AGC对数放大检测器

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。

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(V BE)与它的集电极电流(I C)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Paterson3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，也可以对很大幅度范围上的电压进行测量。

具体的例子有AD8304、AD8305、ADL5306和ADL5310。

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Z A = Re(Z A) + jIm(Z A)。

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R A= Re(Z A)的时候，也就是等于50的时候(图1)。

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R的放大作用，当R等于R(1 + A)时，R即等于R，由此得到噪声因数等于sq-rt (2 + A)/(1 + A)(译注：sq-rt为“取平方根”)。

FF A V IN AV V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4，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)。

*[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]。

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。