噪声系数. 取而代之的是, 第一放大级设计的重点是尽可能的降低电压噪声谱密度(VNSD),其典型值为几个 nV/sq-rt Hz,而且,它的噪声性能也是这样表示的.当把这个VNSD在对数放大器的RF带宽 (不是检波之后的带宽——也称视频——带宽)内进行积分之后,所得到的均方根(rms)噪声值一般在几十微伏. 只有当把这个电压相
对输入端的阻抗大小进行讨论时,才可以把该器件的内部噪声表示为功率级(表示为dBm:相对于 1 mW的分贝数).这个积分噪声电压便成为可以可靠的进行测量的最小输入电压值的一个下限, 因而也就间接的确定了最小信号功率. 图 2 示出, 动态范围的这个下限如何在各种不同阻抗选择条件下表示为相应的功率. 请注意图中的响应曲线, 典型情况下是以20 mV/dB (400 mV/十倍频程)为标度的,而且是输入为正弦波时的特殊情况; 一个 0 dBV 的输入表示了一个均方根值等于 1V 的正弦输入.在坐标轴每一个刻度下面标示的数值,是当这个电压加到 50Ω或 316Ω的端接电阻两端时的相应功率级. 图 1. 使用一个电压跟随器(a)或者一个电流反馈放大器(b) 时,都无法利用信号源的任何一部分功率;但是,当使用一个固定增益的反相放大器时(c), 由于反馈电阻RF的放大作用, 当RF等于RA(1 + AV)时,RIN 即等于RA,由此得到噪声因数等于sq-rt (2 + AV)/(1 + AV)(译注:sq-rt为"取平方根").
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接到一个阻值相同的,理想的无噪声电阻RO上.这里,电阻R 的噪声电压EN由于负载RO 的存在而被减半,而后者是不产生
2 噪声的.所以,R的噪声功率简单表示为(EN/2) /R,而这必定
输出电压截距
对数斜率为 400 mV/ 十倍频程,20mV/dB 在 562mV rms时进入饱和 -5dBV,+8dBm re 50 假设 VNSD 为折合到输入端的量值,等于 1.68nV√Hz,带宽为 800MHz的功率带宽本底噪声
等于kTB的噪声功率,即EN2/(4R) = kTB,因此我们有EN =
sq-rt 4kTRB V rms.
噪声系数的定义(多少有些随意)假设,天线"工作在"290 K (16.85°C)的温度下.这里真正所指的,不是组成天线的金属构件的实际温度, 也不是天线周围的空气温度, 更不是具有很窄指向性的信号源的温度.这里所指的是在天线所"看到"的全部范围内的所有物质实体的平均温度,再被它的极坐标图 (即灵敏度与方向之间的关系曲线)进行修正后的结果.冬季时, 瑞典的斯德哥尔摩附近, 当天线对温暖的建筑物附近的辐
输入电压
射源进行搜索时所见到的那个背景温度(因而就是 kT),实际上可以比将天线指向内华达天空时的高得多(虽然, 在实际上, 空气温度对于天线的固有噪声系数是会有一个很小的影响). 在 290 K的条件下,50 天线的开路VNSD,就像其它任何一个电阻一样,是 894.85 pV/sq-rt Hz.把它加到一个无噪声的 50 负载上以后,负载端的噪声电压被减半成为 447.43 pV/sq-rt Hz,所以,噪声功率就是这个电压的平方被 50 所除后的结果,也就是等于 4 ×10
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图 2. 对数放大器对输入电压的响应,示出了动态范围的下限和不同标度之间的对应关系. 在一篇早期的专题论文LEIF 2131:080488*中,我讨论了如何把各种基本的RF对数放大器类型与其它各种波形的响应进行比较. 许多年来, 信号的波形对于对数截距(经常被误称为 "失调")的影响基本上被忽视了,这是因为早期的对数放大器是相当原始的, 而且需要在具体电路中手工予以调整. 作为第一种完整的,经过完全校准的多级对数放大器,AD640改变了所有的这一切.在另外一个地方 ,我曾经指出,对数放大器的设计再也不需要依靠经验公式了(而原先总是如此).
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W/Hz(应该注意,这里不
再是sq-rt Hz).在表示为以毫瓦为单位的功率谱密度之后, 就变为–173.975 dBm/Hz.
不出所料, 这一参数被叫做热噪声噪底. 我们可以看到,阻抗的大小是随意的,而噪底将仍然是–174
*[编者按:我们也许可以获取这篇文章(如果 Niku Chen 可以找到了的话), 并且在晚一些时候发表在《模拟对话》杂志上].
dBm/Hz,只要天线与它的 75 欧姆负载是相匹配的.当我们注意到了上面的计算过程时, 这一点就变得很明显, 即在上面的计算中,数值 sq-rt 4kTR 首先被减半而得到了作为负载电压的 sq-rt kTR,然后再取平方而得到 kTR,最后被除以相同的电阻值(假设是匹配的),这就回到了 kT. [编者按. 这是最低限度.当然,与天线直接相连的有源器件的温度却是可以被降低的.在今天的宇航电子学 (cosmotronics)中,一种叫做 zygomaser 的器件(这是一些工作在低温下的双路微波量子放大器)被用作低噪声放大器.但是, 这样的一对量子放大器价格不菲, 而且它们也不能轻松的置入典型的腕系式 HSIO Municator 中!]
Johnson-Nyquist 噪声
一个理想的输入匹配的天线放大器可以吸收最大的可用功率, 而且它自己不增加任何噪声. 但是, 除了在周围环境中自然产生的噪声源之外, 天线将有它自己的噪声, 一般是折合到 50 的阻抗上, 仿佛是由某个电阻所产生的噪声一般. 我们应该注意到, 这并非是由于某种具体制造技术所造成的, 虽然在大多数实际的电阻中另外一些噪声机理也起到不同程度的作用. 并后来由Nyquist 进行分析电阻噪声是Johnson 首先发现的, 和量化. 这是电流载流子在导体内部的随机运动在电特性上的表现.Nyquist观察到这一运动的能量可以用Boltzmann常数k 和绝对温度T来表示,并可以转化为功率PN(这就是,能量/单位时间).习惯上的做法是把时间表示为倒数的形式,即以系统的带宽,B来表示(单位Hz).这样得到的结果与基本的现象一样简单:与导体有关的噪声功率等于kTB(W). 现在来考虑一个处在绝对温度T下的实际电阻R,该电阻被连
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噪声系数与噪声机理
如果第一级放大器不是理想的, 那就会把它自己的噪声加到信号上. 所以, 让我们假设把一个噪声极低的运算放大器用作一个电压模式的放大器.为了确保信号源,例如一个天线,具有恰当的终端连接,我们把一个 50 的电阻跨接到这个放大器的信号输入端口上. 甚至在考虑该运算放大器自己的内部噪声
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之前,噪声系数就已经退化了 3 dB.下面就解释其原因.首先,我们有定义: 噪声因数=信号的固有信号与噪声功率比/系统输出端的信号与噪声功率比噪声系数=10log10(噪声系数) dB 正如我们已经见到的,开路信号电压VIN是与一个开路电路中的噪声电压,比如说EN , 相关联的,EN 是电压噪声谱密度 (VNSD)在系统带宽内的积分. 我们还假设负载由一个 50 无噪声阻抗所构成,而在这个负载两端的信号电压被减半成为 VIN/2,它的噪声电压也被减半为EN/2.因此,信号与噪声的电压比, 以及信号与噪声的功率比都维持不变. 噪声因数等于 1,而噪声系数(在下文中称为NF)为 0 dB. 当然, 这仅仅在使用一个无噪声负载时才有可能出现. 当负载是用电抗元件构成时,这种理想化是可以接受的.例如,sq-rt L/C 有一个电阻的量纲,而一个 L/C 网络,从原理上讲,是没有任何损耗的.即使是真实的 L/C 网络也只有非常低的损耗: 这些元件本质上是不耗散功率的.(与之相比,电阻把功率转变成热,而热被耗散到了宇宙之中.)但是,即使在借助于魔术般的 L 和 C(这些元件在提供功率增益时是必不可少的) 的时候, 有源器件是一定会有欧姆电阻的, 因而会使 NF 变坏.
电流为 1 mA时,这个噪声等于 17.9 pA/sq-rt Hz.但不同于电阻噪声,散粒噪声是与温
度无关的(对于晶体管的情况,当把所有详细的局部机理, 包括跨导对于温度的依从关系, 都组合起来之后).这最多也不过是电流粒度的现象.此外,电阻噪声直接的表示了功率, 而散粒噪声仅仅是电流的波动, 因而仅当流入一个阻抗——经常是在某个"输出端"——的时候,才相当于一定的功率. 现在,有这样的一个阻抗(不是"集电极输出电阻")存在于一个晶体管内.这就是"发射极微变电阻"re,是小信号跨导的倒数,并等于kT/qIC.这样就产生了一个噪声电压,它可以折合到基射极端口;它的谱密度等于噪声电流与这个电阻的乘并可简化为kT sq-rt 2q/IC. 积, 它等于kT/qIC × sq-rt 2qIC, 在IC = 1 mA和 27°C的条件下,VNSD为 463 pV/sq-rt Hz (图 3).应该记住,re不是一个欧姆电阻,而仅仅是偏导数□VBE/ □IC,因此这个电阻是无噪声的(这就是为什么图中用不同的符号来表示). 但有趣的是, 我们可以注意到, 上面所说的散粒噪声电流与这个电阻的乘积, 完全等于一个实阻值是它的阻值的一半的实际电阻所产生的噪声电压.这里我们举一个例子,比如re等于 25.86 欧姆 , 而实际的 12.93 欧姆电阻的噪声也是 463 可以写为 2 sq-rt pV/sq-rt Hz. 这就是因为 "散粒噪声乘以re"
2 (kT) /qI = sq-rt 2kTre 的缘故 , 而该表达式等于 sq-rt
散粒噪声
结型器件还表现出基本的散粒噪声的现象, 它是由另一类随机机理产生的,这就是,电流越过一个势垒时的粒度.这首先是
8 由Schottky 在观察从真空管阴极发射出的电子时发现的.在
4kT(re/2).这个数值仅当R = re/2 时才等于电阻R的Johnson 噪声sq-rt 4kTR.这一点一定是可以明白无误的"正确的推导出来的".然而,这里也确实遗留下一些使人困惑的问题.为什么这样两个看起来完全不同的基本噪声过程之间, 会存在一个如此奇妙的一致?那又是另一个(很长的)纪要的论题!
被随机释放的过程中, 这些电子构成了一个泊松事件序列, 其中的每一个电子, 犹如一只蜜蜂, 忠实的携带着它的精确的一小包电荷q = 1.602 × 10
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C.
在双极晶体管中把载流子从发射极注入到基极时, 也发生了类似的过程. 在发射和注入过程中的起伏波动的来源, 是在反抗阴极的功函数或者半导体结的带隙能量的时候, 载流子的能量不断产生的微小变化. 在后一种情况下 (与真空管是不同的) , 有些注入的载流子在基极区域中会进行复合, 而在基极区域中存在有另外一些影响较小的噪声机理; 于是, 集电极的噪声受到相应的修改.因此,这被叫做集电极散粒噪声,但容易使人误解的是,噪声的根源是在最初注入载流子的那一边. 你应该注意到 Johnson 噪声是由载流子在导电材料中的随机运动产生的, 而散粒噪声的原因是这些载流子在遇到势垒时的随机现象. 我们可以容易的指出,以A/sq-rt Hz为单位的散粒噪声电流的谱密度的大小等于sq-rt 2qI,其中的q为电子电荷,I为平均偏置电流,对于晶体管的情况,使用IC来表示.例如,当集电极4 图 3. 在中频区内BJT的主要噪声源.
eN-折合到输入端的 B-E电压噪声本征晶体管
低噪声放大器设计的几个方面
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阻抗匹配低噪声放大器的设计本身就是一个很大的题目;但是,我们可以通过BJT(用任何现代技术制造的,我们应该注意到SiGe和其它奇特的异质结晶体管都只是BJT的同类器件) 的某些主要方面来确定出噪声系数的基本下限, 而对于如何能确定出这个基本下限进行思考, 是非常有用的, 甚至在把不可避免的接触电阻RBB' 和REE' 的影响包含到设计流程之前也是如此. 图 4 示出的电路, 乍一看来, 似乎是一个极其原始和不完整的电路, 它并
不比一个带有基极电阻RF的用二极管连接成的晶体管, 并用一个电流源提供偏置的电路形式复杂多少. 让人惊奇的是, 这是一个实用的(虽然不是最优的)低噪声放大器(LNA): 它的VCE,也就是VBE和RF上的电压降之和,足以用来进行举例说明;况且我们还有许多种途径可以对这个基本形式进行改进, 而上述的分析对这些改进形式来说仍然是适用的.
定与绝对温度(PTAT)成正比,以维持这种匹配性——并且维持增益在温度变化条件下的稳定性, 增益的带符号的值等于 1 – qICRA/kT. 这可以通过使IC = 0 来看出,这时的RF 也被迫等于零.这样, 晶体管就没有跨导, 而且取零值的RF简单的把源与负载连接起来,以获得一个量值为 1 的增益(也就是 0 dB).在一个临界电流值IC = kT/qRA上,也就是 517.2 μA = 25.86 mV/50Ω的时候,如果RA = 50 欧姆,那么,该增益变为零(即,–∞ dB),在这之后,增益将增加,并在IC精确的等于 1.034 mA时(当T = 300 K) 穿越-1(再次回到 0 dB!). 在这个值以后,增益将不断增加.在这期间,输入阻抗将一直稳固的停留在RA值上,这里为50Ω.图 5 表示了输入阻抗,电压增益(当达到共扼匹配时, 这也是功率增益)和噪声系数. 在这个理想的仿真中,当IC等于 10 mA时,NF在 0.4 dB以下,而此时的增益为 18.33 (反相),也就是 25.3 dB.
信号源
负载
图 4. 一种基本的跨导线性LNA和它的基本组成. 这个方法可以叫做 LNA 的跨导线性观点, 因为它是从一个理想的无电阻的晶体管模型出发的(见"Foundation Design," Leif 1677:011284)*, 而且展示了如何对放大器的行为取得深入的理解, 而这个行为在某些方面表现得非常漂亮, 而在另一些方面却又则表现出极其复杂. [编者按. 沿着Leif的专题论文的思路,可以看出一种颇具哲理性的解释, 这就是, 如果与信号源和负载连接时需要实现共扼的匹配, 则在不必求助于数学的情况下, 可以看出反馈电阻他的基本观点是, 在电路中只有三个 RF的阻值必然等于RA /re. 关键性的电阻:未知的RF,已知的RA和BJT的re.所以,(根据 Leif的观点) 当把它们关联起来的时候, 就只有两个从量纲上看是正确的方法:RF = re /RA或者RF = RA /re.其中的第一个方法显然是不正确的.] 现在,关于这个小电路的奇怪的事情是,对于IC从零开始向上增加时所取的每一个值, 这种匹配都被精确的保持了下来! 这假定我们安排RF以所示的方式去跟踪re,也就是说使它的值等于计算值qICRA2/kT.这样之后,正如经常出现的那样,IC就一 Analog Dlaloglue 42-06,June(2008) https://www.doczj.com/doc/0b9327340.html,/analogdlalogue 5
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图 5. 跨导线性低噪声放大器的异常特性. 这个分析既是乐观的,同时也是悲观的.它之所以是乐观的, 是因为忽略了晶体管电阻的噪声贡献,尤其是RBB'和REE',而且还忽略了有限的小信号电流增益βAC的影响,该增益产生的一个噪声电流sq-rt 2qIC/βAC 将流入信号源的有效阻抗(包括 RBB).应该记住的很重要的一点是,高频下的βAC要远低于直流时的值.对于一个给定的几何图形和偏流,βAC的大小近似等于器件的fT除以信号频率fS(而信号的相位为+90°).因
此,当fT为 10 GHz(永远达不到它的峰值)和fS等于 2 GHz 时,这个BJT的共射极电流增益只有可怜的 5 倍! 因此,在这个例子中,当IC = 10 mA时,集电极散粒噪声的五分之一,也就是 0.2 sq-rt 2qIC = 11.3 pA/sq-rtHz出现在基极上.这是作用在整个基极阻抗上的,因而,50 的信号源阻抗(该阻抗并不要求一定是电阻的)至少产生 566 pV/sq-rt Hz 的VNSD.这个VNSD要比 46.3 pV/sq-rt Hz 多出 12 倍以上, 而原因是re在这一电流下所引起的散粒噪声! 但这些数值又是悲观的,因为我们忽略了所有创造性的技巧, 这就是,在有源器件周围使用电抗元件,以使 NF 大为降低, 虽然不可避免的会引入失真(通常以折合到输入端的双音三阶交调截止点 IIP3 来表示, 1 dB 增益压缩点 P1dB 的表示法而不那么有用). [编
者按. 在我们所持有的Leif专题论文复制件中,此页的顶部,出现下面这段用铅笔标注的说明:"Niku:这里是一段有趣的插语:使用了一个IC = 517 A的基极接地结构,以把RIN设定到 50 ,以便与 50 信号源相匹配,你就可以通过谱分析发现P1dB点从未达到过.这个增益误差在某个输入电平处刚好擦过–0.9 dB,然后按一条渐近线而回到 0 dB.这不是很有趣吗?!你能否找出这里发生了什么情况?"没有注明日期.] 然而, 对于一个在室温下工作的高增益晶体管放大器而言, 在其它属性(例如线性度)可以放松要求的情况下,一个低到 0.3 dB的NF是可实现的.例如,图 1(c)中的放大器呈现一个sq-rt (2 + AV)/(1 + AV)的噪声因数,而所使用的放大器具有可忽略的电压和电流噪声 . 如果我们把增益 AV 设定到 20 V/V (26 dB),则即使我们选择让反馈电阻与 50 的信号源相匹配 (即等于 1.05k ),使得反馈电阻造成的噪声高达 4.18 nV/Hz,那么NF也可以低到 0.2 dB,也就是,20 log10 sq-rt 22/21(这里的第一个因子是 20,因为我们现在使用了电压表示法).当然,在实践中(实在可恨!),这个放大器的输入噪声是不可忽略的.
有 m°C 的量级.这些真正基本的功率响应元件现在仍然被使用在很高的微波频段上, 但自从世纪之交以来, 已经出现了高精度的,低成本的 IC 检测器;我们就可以方便把这些器件使用于从直流到超过 12 GHz 的频率范围上. AD8361和ADL5500/ADL5501系列中的有些TruPwr 检测器使用了模拟计算技术, 以对信号波形的瞬时幅度进行求平方运
2 算,从而产生出一个中间输出VSQ = kVSIG .在这关键性的第
一步计算之后, 再进行求平均值和求平方根的运算, 最后就可以得到均方根值(rms).在这些产品的设计过程中,需要在每一步中都密切注意保持低频区的精度, 并同时需采用那些在各种微波波形的情况下仍能保持精度的电路技术. ADI公司许多新近推出的均方根测量产品, 也包括TruPwr系列产品,使用了高精度的AGC技术(图 6).这些产品首先对也许只有几毫伏输入电平的信号进行放大, 然后把这个信号送入一个平方率单元.这个平方率单元的输出与另一个完全相同的, 但具有固定输入("目标"电压VT)的平方率单元的输出进行比较. 然后对这两个输出的差值进行积分, 并以此对增益进行必要的提升或降低, 以使两个平方率单元的输出回到完全平衡的
状态.由于所使用的可变增益放大器采用了X-AMP 的结构,
所以,这个放大器本身能够提供一个精确的反指数 (inverse-exponential)增益,作为对控制电压的响应,这样就把输入端的信号的均方根幅度精确的表示为以分贝为单位的量.
对数检测器的功率校准
只有很少的电子元件是直接对功率作出响应的. 为了做到这一点, 这些元件不仅必须像电阻那样精确和完整的吸收一部分信号源功率;而且必须对由此而产生的热以相应的精度进行测定. 当一个电阻被跨接到我们的理想的电压模式放大器的输入端时, 由信号源所提供的功率将对电阻作微小的加热. 仅举一个例子来说明,如果信号功率是–30 dBm,也就是1mW,而负载的热阻,比如说,是 100°C/W,那么,温度仅仅升高 100°C . 这是一个非常小的温度变化; 但有些功率检测器确实是直接建立在对一个小质量电阻的温度测量的基础上的, 而这个电阻是悬浮在极薄的纤维上, 悬浮的方式将保证这一结构具有极高的热阻,可以高达 100,000°C/W.即使这样,温度的变化也只 6
积分器迫使误差电压 VE 的平均值等于零 ; 因而 AVE(AXVIN)2=VT2 ,其中VT 为X-AMP输出的"目标值",AX 为 X-AMP的可变增益,如前面给出的.A0为当VX=0 时的增益, 而VY是一个内建的比例电压.相应的,VINA0exp(-VX/VY)=VT. 由此可以得到VX=VYlog(VIN-RMS/VZ),其中VZ为截距的对数
图 6. 一个AGC型对数放大器的一般结构. 一种早期的功率检测器类型,即现在通常被叫做"对数放大器" (虽然这种放大器一般只完成测量功能, 即提供一个与输入平均电压值的对数值成正比的输出) 的器件, 它使用了硬限幅形式的级联的增益级. 我们可以轻松的
证明, 对数函数可以自然的用分段近似的方法来实现, 其中的每一个单元的输出都被逐
4 个地加在一起 .应该注意到,这一操作并未从本质上满足对
输入的"均方"或"真正的功率"作出响应这一要求——虽然,有趣的是, 它对于类似于噪声的信号的响应特性, 实际上确实能 Analog Dlaloglue 42-06,June(2008) 够紧密的跟踪其均方根值.图 7 中画出了这一类型——逐级压缩对数放大器的示意图.
一直到VM
我们可以回想起,对于 50Ω信号源和 50Ω负载电阻情况,噪声系数变坏了 3 dB,这完全是因为端接电阻增加了噪声.当测量器件对信号源呈现开路时,输入端要么并联一个 50 电阻, 以此设定有效的功率响应标度; 要么使输入端从对数放大器的有限的RIN被调整至50Ω.这个与输入端口有关的噪声电压再也不是简单的等于这个电阻的Johnson噪声; 而是这个噪声电压与测量器件输入噪声电压之间的矢量和. 而且, 对数放
M个输出以电流模式相加,每个输出等于gVK [图中部分文字的译文:该放大器在限幅输入电压±EL以下都保持增益A,超过±EL以后,微变增益下降到零.每个输出在绝对值单元或平方率单元g内被转换成电流形式,然后把这些电流相加起来.在这个简图内,第一个限幅级为第五个放大器(未画出).这在VIN=EL/A4时发生.当输入增加到某个值时,第四级开始限幅.这发生在EL/A3的时候.在这一区间内,输入端上的比例等于A,而输出则改变了gVK的"一个单位",这是一个与信号无关的单位,比如 100μA. 这是对数函数所必需的性质,因为"在输入端上的比例A"等于 20log(A)分贝.]
大器固有的输入噪声电流将被乘以这个净并联电阻, 而这样得到的电压, 如果是比较大的话, 就有必要包含到那个矢量和之内. 不过, 这个电压一般已经被间接的包含在了折合到输入端的VNSD参数中了. 我们假设后者被指定为 1 nV/sq-rt Hz.接下来,我们取 300 K (27°C)的值,这是电路板的典型工作温度,对于在 25Ω (50Ω的信号源与外部负载电阻和对数放大器的RIN组成的净 50Ω相并联)上的Johnson噪声为sq-rt 4kTR = sq-rt 4k ×300 × 25 = 643.6 pV/sq-rt Hz.现在,这些噪声的矢量和为 1.19 nV/sq-rt Hz.在对这一"信号"任意的给于一个单位幅度(应该注意到, 50Ω信号源的 300 K噪声为 910 pV/sq-rt Hz)之后,我们就可以有信号源的电压信噪比负载端的电压信噪比噪声系数对于 50Ω信号源和 50Ω负载的更一般的形式是 20 log10(2.2 × 109
2 2 sq-rt 0.6436 + VNSD ).下面的简短的列表列出了对数放大
图 7. 一个逐级压缩对数放大器的框图.
噪声系数与对数检测器
讨论到了现在, 已经显而易见的是, 这些检测器中没有一个是对它们在输入端上所吸收的信号功率进行响应的. 取而代之的是, 这个响应是严格的对于信号的电压波形作出响应的. 信号中的所有功率都是被输入阻抗中的电阻分量所吸收, 而这个电阻分量中的一部分是存在电路内部的, 另一部分是在电路外部添加的,用以降低这个阻抗,通常使之降低到50Ω.这就引起我们对NF规范中数值的怀疑.理想的说,这些类型的对数放大器的灵敏度和测量范围应该永远不用"dBm"来表示(这个 "dBm"是指功率超过 1 mW以上的分贝数),而是永远应该用 "dBV"来表示,这个"dBV"是指电压相对于 1 V rms的分贝数. 一个具有这样幅度的信号在 50Ω电阻负载上将损耗 20 mW, 这等于 13.01 dBm re 50Ω ("折合到 50Ω负载上"). 然而, 只要对数放大器输入端上的净并联电阻是已知的, 它的几条幅度响应曲线就可以共用一个兼有 dBm 和 dBV 两种标度的水平轴, 并有一个固定的偏移量, 这对于 50Ω来说是13 dB, 如图 2 中所示的那样.遗憾的是,RF 业界在分析问题时一般并不使用 dBV,因而这个做法并没有被严格的执行.在许多数据手册中,只使用 dBm 的单位,导致了这个纯粹功率响应的出现,但正如我们已经努力的说明了的那样,对于 RF 功率测量器来说,情况从来就不是这样. 即使当对数放大器的输入级被设计成与信号源阻抗相匹配, 因而可以更好的使
用所有的可用功率,并有助于降低噪底的时候, 器件的响应仍然是对于出现在输入端上的电压进行的. 当然,这并不损害它作为功率测量器件的效用.在低频区,设计出直截了当对负载上的电压和通过负载的电流同时进行采样的电路, 是很容易的. 这种做法的一个实例可以在ADM1191中找到.
噪声因数
器输入端的电压噪声谱密度所对应的噪声系数(NF), 这里假设采用了 50Ω的信号源,而且对数放大器输入端上的净电阻负载为 50Ω.
VNSD NF (nV/sq-rt (dB) Hz) 0.00 0.60 1.00 1.20 1.50 2.00 2.50 对数检测器的基线灵敏度
3.012 5.728 8.345 9.521 11.095 13.288 15.077
Analog Dlaloglue 42-06,June(2008)
https://www.doczj.com/doc/0b9327340.html,/analogdlalogue
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正如曾经指出过的那样, 当被量化的对数放大器 (这个对数放大器提供信号输出) 是一个多级限幅放大器的时候, 噪声系数是一个适用的量度, 而这个对数放大器也可以用作检波器, 提供RSSI输出,例如AD8309.这个器件的指标为,当被一个以 50Ω端接的信号源(也就是说,在它的输入端口上跨接的净电阻为 25 时)驱动时,折合到输入端的噪声(VNSD)为 1.28 nV/sq-rt Hz.从上面给出的表达式来看,NF等于 9.963 dB. 数据手册中,的NF值(p.1) 为 3dB,要低 6 dB,其计算方法是求出 1.28 nV与 50 VNSD=0.91 nV之间的比例,其分贝数就相当于 20 log10(1.28/0.91) = 2.96 dB. 一个对数放大器的基线灵敏度受到它的带宽的限制. 例如, 假设在一个对数放大器(无论是逐级压缩结构,还是AGC结构) 输入端上,总的VNSD为 1.68 nV/sq-rt Hz,并且假设它的有效噪声带宽为 800 MHz. 在这一带宽内的积分RTI噪声为 47.5
8 μV rms(即,1.68 nV/sq-rt Hz × sq-rt 8 × 10 Hz).如果表示为
*[编者按.—这一系列中最早的两篇论文, "The Four Dees of Analog, circa 2025" (1),和"The Fourth Dee: Turning Over a New Leif" (2)在最初出版时未给予编号.] 这里提到的所有产品的资料和数据手册都可以在 Analog Devices 网站上找到 https://www.doczj.com/doc/0b9327340.html,.
作者:
Barrie Gilbert (barrie.gilbert@https://www.doczj.com/doc/0b9327340.html,)是ADI第一位特别研究员,他把"毕生的精力投入到对模拟真谛的追求".他于 1972 年加入Analog Devices, 1979 年被授予ADI特别研究员, 目前负责管理位于 Oregon 州 Beaverton 市的 Northwest Labs.Barrie 于 1937 年生于英格兰的 Bournemouth . 在加入 ADI之前, 他在 1954 年在SRDE 和Mullard公司从事第一代晶体管方面的工作,后来又供职于Tektronix和Plessey Research Labs.Barrie是IEEE的院士(Fellow)(1984),并获得许多奖项.他拥有大约 50 项专利,发表大约 40 篇文章,曾与人合著出版多本著作,而且是多家学报的审稿人.他于 1997 年被授予Oregon State University的荣誉工程博士学位.
折合到 50Ω的dBm值,就相当于 10 log10(噪声功率) = 10
2 log10(47.5 mV /50 ) = –73.46 dBm.
这个"测量本底"是一个比NF更为有用的量度, 因为它表明, 在这个数值以下的信号功率测量将是不精确的. 这里, 我们可以发现,假设噪声波形为高斯型,那么,对于一个接近–73.46 dBm测量本底限的实际的单音调正弦波输入而言,所给出的指示功率将非常接近同一个量值. 作为另一个例子, AD8318 的折合到输入端的噪声谱密度等于 1.15 nV/sq-rt Hz(在Rev. B数据手册的 11 页的第 1 列),因此在这个器件的 10.5 GHz 带宽内的积分噪声电压为 118 μV rms.折合到 50Ω上的噪声功率等于–66 dBm. 用户也应该知晓, 在级数太少的
逐级压缩对数放大器中, 测量底线可以不通过噪声来确定, 而是简单的通过增益的不足来确定.
参考文献
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https://www.doczj.com/doc/0b9327340.html,/library/analogdialogue/cd/vol23n3.pdf#pa ge=3 2 https://www.doczj.com/doc/0b9327340.html,/library/analogdialogue/cd/vol26n2.pdf#pa ge=3 3 Paterson, W. L. "Multiplication and Logarithmic Conversion by Operational-Amplifier-Transistor Circuits." Rev. Sci. Instr. 34-12, Dec. 1963. 4 Gilbert, B. "Monolithic Logarithmic Amplifiers." Lausanne, Switzerland. Mead Education S.A. Course Notes. [1988?] 5 Hughes, R. S. Logarithmic Amplification: with Application to Radar and EW. Dedham, MA: Artech, 1986. 6 Johnson, J. B. "Thermal Agitation of Electricity in Conductors." Phys. Rev. 32, 1928, p. 97. 7 Nyquist, H. "Thermal Agitation of Electronic Charge in Conductors." Phys. Rev. 32, 1928, p. 110. 8 Van der Ziel, A. Noise. Prentice Hall, 1954. 8 Analog Dlaloglue 42-06,June(2008)
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宜兴技师学院 江苏城市职业学院宜兴办学点 江苏省宜兴中等专业学校 教 案 授课者：汤丽亚 授课学科：《电子线路》 授课课题：认识基本放大电路 授课课时间：2011月4月26日上午第4节课授课地点：电教楼304
【指导思想】 本教案内容选自中等职业学校国家规划教材《电子线路》第二版第三章单级低频小信号放大器§3.1-§3.4（P37-P50）。 单级低频小信号放大器是日常实用电路之一，它能够把微弱的电信号增强到所要求的值。常用于各种复杂电路的中间级起放大作用，在实际生活中广泛应用于扩音器、音响、助听器等音频放大设备中。本章主要的学习内容是基本放大电路的组成、静态分析和动态分析、非线性失真、稳定静态工作点原理，研究方法主要是图解法和估算法。本单元所介绍的知识是第四章多级放大器和负反馈放大器、第五章直接耦合放大器的基础，其估算法作为电路分析的重要手段，在今后电路的学习被普遍使用。 中职学生本身对于理论性较强的学科就缺乏兴趣，本书的设计比较注重理论知识的传授，从而影响学习效果；另外，中职学生知道自己的定位是工作，更加看重知识在今后工作中的实用性。 ⑴考虑到中职学生的学习特点和兴趣取向，选取和日常生活联系紧密的电子助听器电路作为项目背景将第三章的内容联系起来，形成一个有机的整体。既可以将零散的知识整合，又可以让学生看到实用性。 本单元的教学内容及课时安排如下： 任务一：认识基本放大电路1课时 任务二：静态工作点的测试和分析1课时 任务三：放大电路交流工作状态测试1课时 任务四：放大电路异常现象的测试1课时 任务五：Q点对输出波形影响的测试1课时 任务六：分析工作点稳定的放大电路1课时 任务七：组装电子助听器2课时 ⑵内容安排上从对三极管相关知识的复习，到放大器的定义、电路组成、放大倍数的测试计算和放大器作用的分析，层层递进，实现从理论到实践的飞跃。 ⑶教学手段上，增加幻灯片图片、FLASH动画、软件仿真等，来丰富课堂形式，调节气氛，提高课堂效率。 【教学目标】 1.能力目标：⑴能描述晶体管放大电路的结构
模拟电路基础知识大全 一、填空题:(每空1分共40分) 1、PN结正偏时(导通),反偏时(截止),所以PN结具有(单向)导电性。 2、漂移电流是(反向)电流,它由(少数)载流子形成,其大小与(温度)有关,而与外加电压(无关)。 3、所谓理想二极管,就是当其正偏时,结电阻为(零),等效成一条直线;当其反偏时,结电阻为(无穷大),等效成断开; 4、三极管是(电流)控制元件,场效应管是(电压)控制元件。 5、三极管具有放大作用外部电压条件是发射结(正偏),集电结(反偏)。 6、当温度升高时,晶体三极管集电极电流Ic(增大),发射结压降(减小)。 7、三极管放大电路共有三种组态分别是(共集电极)、(共发射极)、(共基极)放大电路。 8、为了稳定三极管放大电路的静态工作点,采用(直流)负反馈,为了稳定交流输出电流采用(交流)负反馈。 9、负反馈放大电路和放大倍数AF=(A/1+AF),对于深度负反馈放大电路的放大倍数AF= (1/F )。 10、带有负反馈放大电路的频带宽度BWF=(1+AF)BW,其中BW=(fh-fl ), (1+AF )称为反馈深度。
11、差分放大电路输入端加上大小相等、极性相同的两个信号,称为(共模)信号,而加上大小相等、极性相反的两个信号,称为(差模)信号。 12、为了消除乙类互补功率放大器输出波形的(交越)失真,而采用(甲乙)类互补功率放大器。 13、OCL电路是(双)电源互补功率放大电路; OTL电路是(单)电源互补功率放大电路。 14、共集电极放大电路具有电压放大倍数(近似于1 ),输入电阻(大),输出电阻(小)等特点,所以常用在输入级,输出级或缓冲级。 15、差分放大电路能够抑制(零点)漂移,也称(温度)漂移,所以它广泛应用于(集成)电路中。 16、用待传输的低频信号去改变高频信号的幅度称为(调波),未被调制的高频信号是运载信息的工具,称为(载流信号)。 17、模拟乘法器输出与输入的关系式是U0=(KUxUy ) 1、1、P型半导体中空穴为(多数)载流子,自由电子为(少数)载流子。 2、PN结正偏时(导通),反偏时(截止),所以PN结具有(单向)导电性。 3、反向电流是由(少数)载流子形成,其大小与(温度)有关,而与外加电压(无关)。 4、三极管是(电流)控制元件,场效应管是(电压)控制元件。 5、当温度升高时,三极管的等电极电流I(增大),发射结压降UBE(减小)。
电子电路基础知识点总结 1、 纯净的单晶半导体又称本征半导体，其内部载流子自由电子空 穴的数量相等的。 2、 射极输出器属共集电极放大电路，由于其电压放大位数约等于 1，且输出电压与输入电压同相位，故又称为电压跟随器 （ 射极跟随器 ）。 3、理想差动放大器其共模电压放大倍数为 0,其共模抑制比为乂。 般情况下，在模拟电器中，晶体三极管工作在放大状态，在 数字电器中晶体三极管工作在饱和、截止状态。 限幅电路是一种波形整形电路， 因它削去波形的部位不同分为 4、 5、 上限幅、 下限幅和双向限幅电路。 6、 主从 JK 触发器的功能有保持、计数、置 0、置 1 。 7、 多级放大器的级间耦合有阻容耦合、直接耦合、变压器耦合。 8、 带有放大环节串联稳压电路由调整电路、基准电路、取样电路 和比较放大电路分组成。 9、 时序逻辑电路的特点是输出状态不仅取决于当时输入状态，还 与输出端的原状态有关。 10、 当PN 结外加反向电压时，空间电荷区将变宽。反向电流是由 少数载流子形成的。
11、 半导体具有热敏性、光敏性、力敏性和掺杂性等独特的导电 特性。 12、 利用二极管的单向导电性，可将交流电变成脉动的直流电。 13、 硅稳压管正常工作在反向击穿区。在此区内，当流过硅稳压 管的电流在较大范围变化时，硅稳压管两端的电压基本不变。 电容滤波只适用于电压较大，电流较小的情况，对半波整流 电路来说，电容滤波后，负载两端的直流电压为变压级次级电压的 倍，对全波整流电路而言较为倍。 15、处于放大状态的NPN 管，三个电极上的电位的分布必须符合 UC>UB>UE 而PNP 管处于放大状态时，三个电极上的电位分布须符合 UE>UE>UC 总之，使三极管起放大作用的条件是：集电结反偏，发射 结正偏。 16、 在 P 型半导体中，多数载流子是空穴，而 N 型半导体中，多 数载流子是自由电子。 晶体管放大器设置合适的静态工作点，以保证放大信号时， 三极管应始终工作在放大区。 般来说，硅晶体二极管的死区电压大于锗管的死区电压。 14、 17、 二极管在反向截止区的反向电流基本保持不变。 18、 当环境温度升高时，二极管的反向电流将增大。 19、 20、
一．差分信号的特点： 图1 差分信号 1.差分信号是一对幅度相同，相位相反的信号。差分信号会以一个共模信号 V ocm 为中心，如图1所示。差分信号包含差模信号和公模信号两个部分， 差模与公模的定义分别为：Vdiff=(V out+-V out- )/2，Vocm=(V out+ +V out- )/2。 2.差分信号的摆幅是单端信号的两倍。如图1，绿色表示的是单端信号的摆 幅，而蓝色表示的是差分信号的摆幅。所以在同样电源电压供电条件下，使用差分信号增大了系统的动态范围。 3.差分信号可以抑制共模噪声，提高系统的信噪比。In a differential system, keeping the transport wires as close as possible to one another makes the noise coupled into the conductors appear as a common-mode voltage. Noise that is common to the power supplies will also appear as a common-mode voltage. Since the differential amplifier rejects common-mode voltages, the system is more immune to external noise. 4.差分信号可以抑制偶次谐波，提高系统的总谐波失真性能。 Differential systems provide increased immunity to external noise, reduced even-order harmonics, and twice the dynamic range when compared to signal-ended system. 二．分析差分放大器电路 图2.差分放大器电路分析图
LOG100精密对数放大器 1. 概述 LOG100是美国BURR－BROWN公司生产的精密对数放大器，它可对两个电流或电压之比进行对数运算，也可对单个电流或电压进行对数运算。该放大器输入电流动态范围宽，可在1nA和 1mA之间变化。LOG100采用了先进的集成电路技术，其输入电流或两个输入电流之比在100dB(105)范围内变化时，都能保证总的输出误差在满度输出电压的0.37％以下，偏离理想对数关系不超过0.1％。由于该芯片将放大器、对数晶体管和低漂移薄膜电阻都集成在一起，因此使用时无须外部元件就可以改变增益，给用户带来极大方便。内部电阻经激光调整，用户无需调整就可达到参数规定的运算精度。LOG100还可使用户方便地改变增益，或对失调电压和偏置电流进行补偿，以获得更好的性能。 LOG的优良性能使它具有广泛的应用，除了进行对数和反对数运算外，还可进行数据的压缩和解压，在光学应用中，可进行光密度测量，也可测定物质对光波的吸收系数。 LOG100的电源电压为±15V，环境工作温度范围为0～70℃，采用14脚密封陶瓷双列直插式封装。图1是LOG100的原理电路。 2. 工作原理 现以图2简化的对数放大器来说明它的工作原理。双极型三极管的基－射电压为： V BE=V T ln(I C/I S) 式中，V T=kT/q， k=1.38×10－23焦耳/度(波尔兹曼常数),q为电子电荷量。T为绝对温度(开尔文)，I C为集电极电流， I S为反向饱和电流。 从图2电路可以得到 V OUT=V BE1－V BE2=V T1ln(I1/I S1)－V T2ln(I2/I S2) 如果两只晶体管性能一致、温度相同，则： V′OUT=V T[ln(I1/I S)－ln(I2/I S)]=V T ln(I1/I2) V OUT=V′OUT[(R1＋R2)/R1]=[(R1＋R2)/R1]V T ln(I1/I2) 由于lnX=2.3logX,所以， V OUT=Klog(I1/I2) 这里，K=2.3V T(R1＋R2)/R1。因为V T随温度上升而增加，所以R1用一个正温系数的热敏电阻进行温度补偿。 3. 应用提示 3.1 增益选择和调整 LOG100可以通过把适当的引脚连在一起进行增益选择，表1是增益与引脚连接的对应关系。
电子电路基础知识点总结 1、纯净的单晶半导体又称本征半导体，其内部载流子自由电子空穴的数量相等的。 2、射极输出器属共集电极放大电路，由于其电压放大位数约等于1，且输出电压与输入电压同相位，故又称为电压跟随器（射极跟随 器）。 3、理想差动放大器其共模电压放大倍数为0,其共模抑制比为 4、一般情况下，在模拟电器中，晶体三极管工作在放大状态，在数字电器中晶体三极管工作在饱和、截止状态。 5、限幅电路是一种波形整形电路，因它削去波形的部位不同分为上限幅、下限幅和双向限幅电路。 6、主从JK 触发器的功能有保持、计数、置0、置 1 。 7、多级放大器的级间耦合有阻容耦合、直接耦合、变压器耦合。 8、带有放大环节串联稳压电路由调整电路、基准电路、取样电路和比较放大电路分组成。 9、时序逻辑电路的特点是输出状态不仅取决于当时输入状态，还与输出端的原状态有关。 10、当PN结外加反向电压时，空间电荷区将变宽。反向电流是由 少数载流子形成的
11、半导体具有热敏性、光敏性、力敏性和掺杂性等独特的导电 特性。 12、利用二极管的单向导电性，可将交流电变成脉动的直流电。 13、硅稳压管正常工作在反向击穿区。在此区内，当流过硅稳压管的电流在较大范围变化时，硅稳压管两端的电压基本不变。 14、电容滤波只适用于电压较大，电流较小的情况，对半波整流电路来说，电容滤波后，负载两端的直流电压为变压级次级电压的 1 倍，对全波整流电路而言较为 1.2 倍。 15、处于放大状态的NPN管，三个电极上的电位的分布必须符合UC>UB>UE而PNP管处于放大状态时，三个电极上的电位分布须符合 UE>UE>UC总之，使三极管起放大作用的条件是：集电结反偏，发射结正偏。 16、在P型半导体中，多数载流子是空穴，而N型半导体中，多数载流子是自由电子。 17、二极管在反向截止区的反向电流基本保持不变。 18、当环境温度升高时，二极管的反向电流将增大。 19、晶体管放大器设置合适的静态工作点，以保证放大信号时，三极管应始终工作在放大区。 20、一般来说，硅晶体二极管的死区电压大于锗管的死区电压。
里我们有必要对对数放大器的相关指标做进一步的说明，因为他们与工程实践密切相关。也是在使用对数放大器中必须考虑的问题。 噪声 所有信号处理系统都受到随机噪声的限制，这便对最小信号设置了可被检测或识别的门限。随机噪声和信号输入端的带宽密切相关，随机噪声常用“噪声频谱密度（SND）”来定义，总的噪声功率与系统的噪声带宽BN（用Hz来表示）成正比。在线性系统中，输出噪声功率N与系统的带宽有关，这里的带宽通常是指3dB带宽，对于理想低通系统而言，3dB带宽就是系统的等效噪声带宽。而在非线性系统中例如对数放大器，情况就不同了，即使输入端很小的噪声都会引起放大器末级的过载现象。因此对数放大器的主要缺点是会降低大信号的信噪比。所以对数放大器的前级一般的噪声频谱密度（NSD）设计的非常低。例如AD8307的前级放大器SND为1.5nV/。 交调失真 两个单一频率的交调失真指标在射频应用中特别重要。它是表征放大器的交调失真（IMD）的质量因数。谐波失真是由幅度传递函数特性中的非线性所致。交调失真由两个或更多不同频率的信号混频而成。当输入信号只含一种频率时，放大器的输出仅产生谐波失真，若输入信号含两中频率，则输出产生谐波失真和交调失真。此时，输出包含了放大器的直流偏移、有用信号、二次谐波、二阶交调失真、三次谐波、三阶交调失真等等。大多数的交调失真可以被滤掉（包括二阶交调失真），但输入信号的两个频率靠的很近时，三阶交调失真将和两个基频相近而不容易被滤掉。通常三阶交调失真与窄带应用有关，而二阶交调失真与宽带应用有关。如果放大器的非线性可以用幂级数展开的话，那么输入信号每增加1dB，二阶交调失真会增加2dB，三阶交调失真会增加3dB。输入信号超过一定值后，放大器开始饱和，同时IMD分量明显增加，理想输出功率和二阶交调，三阶交调失真功率会会在某一点相交。这些交点在纵轴上的投影既对应的输出功率通常为放大器输出功率提供基准。交点功率越大，使 IMD增大的电平就越大。所以给定的信号电平下IMD就越低。（如图4所示）。另一个值得关注的参数是1dB压缩点（1dB compression point）,从这点开始，输出信号已开始受到限制，并相对理想的输入输出曲线衰减1dB。
知识| 电子电路基础知识点总结 1、纯净的单晶半导体又称本征半导体，其内部载流子自由电子空穴的数量相等的。 2、射极输出器属共集电极放大电路，由于其电压放大位数约等于1，且输出电压与输入电压同相位，故又称为电压跟随器(射极跟随器)。 3、理想差动放大器其共模电压放大倍数为0，其共模抑制比为∞。 4、一般情况下，在模拟电器中，晶体三极管工作在放大状态，在数字电器中晶体三极管工作在饱和、截止状态。 5、限幅电路是一种波形整形电路，因它削去波形的部位不同分为上限幅、下限幅和双向限幅电路。 6、主从JK触发器的功能有保持、计数、置0、置1 。 7、多级放大器的级间耦合有阻容耦合、直接耦合、变压器耦合。 8、带有放大环节串联稳压电路由调整电路、基准电路、取样电路和比较放大电路分组成。 9、时序逻辑电路的特点是输出状态不仅取决于当时输入状态，还与输出端的原状态有关。 10、当PN结外加反向电压时，空间电荷区将变宽。反向电流是由少数载流子形成的。 11、半导体具有热敏性、光敏性、力敏性和掺杂性等独特的导电特性。 12、利用二极管的单向导电性，可将交流电变成脉动的直流电。 13、硅稳压管正常工作在反向击穿区。在此区内，当流过硅稳压管的电流在较大范围变化时，硅稳压管两端的电压基本不变。 14、电容滤波只适用于电压较大，电流较小的情况，对半波整流电路来说，电容滤波后，负载两端的直流电压为变压级次级电压的1倍，对全波整流电路而言较为1.2倍。15、处于放大状态的NPN管，三个电极上的电位的分布必须符合UC>UB>UE，而PNP 管处于放大状态时，三个电极上的电位分布须符合UE>UE>UC。 总之，使三极管起放大作用的条件是：集电结反偏，发射结正偏。
1前言1 2二级运算放大器电路 1 2.1电路结构 1 2.2设计指标 2 3 Cadence仿真软件 3 3.1 schematic原理图绘制 3 3.2 生成测试电路 3 3.3 电路的仿真与分析 4 3.1.1直流仿真 4 3.1.2交流仿真 4 3.4 版图绘制 5 3.4.1差分对版图设计 6 3.4.2电流源版图设计 7 3.4.3负载MOS管版图设计 7 3.5 DRC & LVS版图验证 8 3.5.1 DRC验证 8 3.5.2 LVS验证 8 4结论 9 5参考文献 9
本文利用cadence软件简述了二级运算放大器的电路仿真和版图设计。以传统的二级运算放大器为例，在ADE电路仿真中实现0.16umCMOS工艺，输入直流电源为5v，直流电流源范围27~50uA,根据电路知识，设置各个MOS管合适的宽长比，调节弥勒电容的大小，进入stectre仿真使运放增益达到40db，截止带宽达到80MHz和相位裕度至少为60。。版图设计要求DRC验证0错误，LVS验证使电路图与提取的版图相匹配，观看输出报告，要求验证比对结果一一对应。 关键词：cadence仿真，设计指标，版图验证。 Abstract In this paper, the circuit simulation and layout design of two stage operational amplifier are briefly described by using cadence software. In the traditional two stage operational amplifier as an example, the realization of 0.16umCMOS technology in ADE circuit simulation, the input DC power supply 5V DC current source 27~50uA, according to the circuit knowledge, set up each MOS tube suitable ratio of width and length, the size of the capacitor into the regulation of Maitreya, the simulation of stectre amplifier gain reaches 40dB, the cut-off bandwidth reaches 80MHz and the phase margin of at least 60.. The layout design requires DRC to verify 0 errors, and LVS validation makes the circuit map matching the extracted layout, viewing the output report, and requiring verification to verify the comparison results one by one. Key words: cadence simulation, design index, layout verification.
简答题 第一章 1.何谓汽车检测、汽车诊断？ 2.汽车检测与诊断的目的是什么？ 3.汽车安全环保检测的目的是什么？ 4.对汽车进行故障诊断的目的是什么？ 5.汽车诊断参数标准分为哪几种？ 6.汽车检测系统的基本组成如何？ 7.汽车检测系统中传感器的作用是什么？ 8.什么叫人工经验诊断法？ 9.发动机技术状况变化的主要外观症状有哪些？ 10.什么叫工作过程参数？ 11.什么叫伴随过程参数？ 12.什么叫几何尺寸参数？ 13.诊断参数的选择原则是什么？ 14.什么是诊断参数的稳定性？ 15.什么是诊断参数的许用值？ 16.什么是诊断参数的极限值？ 17.什么叫诊断周期？ 18.制定最佳诊断周期应考虑哪些因素？ 19.汽车检测系统的基本组成如何？ 20.汽车检测系统中传感器的作用？ 21.智能检测系统的组成如何？ 第二章 22.什么是发动机的稳态测功？ 23.什么是发动机的动态测功？ 24.如何获得发动机单缸功率？ 25.气缸密封性的诊断参数有哪些？ 26.示波器可以显示发动机点火过程的哪几种波形？ 27.什么是点火系的重叠波？有什么作用？ 28.什么是点火系的高压波？ 29.检测点火正时的方法有哪几种？ 30.如何检测水温传感器电阻值？ 31.丰田翼片式空气流量计如何检测？ 32.电喷发动机冷车起动困难的原因有哪些？ 33.电喷发动机热车起动困难的原因有哪些？ 34.何谓柴油机全周期单缸波？ 35.何谓柴油机多缸平列被？ 36.何谓柴油机多缸并列波？ 37.何谓柴油机多缸重叠波？ 38.什么是通用型解码器？ 39.什么是专用型解码器？ 40.通用型国产431ME电眼睛解码器的组成如何？
噪声系数与对数放大器 [Leif博士的聪明才智—6*] 作者Barrie Gilbert [编者按：Leif博士在大约三十岁左右的时候加入了ADI公司，担任IC设计师。他具备了丰富的经验——其中既包括这项工作方面的经验，也包含由于年龄增长而不断丰富的阅历。他丰富的经验包括了在测量仪表和控制系统方面的大量知识，这可以追溯到他的青少年时代，那时，他利用通过邮购(telak)公司（这是今天使用的词语，源自该世纪的头十年间使用的“tele-acquisition”一词）买来的剩余元件，制成了无线电接收机、发射机和电视机。 Leif博士在讲授模拟电路原理方面花费的时间几乎与实际从事设计的时间一样多。早先，他写过无数的“纪要”(Memos)——属于扼要的专论，这些文献曾一度被他的设计师同事们广泛参阅，而且也是公司新成员所渴望阅读的。这些论文大部分都被转成了电子格式。可惜的是，这些电子格式的论文在被称为“信息时代”的那个时期内流失了，因为这些“文字”被存放在那些逐渐过时而被荒弃的存储介质上。曾几何时，人人都因为“数据”的泛滥而感到窒息，而同时又感到在模拟设计方面缺乏扎实的基础知识：“本原”，即物理现象的根本，而这正是Newton Leif喜欢用来称呼那些基本原理的词眼。 最近，当一位名叫Niku Chen的年轻工程师加入到了ADI公司位于Solna的设计中心的Leif团队中时，他激发起她的兴趣，将所有这些珍宝尽可能多的重新挖掘出来。这里就是她所发现的此类文章中的一篇，写于2008年，用传真的方式复制。我们相信文章几乎没有什么错误。他的散文体，用美国英语写成，要比我们所期盼的更加华丽。文章的标题表明那时的Leif（现在仍然在ADI位于Solna的机构中供职，而且在这一领域十分活跃）显然非常熟悉噪声的基本原理。但是，对这个奇异的小课题上，他也出现过迷惘。这样一些编者的评语偶尔也会被插入下面的文章中。] Leif 2698:060508 对数放大器中的噪声 偶尔会有人向我们咨询关于对数放大器噪声系数的问题。将对数放大器用作功率测量器件时，噪声系数是不是一个有意义的衡量指标，这个问题的答案应该由用户来确定。但是，只要对数限幅放大器应用在信号通路（在PM或FM应用）中，噪声系数显然就是重要的指标，因为它可以衡量系统从伴随有噪声的信号中提取信息的能力。因此，在供用户评估系统性能的电子数据手册，应该提供该参数。这篇纪要是为现场应用工程师及相应的客户而写的。 经过充分校准的单芯片对数放大器(log amp)，这项由ADI公司首创并在过去二十年间保持领先的技术，被作为惟一的R F 测量元件使用，它的最新产品可测量的频率范围从接近直流一直到12 GHz。这些产品特有的价值，一方面源自它们很宽的“动态范围”，而另一方面则源自它们直接以分贝数给出测量值的能力。这些产品具有良好的温度稳定性，而且严格符合“对数律”。这篇纪要的中心内容是讨论基本噪声机理所带来的各种限制。和大多数探究问题根源的过程一样，我们需要采取一些迂回措施。 对数放大器有三种基本的形式。但是，在这里，仅就RF功率测量器件的用途而言，我们主要考虑它们的前两种形式： 1.使用多级放大和逐级限幅的器件，它们以分段方式产生出一 个非常接近的近似对数特性。其中的有些器件还提供了最后的限幅放大级的输出，以便提取时间编码的信息（PM或FM，基带比特流）。这些器件包括AD608、AD640/AD641以及更多的AD8306、AD8307、AD8309、AD8310、AD8311、AD8312、AD8313、AD8314、AD8315、AD8316、AD8317、AD8318等器件，还有AD8319系列和匹配良好的双对数放大器，例如AD8302(该器件也可测量相位)和ADL5519，它们的测量范围达到了空前的 1 kHz～10 GHz。 这些逐级压缩对数放大器中，每5至10个低增益(8 dB至 12 dB)放大级就包括了一个整流器(检测器)，这些整流器的 输出相加起来，以产生一个经过滤波的电压，而这个电压是以分贝为单位的平均功率的测量值。对于那些也给出最后的硬限幅信号(比如，100 dB范围的产品AD8306/AD8309)的器件，对数测量则经常被视为一种辅助测量手段，而且被称为接收信号强度指示器(RSSI)。 2. 使用指数式增益放大器(X-AMP?architectute)2的器件，它 们具有60 dB的典型增益范围，后面跟随单一的检测器，而检测器经过滤波的输出与一个基准电平进行比较；误差信号经过积分后便产生一个电压，这个电压可以调节放大器的增益，从而把误差调节到零(见图6中的文字说明)。 由于器件具有精确的指数(有时叫做“以dB表示的线性”)增益函数特性，这个电压就是所施加信号的分贝值。使检测器具有平方率的响应，就可得到所施加的被测信号的功率等效值(rms，均方根值)。 这将被认为是自动增益控制(AGC)放大器的一般形式。相应的，我们可以把它们叫做AGC型对数放大器。AD8362、AD8363和AD8364就属于这种类型，其中的后两种器件可以对两路输入信号进行同时测量，并计算出它们之间的差值。在这一类型中，通常不提供对已放大信号的输出。但AD607(实际上是一个单片式超外差接收机)是一个例外，它的以分贝为单位的RSSI出覆盖了100 dB的范围，而它的输出信号是经过解调的IF的一对I/Q分量。
高功率放大器(HPA)基础知识 1、用途及特点 在无线通信系统，高功放（HPA）是发信电路重要组成部份。通常，它由多级放大器构成，其输出端是发射链路最高电平点，它经双工器与发射天线连接。 HPA在发信电路部位如图1所示。 高功放主要作用，是在发射频率上，将低电平信号放大到远距离传输所要求的高功率电平。因频段、传输距离、天线增益、信号调制方式等因素，不同发射机HPA输出功率差异甚大。在常用微波频段（800MHz~28GHz）可从几十瓦到几十毫瓦不等。 高功放电路特点： （1）在大容量（或多载波）数字通信系统，设计HPA电路尤其是末级电路，常发生大功率输出与线性要求之间矛盾。经常采用三种解决办法 * 采用平衡放大电路，其合成输出功率较单管增加一倍且保持单管线性。在常用微波频段经常用下图所示正交混合电路（或3dB桥）实现功率合成。 * 采用预失真补偿电路，设计一个预失真网络使它产生的三阶互调与HPA三阶互调在输出合路器中相互抵消。构成方式如下图所示，
予失真补偿电路设计复杂、带宽窄，使用不普遍。 *在HPA前级设置自动电平控制（ALC）电路，通过末级输出耦合检波直流，控制PIN衰耗，保持输出功率恒定。防止因前级输入电平过高因饱和失真。该方法只能予防失真而不能改善失真， （注：ALC与大容量长距离数字微波采用的ATPC不同，前者是以保持发射机输出功率恒定，防止失真为目的，采用的是开环控制方式。而自动发射功率控制（ATPC）是发射机功率受控于对端接收电平，当电波传播发生深度平衰落时，提高发射功率，最大可达到额定功率。在正常传输时间里使发射功率小于额定功率10dB。采用的是闭环控制方式。是以减轻干扰、抗平衰落为目的。） （2）HPA采用的大功率器件都呈现极低的输入、输出阻抗，其阻抗实部绝对值很小，都在1~3欧姆左右，而容抗和引线电感很大。对这样的大功率器件进行输入、输出和级间匹配非常困难。因单片微波集成电路（MMIC）技术的发展，许多厂家已制造出输入输出内匹配的大功率器件，大大地缓解设计难度。 （3）HPA输出级必须要考虑空载保护。若与输出负载间发生严重失配（如，连接天线馈线开路或短路）末级与输出负载电路之间将产生大驻波电压，驻波峰值电压一旦落在器件漏极，它与供电电压迭加将使器件击穿。 在微波频段常采取二种保护方法，在4GHz以上频段借助于输出隔离器中的反向吸收负载R吸收反射波，它如下图所示， 在低频段常用定向耦合器（Diectional coupler）检测反射波，超出定值时自动切断功放电源并发出告警。工作示意图如下
对数放大器的原理与应用 信号压缩 在现实世界中，一些信号往往具有很宽的动态范围。比如雷达、声 纳等无线电系统中，接收机前端信号动态范围可达 120dB 以上；光纤 接收器前端的电流也可从“pA”级到“mA”级。宽动态范围往往给 应用设计带来很多问题。一方面，线性放大器无法处理这样宽的动态 范围。另一方面， DA 变换中，在保证分辨率的情况下，模数转换器的 位数会随动态范围的增大而增大。因此，在处理宽动态范围的信号时，常常将其动态范围压缩到一个可以处理的程度。如果一个系统中阻抗 是线性的，信号的功率与电压的平方成正比，信号的动态范围既可 以用电压表示也可以用功率来表示。 在工程应用中，动态范围的压缩分为“线性压缩”和“非线性压缩”。线性压缩是指放大器的增益与信号的大小无关，输出基本保持 恒定。线性压缩的特点使谐波失真小，其本质是一种“压控放大器” （V CA ）。非线性压缩方面最好的例子就是对数放大器。它是输入输出信号成对数关系的器件，它对信号动态范围的压缩不需要像 AGC 系统那样提取输入信号的电平来控制增益，其增益与信号的大小成反比，在通信、雷达、电子对抗、电子测量中有着广泛的应用。 对数放大器的实质 多年来，人们对对数放大器本质的认识有一些模糊。通常人们把 它看作是一种放大器，反而淡化了其非线性的特性，把它们看作特殊
类型的放大器更是不对。尽管这些电路提供一些放大功能，如在RF 和IF 放大器中，它对小信号呈现出高增益等等，但它们真正的用途 是实现精确的对数变换，严格地说，这些电路应该叫做“对数变换器”。但多年来人们已经习惯了“对数放大器”的叫法。IC 厂商也不愿因为改名而使用户对他们的产品性质和用途造成误解。因此，本文也将沿用“对数放大器”这一名称。 对数放大器的分类 在许多文献中，对数放大器的分类也是相当混乱的，根据实现对数函数依据的不同 ,有的将其分为二极管、三极管对数放大器和级联对数放大器，有的将其分为真对数放大器和似对数放大器等等。但几十年来，随着半导体理论、工艺和模拟集成电路的发展，许多对数放大器实现的方法已经被淘汰，其分类方法也未尽科学。目前根据市场上现有的对数放大器结构和应用领域的不同，可将对数放大器分为三类：基本对数放大器、基带对数放大器和解调对数放大器。 基本对数放大器也称跨导线性（ Translinear）对数放大器，它基于双极性三极管（ BJT）的对数特性来实现信号的对数变换。这类对数放大器可以响应缓慢变化的输入信号，其特点是具有优良的直流精度和非常宽的动态范围（高达 180dB），缺点是交流特性差。 基带对数放大器也称视频对数放大器（虽然很少用于视频显示相关的应用），它克服了基本对数放大器的缺点，能够响应快速变化的
课题集成运放大器的基础知识所属章节第三章：集成运算放大器 教学目的1、了解集成运放的组成的符号 2、掌握理想运放的两个重要结论 教学重点1、运算放大器的组成 2、运算放大器的电路符号 3、运算放大器的主要参数 4、理想运算放大器 教学方法讲授法、多媒体课件教学 课题引入 集成运算放大器最早应用于模拟计算机中，如完成加法、减法等数学运算。而今主要有来完成信号的产生、转换、处理等，集成运算放大器已得到广泛应用。 授课内容 一、集成运算放大器的组成及符号 集成运算放大器实质上是一种双端输入、单端输出，具有高增益，高输入阻抗、低输出阻抗的多极直接耦合放大电路。 1、电路组成 集成运放内部组成框图如图所示。 ①输入级 输入级又称前置级，它往往是一个双端输入的高性能差分放大电路。一般要求其输入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小。 ②中间级 中间级是整个放大电路的主要放大电路。其作用是使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射（或共源）放大电路。而且为了提高电压放大倍数，经常采用复合管做放大管，以恒流源作集电极负载。其电压放大倍数可达千倍以上。 ③输出级 输出级具有输出电压线性范围宽，输出电阻小（即带负载能力强），非线性失真小等优点。多采用互补对称发射极输出电路。 ④偏置电路 偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。与分 授课内容立元件不同，集成运放多采用电流源电路为各级提供合适的集电
极（或发射极、漏极）静态工作电流，从而确定了合适的静态工作点。 2、电路符号 旧标准新标准 二、集成运放的主要参数 1、开环差模电压放大倍数Avd 在集成运放无外加反馈时的直流差模放大倍数称为开环差模电压放大倍数。 2、共模抑制比K CMR 共模抑制比等于差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值， 3、差模输入电阻R id 集成运放在输入差模信号时的输入电阻。 4、输出电阻Ro 集成运放开环状态下的输出电阻。 5、输入失调电压v IO 理想集成运放，当输入为零时，输出也为零。但实际集成运放的差分输入级不易做到完全对称，在输入为零时，输出电压可能不为零。为使其输出为零，人为的在输入端加一补偿电压，称此补偿电压为输入失调电压，用v IO表示。 6、输入失调电流I IO 集成运放在常温下，当输出电压为零时，两输入端的静态电流之差，称为输入失调电流，用I IO表示， 三、理想集成运算放大器 理想运算放大器的条件： 1、开环差模增益（放大倍数）A vd=∞； 2、差模输入电阻R id =∞； 3、输出电阻Ro=0； 4、共模抑制比K CMR=∞； 两条重要结论： ①理想集成运放两输入端的净输入电压等于零。即 v i =v N -v P =0 v N =v P， 通常称为“虚短”。 ②理想集成运放的两输入端电流均为零。即 i N -i P =0,通常称为“虚断” 。 课堂练习1、集成运放电路是一种高增益的放大器，它的内部电
什么叫对数放大器?对数放大器原理 输出信号幅度与输入信号幅度呈对数函数关系的放大电路。实际的对数放大器总是兼具线性和对数放大功能,它的输入-输出幅度特性如图1。输入信号弱时,它是一个线性放大器,增益较大；输入信号强时,它变成对数放大器,增益随输入信号的增加而减小。在雷达、通信和遥测等系统中，接收机输入信号的动态范围通常很宽，信号幅度常会在很短时间间隔内从几微伏变化到几伏，但输出信号应保持在几十毫伏到几伏范围内。采用对数放大器可以满足这种要求，它能使弱信号得到高增益放大，对于强信号则自动降低增益，避免饱和。 对数放大器的主要性能常用输入动态范围D1和输出动态范围D2来表示 式中分别是放大特性由线性变到对数形式和进入饱和状态时的输入电压，应的输出电压。设计良好的对数放大器能达到D1超过100分贝而D2在30分贝以下。除动态范围外，对数放大器的主要指标还包括对数关系的准确度和频率响应。 对数中频放大器和对数视频放大器，可用相同的方法获得对数特性。 晶体二极管的PN结电压（见固态电子器件）是结电流的对数函数，用它作为放大电路的负载或反馈元件可以使放大器具有对数幅度特性。使用这种方法虽然电路简单，但通常只能达到小于50分贝的输入动态范围，而且放大器的频带受PN结电容的限制，不能太宽。利用多级放大器串联或并联相加形成近似对数放大特性，可以获得较好的结果。图2是多级串联相加对数放大器的框图，其中每级都是一个线性-限幅放大器。当输入信号弱时,放大器各级均不饱和，总增益最高。随着输入信号幅度的增大，从末级起各级放大器依次进入饱和状态，总增益随之降低。实用的对数放大器常用 4～10级限幅放大器组成。若规定放大器的动态范围，较多的级数能达到的对数关系也较准确。
用对数放大器实现射频功率控制 几乎所有的射频发射机都含有测量和控制发射功率的电路。系统需求多种多样。功率控制电路可能是一个简单的低动态范围二极管检测器，它的目的用来检测诸如天线故障导致电压驻波比突然增大等突发事件。既然如此，只需要粗略测量反射功率。然而，对于一个功率在大动态范围内变化的系统来说（比如GSM基站发射机），这些设备则要求射频检测器测量的误差小于±1dB，输入功率范围至少60dB。本文将探讨控制射频功率的多种方法，并且主要 几乎所有的射频发射机都含有测量和控制发射功率的电路。系统需求多种多样。功率控制电路可能是一个简单的低动态范围二极管检测器，它的目的用来检测诸如天线故障导致电压驻波比突然增大等突发事件。既然如此，只需要粗略测量反射功率。然而，对于一个功率在大动态范围内变化的系统来说（比如GSM基站发射机），这些设备则要求射频检测器测量的误差小于 ±1dB，输入功率范围至少60dB。本文将探讨控制射频功率的多种方法，并且主要介绍对数射频功率检测。 功率测量要求 大多数严格的射频发射标准均要求发射功率不超过期望值的±1dB或±2dB。比如GSM系统，一个47dBm发射机（50W）满功率发射时传送的功率值在 45dBm~49dBm之间（极端情况下为44.5dBm ~ 49.5dBm之间）。 测量与控制功率的选择 图1示出一些通常使用的体系结构选择，它用于测量和控制发射功率。图1示出闭环模拟控制环路。从功率放大器到天线的输出功率以定向耦合的方式引入。定向耦合器的耦合因数典型值在10dB~30dB范围。为了减少检测器检测到的功率，通常要增加一些附加的衰减。这样测量所得的结果与设置点电压比较，其差值驱 动积分器（通常是称其为误差放大器）。 当功率放大器的输出功率与设置点电压相符合时，放大器输出误差将不再升高或降低。应当注意，误差放大器不必再驱动放大器的偏置控制。若放大器具有固定增益，并且误差放大器用于控制中频可变增益放大器，那么系统将有效的工作。 上述功率控制方法（我们指的是从检测器的角度作为控制器模式）在需要快速控制功率的应用中是非常有用的。最普通的例子莫过于时分多址（TDMA）系统，比如GSM（全球移动通讯系统），PDC（个人数字蜂窝）或PHS（个人手持电话系统）。在这些场合，功率以精确的同步短脉冲串方式发射出去。这种快速“本地”控制只能允许功率有一点上升或下降的变化。如果用对数检测器，功率则可控制在很大的动态范围内（典型值为40dB~60dB）。 图1b示出检测器输出经过数字化后的功率控制环路。DSP中的软件或微控制器
集成直流对数放大器 收藏此信息打印该信息添加：用户发布来源：未知 集成直流对数放大器 摘要：在对数放大器应用中，直流对数放大器在压缩传感器信号动态范围的应用中仍然占据主导地位，是一种高性价比的解决方案。本文推导了直流对数放大器的传输函数，从双极型晶体管的VBE到IC特性。讨论了目前集成直流对数放大器的电路结构以及各种误差对对数性能的影响，并给出了MAX4206设计范例。最后，还给出了通过校准改善对数放大器性能的方法以及设计细节。 半个多世纪以来，工程师一直采用对数放大器来压缩信号和进行计算。尽管在计算应用中，数字IC几乎全部取代了对数放大器，工程师还是采用对数放大器进行信号压缩。因此，对数放大器仍旧是许多视频、光纤、医疗、测试以及无线系统中的关键元件。 顾名思义，对数放大器的输出和输入之间为对数函数关系(由于对应不同的底，对数函数之间仅差一个常数系数，因此对数的底并不重要)。利用对数函数，您可以压缩系统信号的动态范围。将宽动态范围的信号进行压缩有多种优点。组合应用对数放大器和低分辨率ADC 通常可以节省电路板空间，并降低系统成本。否则，可能需要采用高分辨率ADC。而且，通常当前系统中已经包含低分辨率ADC，或者微控制器已内置这种ADC。转换成对数参数也有利于很多实际应用，例如以分贝表示测量结果的应用，或者转换特性为指数或近似指数的传感器应用。
上世纪90年代，光纤通信领域开始采用对数放大器电路来测量某些光学应用中的光信号强度。在这之前，精密对数放大器IC不但成本高，而且体积也较大；只有少数电子系统能承担这种高昂的成本。这些IC解决方案的唯一替代方案是采用分立元件构建对数放大器。由分立元件构建对数放大器不但电路板面积更大，而且通常对温度变化敏感，必须仔细进行设计和布板。还需要各构成元件之间高度匹配，以便在较宽的输入信号范围内保证良好的性能。从那以后，半导体制造商开发出了体积更小、价格更低的集成对数放大器产品，其温度特性较好并且也增加了更多功能。 对数放大器的分类 对数放大器主要分为3类。第一类是直流对数放大器，一般处理变化较慢的直流信号，带宽可达到1MHz。毫无疑问，最普遍的实现方法是利用pn结固有的对数I-V传输特性。这些直流对数放大器采用单极性输入(电流或者电压)，通常是指二极管、跨二级管、线性跨导和跨阻对数放大器等。由于采用电流输入，直流对数放大器通常用于监视宽动态范围的单极性光电二极管电流—值或者比例值。不但光纤通信设备需要光电二极管电流监视功能，化学和生物样品处理设备中也可以找到这种电路。也有其它类型的直流对数放大器，例如基于R C电路时间-电压对数关系的对数放大器。但是这种电路一般比较复杂，彼此差异较大，分辨率和转换时间与信号有关，并且对温度变化比较敏感。 第二类对数放大器是基带对数放大器。这类电路处理快速变化的基带信号，适用于需要对交流信号进行压缩的应用(通常是某些音频和视频电路)。放大器输出与瞬时输入信号的对数成正比。一种特殊的基带对数放大器是“真对数放大器”，其输入双极性信号，并输出与输入极性一致的压缩电压信号。真对数放大器可用于动态范围压缩，例如射频IF级和医疗超声波接收器电路等。