集成直流对数放大器
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。
最后一类对数放大器是解调对数放大器，或连续检波对数放大器。这类对数放大器对RF信号进行压缩和解调，输出整流信号包络的对数值。RF收发器普遍采用解调对数放大器，通过测量接收到的RF信号强度来控制发射器输出功率。
经典的直流对数放大器
在典型的基于pn结的直流对数放大器中，采用双极型晶体管来产生对数I-V关系。如图1所示，运算放大器的反馈通路采用了晶体管(BJT)。根据所选的不同晶体管类型(npn或者p np)，对数放大器分别是电流吸收或者电流源出型(图1a和1b)。采用负反馈，运算放大器能够为BJT的基-射结提供足够的输出电压，可确保所有输入电流由器件的集电极吸入。注意，悬浮二极管方案会使运放输出电压中包含等效输入失调；基极接地的方法则不会出现这一问题。
图1a. 直流对数放大器的基本BJT实现方案，具有电流吸收输入，产生负输出电压
图1b. 将BJT由npn型改为pnp型，对数放大器变为电流源出电路，输出为正极性。
增加输入串联电阻后，直流对数放大器也可以采用电压输入。采用运算放大器的虚地作为参考端，输入电压通过电阻转换为成比例的电流。显然，运算放大器输入失调必须尽可能小，才能实现精确的电压-电流转换。双极型晶体管实现方案对温度变化敏感，但采用基准电流和片内温度补偿能够显著降低这种敏感性，下文将对此进行讨论。
详细讨论
在图2所示电路中，BJT对数放大器具有两个输入：IIN和IREF。如上一节所述，输入到I IN的电流使运算放大器A1输出相应的电压：
其中：
k = 1.381 x 10-23 J/°K
T = 绝对温度(°K)
q = 1.602 x 10-19°C
IC = 集电极电流(mA或与IIN和IS的单位相同)
IIN = 对数放大器输入电流(mA或与IC和IS的单位相同)
IS = 反向饱和电流(mA或与IIN和IC的单位相同)
(在等式1中，“ln”表示自然对数。在后面的等式中，“Log10”表示以10为底的对数)。
图2. 采用两个基本BJT输入结构，并从VOUT1中减去VOUT2，可在输出端消除IS的温度影响。剩余的“PTAT”影响，可通过选择合适的RTD (电阻温度探测器)以及差分放大器的增益设置电阻，使其降至最低。
尽管该表达式清楚地表明了VOUT1和IIN之间的对数关系，但是IS和kT/q项与温度有关，会使VBE电压产生较大的变化。为消除IS引起的温度影响，由A3及其外围电阻构成差分
电路，将第二个结电压从VOUT1中减去。第二个结电压的产生方式与VOUT1相似，只是输入电流为IREF。提供两个结的晶体管特性必须非常一致，温度环境也必须非常接近，以实现正确的抵消功能。
采用IREF带来两个好处。第一，它能够设置需要的x轴“对数截距”电流—使对数放大器输出电流理论上等于零的电流。第二，除了绝对测量外，还允许用户进行比例测量。比例测量通常用于光学传感器和系统中，在这类系统中，需要将衰减后的光源与参考光源进行对比。
等式5仍然具有温度效应，VDIFF与绝对温度成正比(PTAT)。通过加入后续的温度补偿电路(通常是带有电阻温度探测器(RTD)的运算放大器级，或者类似器件，也是增益构成的一部分)，能够有效消除PTAT误差，产生理想的对数放大关系：
其中，K是新的比例常数，也称作对数放大器增益，以V/10倍程表示。由于采用log10运算的比例ILOG/IREF确定了ILOG大于或小于IREF的10倍程数量，乘上K之后将产生所需的电压单位。
直流对数放大器非常适合采用集成设计方案，这是因为关键的温度敏感元件可以共同放置在电路中，方便跟踪这些元件的温度变化。而且，在生产过程中，也容易微调各种剩余误差。在对数放大器的数据资料中会详细说明各种剩余误差指标。
现有的直流对数放大器
图3所示功能框图给出了一个典型的当代直流对数放大器(MAX4206)的结构。与以前的放大器相似，现今的直流对数放大器也采用了运算放大器输入结构、BJT反馈、差分放大器和温度补偿电路等。为省去射极的负驱动电压，重新布置了BJT晶体管电路的连接，以便于实现单电源工作。内置通用运算放大器，可用于实现后面的增益、失调调整甚至PID控制电路。
图3. 典型的直流对数放大器，如MAX4206，集成了微调电位器和输出放大器等元件。因此只需要极少的外围元件即可正常工作。
与以前放大器不同的是，现在的对数放大器在微小的封装(MAX4206采用4mm x 4mm、1 6引脚TQFN封装) 内集成了所有的电子电路。2001年以前，只能购买到体积较大、采用DIP封装的直流对数放大器，其引脚数量在14至24之间。这些早期产品价格保持在20至100美元之间，而现在的替代产品价格为5至15美元之间。
单电源工作是一些现代直流对数放大器的一项新革新，非常适合单电源工作的ADC/系统。MAX4206既可采用+2.7V至+11V单电源供电，也可采用±2.7至±5.5V双电源供电。采用单电源供电会产生一个后果，即这些对数放大器通常在其输入端保持一个典型值为0.5V的
共模电压，以正确偏置求对数BJT。由于这些对数放大器是电流输入器件，对于大多数电流
测量应用来说，这个由内部产生的共模电压通常不会产生问题。
现在大部分直流对数放大器普遍提供片内电流基准。该基准可连接至对数放大器的基准输入，从而可以对对数放大器的主电流输入进行绝对测量，而不是比例测量。对于MAX4206，其基准电流通过0.5V直流电压源、电压-电流转换器和一个10:1电流镜产生。需要采用外部电阻来设置所需的基准电流。
直流对数放大器还有另一个新特点，有些对数放大器提供片内电压基准，用于调节通用运算放大器的放大器失调。该基准也可用于其它通用目的。
应用实例
毫无疑问，直流对数放大器的大多数应用涉及光信号测量。通常采用两种方案。在第一种方案中，单个光电二极管连接至对数输入，而基准电流连接至基准输入。第二种方案采用两个光电二极管，一个连接至对数输入，另一个连接至基准输入。需要测量光信号强度绝对值时采用第一种方案，第二种方案用于光信号强度的对数比例(“对数比”)测量。
图4给出了这两种方案的常用电路。在图4(a)中，单个光电二极管通过检测光纤连接器(1％)辐射出的光信号来测量光纤通道的光信号强度。图中所示为一个PIN光电二极管，也可以采用雪崩光电二极管实现更高的测量灵敏度(如果采用高电压来偏置光电二极管，应采取正确的电源安全措施)。由于光电二极管的输出电流通常与输入光功率成线性关系(光电二极管灵敏度典型值为0.1A/mW)，并且MAX4206可工作于5个10倍程动态范围，因此这种电路能够可靠测量10μW至1W的光纤光信号强度。注意，尽管MAX4206能够保证工作在-40°C至+85°C温度范围内，工作温度和光信号频率的变化会显著影响光电二极管的性能。
图4a. 通过在对数放大器输入端放置一个光电二极管，可轻松实现测量光信号强度的对数应用。
对于光电二极管阳极保留用于其它电路的情况，例如许多光纤模块中的高速跨阻放大器(TI A)，可以采用精密电流镜/监视器置于光电二极管阴极。MAX4007系列产品非常适合于这种应用。请参考MAX4206和MAX4007的数据资料，了解更多详细信息。
当对数应用采用两个光电二极管时，其目的是对比基准光源信号和基准光源衰减后的光信号。在这种方式下，可以独立于光源光信号强度(或者至少在光信号强度变化不大时)，测量给定介质造成的衰减。这种应用在许多光学气体传感器中非常普遍。在图4(b)中，光源输出被等分成两路。第一路入射到基准PIN光电二极管，其阳极馈入MAX4206的REFIIN输入。另一路经过90°镜面反射，通过测试介质，入射到另一个PIN光电二极管(连接至LOGIIN
输入)。当基准光电二极管电流校准为1mA时，另一光电二极管的电流将小于或等于1mA，大小取决于光信号的衰减。通过将基准输入电流锁定为1mA或者偏小的数值，可充分利用MAX4206的5个10倍程宽动态范围。
图4b. 对数比例应用采用两个光电二极管，通常用于测量光信号衰减。
值得一提的是，尽管MAX4206不保证工作在10nA至1mA输入电流范围之外，但是器件通常可以超出此范围工作，并仍能维持输入和输出之间的单调关系。
直流对数放大器的误差源
现在的直流对数放大器仍然受到与早期产品一样的限制。等式6是直流对数放大器的理想近似。为获得尽可能精确的表达式，还必须考虑增益、偏置电流、失调和线性误差等误差项。特别是当温度和时间漂移导致这些误差更为严重时，尤其需要考虑这些方面。
以下等式可更全面的反映基于BJT的直流对数放大器特性：
其中，ΔK是增益变化；IBIAS1和IBIAS2分别是LOGIIN和REFIIN输入偏置电流。VCO NF是对数一致性误差，VOSOUT是输出失调。前面已经定义了K、ILOG、IREF和VOU T。在许多应用中，偏置电流的误差相对于输入和基准电流非常小，通常可以在误差表达式中忽略。对数一致性误差定义为实际输出相对于等式6理想对数关系的最大偏移(假设其它所有误差源已调零)。该误差通常以差值的形式出现，因此可以很容易检查出相对于理想曲线的微小偏移(图5a)。
图5a. 对数一致性误差曲线通常表示为输入电流和工作温度的函数。
虽然其影响不会立即体现出来，但基准电流IREF是潜在的最大误差源，它由初始误差、温度漂移和器件老化造成的漂移构成。在评估对数放大器的全部误差预算时，应考虑这些误差。
图5b中的转换曲线显示了这些实际变化的影响(出于演示目的，对这些影响进行了夸大)。黑色实线表示理想/期望的情况，其对数截距为100nA，增益为1V/10倍程。如蓝色虚线所示，输出失调误差使黑色实线向上或者向下偏移。增益误差使由失调产生的偏移转换特性曲线发生偏转，并由黑色虚线标出。蓝色点线反映了非线性和输出容限误差的总体影响。
图5b. 等式7给出的不同误差对对数传递函数的影响。为清楚起见，夸大了各误差。
实际上，对数放大器生产厂商已经将本节中列出的多种误差降到了最小。采用额外的校准和温度监视手段，设计人员能够进一步降低这些误差的影响。设计人员通常在对数放大器输出数字化后，采用校准表来进行校准。
直流对数放大器实现方案
直流对数放大器的性能与其所在电路有关。良好的设计和布板能够最大程度降低输入漏电流和元件的温度特性所造成的影响。但是，仅有良好的设计和布板通常还不足以保证实现大多数对数放大器应用所需的性能，特别是在输入电流和温度变化较大的情况下。根据不同的应用要求和工作条件，应采用恰当的校准手段来减小累积误差。
构建直流对数放大器时，以下一些建议可供参考。
单点校准
这种“最低性能”的技术能够有效地上下移动图5b中的原始性能曲线(蓝色点线)，使其能够与理想性能曲线(黑色实线)单点相交。在典型工作温度下，对数放大器的两个输入分别输入标称输入电流和基准电流，其输出与理想输出之间会有一个偏差。正常工作时，从对数放大器输出中减去该偏差值。
优点：校准过程迅速，可在最终产品测试阶段进行，并且无需大量计算。也可以采用一个微调电阻，进行模拟校准。
缺点：增益和失调误差校准统一笼统进行。输入和温度条件不同于校准条件时，校准值失效。
两点校准
比前面的校准技术稍微复杂一些，能够产生更好的结果。它能够有效地旋转和上下移动图5 b中的蓝色点线，以逼近理想的黑色实线。同样地，应选择典型工作温度。输入电流应跨越所需的工作范围。如果在校准和工作中都采用同一个基准电流，则能够大大简化校准过程。
优点：校准过程比较迅速，大大降低了增益和失调误差。通过增益和失调计算，可进行数字校准；也可以采用增益和失调微调电阻，进行模拟校准。
缺点：输入和温度变化后，校准值失效。
多点校准
该技术由多个关键采样点生成一个校准数据表。采样是在恒定工作温度下进行的。通过在采样点之间进行插值运算，实现校准功能。
优点：由于可以选择充分多的重要输入条件，因此，能够大大降低增益、失调和非线性误差。
缺点：需要某种形式的插值运算，这增加了计算量。输入和温度变化后，校准失效。
温度调整校准
与多点校准类似，该技术同时还考虑了测试温度，额外增加了一个独立变量。
优点：该技术极大地降低了增益、失调、非线性误差以及温度变化对总误差的影响。是高性能、小批量产品的不错选择。
缺点：由于跨越整个温度范围进行校准，因此最终产品测试阶段的校准时间大大延长。采样数据的多维插值运算需要占用更多的计算资源。还需要额外的温度监视电路。
维持合适的输入容限
对数放大器输出不应靠近电源摆幅，这是因为靠近电源摆幅时，其源出和吸收电流的能力将受到限制。当试图测量的电流接近或低于基准电流、或者接近最大输入电流时，很容易忽视这一建议。选择的基准电流应低于最低输入电流。仔细设置增益，以保证在最大输入电流时，输出不会达到对数放大器最大输出电压。双电源对数放大器也会有助于解决该问题，因为在大多数设计中，相同的输入和基准电流使放大器输出处于中间值。
优点：提高了极端输入条件下的精度和响应时间。
缺点：可用输出范围略有降低。
元件选则
采用温度系数较低的同一类型外部电阻。这对于那些电阻值会影响性能的电阻(例如，基准电流产生电路)来说，尤其重要。对于受电阻比例影响的参数，如增益和失调，温度改变所产生的影响较小。补偿元件的温度稳定性一般不是很关键。为避免测量小电流时的泄漏问题，应考虑采用低泄漏PCB材。
优点：最大程度降低由外部元件造成的性能恶化。
缺点：低温度系数元件一般稍微贵一些，但考虑到它们能够显著提高性能，还是物有所值。
保持温度环境一致
对数放大器电路的任何部分都不应该与电路的其它部分处在明显不同的温度下。这种防范措施可保证温度变化对所有电路的影响尽量相同。
优点：校准过程中消除了额外的独立变量。
缺点：可能会对布局布线或者电路整体尺寸设计带来不便。
结论
总之，直流对数放大器已经发展为小型、易于使用的高性价比电路，非常适合某些模拟设计。对数功能可方便地压缩宽动态范围信号，对传递函数为准)指数的传感器线性化。数字化宽动态范围信号需要高分辨率ADC，而对数函数的压缩功能支持使用低分辨率ADC。直流对数放大器IC的电路实现比较直观，只需很小的努力即可实现性能优化。校准能够提高对数放大器的性能，但并不是所有的应用都必须校准
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。
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。
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。
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
文章编号:100423365(2004)0520575203 大动态连续检波式对数放大器的设计 刘家树 (模拟集成电路国家重点实验室;中国电子科技集团公司 第二十四研究所,重庆 400060) 摘 要: 介绍了大动态连续检波式对数放大器(SDLA)的设计方法、工作原理和结构。设计了一种对数精度小于1dB、动态范围大于100dB的高精度大动态连续检波式对数放大器;给出了实际测试结果。该电路可广泛应用于通讯、雷达、电子对抗等电子设备中。 关键词: 对数放大器;连续检波式对数放大器;检波器 中图分类号: TN72215+8 文献标识码: A A W ide D ynam ic Range Successive D etection L ogar ithm ic Am pl if ier L I U J ia2shu (N ational L aboratory of A nalog Integ rated C ircu its;S ichuan Institu te of S olid2S tate C ircu its,CE T C,Chong qing400060,P1R1Ch ina) Abstract: A successive detecti on logarithm ic amp lifier(SDLA)is described,w ith regard to its operati onal p rin2 ci p le and structu re1A n actual SDLA w ith logarithm ic p recisi on less than1dB and dynam ic range larger than100 dB is designed,and test resu lts are given1T h is logarithm ic amp lifier can be w idely u sed in telecomm un icati on and o ther electron ic system s1 Key words: L ogarithm ic amp lifier;Successive detecti on logarithm ic amp lifier design;D etecto r EEACC: 1220 1 引 言 连续检波式对数放大器(SDLA)是一种输入、输出信号幅度呈对数函数关系的瞬时压缩输入动态范围的电路,它输出检波后的信号。其中,大动态连续检波式对数放大器广泛用于通讯、雷达、电子对抗等系统的接收机,它将大动态范围的输入信号压缩到接收机可正常接收的范围,可将70～100dB动态范围的输入信号压缩成20～30dB动态范围的输出信号。大动态SDLA具有易于级联、调试方便、动态范围宽等优点。 本文从SDLA的原理和基本结构出发,介绍大动态SDLA的设计方法和应用等。 2 电路原理及基本结构 对数放大器的一般关系式: e ou t=k1lg k2e in 如e inn=e in0R n,则e ou tn=e ou t0+n k1lg R。 由此关系式可知,具有共同比值R的一系列输入对应于具有共同差值的一系列输出?。这里, ?=k1lg R 能满足上述关系的一种方法是级联线性限幅放大器求和。它采用分段线性技术,用一系列的连续线性段,近似得到对数曲线。其拟合的对数曲线如图1所示 。 图1 分段线性拟合的对数曲线 其输出在线性限幅变换点具有真正的对数响应,在变换点间存在误差,其误差大小与放大器增益有关。误差随增益减小而减小,增益越小,就有越多的线性变换点,对数曲线就拟合得越好。 第34卷第5期2004年10月 微电子学 M icroelectron ics V o l134,№5 O ct12004 收稿日期:2003212218; 定稿日期:2004201220
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。
对数放大器的技术指标 这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
对数放大器（LOGARITHMIC AMPLIFIER）精解 作者：■ Eamon Nash 问：我才刚阅读完ADI近期所发表的对数放大器相关技术手册，不过我对于对数放大器究竟是什么仍然感到有些困惑。 答：你并不是唯一感到困惑的人。许多年来，我已经处理过许多的询问，都是有关于对数放大器所执行功能的重点差异，以及在本质上完全不同的设计概念。就让我们这样子开始好了，你希望在对数放大器的输出中看到什么？ 问：我想我希望看到与输入电压或是电流的对数成比例的输出，就如同你曾经在非线性电路手册（Nonlinear Circuits Handbook| ）以及线性设计研讨会记要 （Linear Design Seminar Notes| < https://www.doczj.com/doc/ee6843148.html,/ publications/ press/ misc/ press_123094.html>）中所提到过的。 答：这是一个不错的开始，不过我们需要更明确一点。正如同在一般的通信技术中所理解的意义，对数放大器这个术语乃是指一个能够针对输入信号的包络（envelope）将其对数计算出来的组件。然而实际上其意义为何？我们先看看下图。图中所展示的是利用100 kHz三角形波与AD8307(一个具有500 MHz 90 dB的对数放大器)的总对数响应予以调变的10 MHz正弦波。注意到在图中的输入信号里包含有许多10 MHz信号的周期，它们是利用示波器的time / div旋钮将其压缩在一起的。之所以这么做，是为了要将具有100 kHz之较慢重复频率的信号包络显现出来。当信号包络以线性方式增加时，我们就可以在对数放大器的输出响应中看到其具有特色的“log(x)”形式。相反的，假如我们使用的量测组件是线性包络侦测器（经过滤波与校正的输出），那么所看到的输出就将会是三角形波图1。 问：所以我并没有看过实时信号的对数？ 答：正确，而且这也是大多数困惑之所以会产生的原因。当输入连结在一组具有恒定振幅的正弦波上，同时伴随着任何对于振幅的调整时，对数放大器能够使用与设定在ac伏特上的数字电压计，提供稳定（线性）读数的相同方式，针对对数区域中信号包络的最实时低频率变化或是振幅，给定一个读数。用来计算输入信号之实时对数的组件是极为不同的，特别是针对双极信号 （bipolar signals）。针对这点，我们稍微离题一下，先来看看这类型的组件。试想当ac输入信号通过零极并且往负极方向前进时会发生什么状况。请记得，对于x实数来说，数学函数 log x尚未被定义并且小于或等于零，或是-x大于或等于零（参照图2）。然而，就如图2所示，以对称形式通过原点的反双曲线正弦sinh-1 x，就是log 2x以及负的log (-2x) 之组合的良好近似值，特别是针对较大的 |x| 值。想要制作出这样的对数放大器是有可能的；事实上，ADI在许多年前所生产贩售的Model 752 N & P温度补偿对数二极管模块（temperature-compensated log diode modules），以互补反馈配对的形式就能够执行这样的功能。这种能够计算输入信号之实时对数的组件，被称为基频对数放大器（baseband log amp）（也有人称为”真实对数放大器（true log amp）”）。然而，此处所讨论的焦点是包络侦测对数放大器（envelope-detecting log amp），也可以称为解调变对数放大器（demodulating log amp），它们在通讯用的RF与IF电路中有着一些有趣的应用。 问：但是就你刚才所说的，我会以为对数放大器通常是不会被拿来当做信号解调变之用的？ 答：是的，完全正确。解调变这个术语被应用在该类型的组件上，是因为对数放大器能够使一个程序当中的信号包络之对数复原，这就有点像是AM信号的解调变。 通常，对数放大器的主要应用领域是在于量测信号的强度，而非信号内容的侦测。对数放大器的输出信号可以藉由相对较窄的范围来代表数十个高频率输入信号振幅之动态范围，通常都是被用来做为校准增益之用。关于这点的最典型范例，就是在自动增益控制回路（automatic gain control loop）中使用对数放大器来校准可变增益放大器之增益。举例来说，基地台的接收器可以使用来自于对数放大器的信号，以校准接收器的增益。在发射器上也可以使用对数放大器来对发射功率进行量测与校准。 然而，有一些应用领域是以对数放大器来作为信号解调变之用的。图3中所示为已经使用振幅位移键（ASK）予以调变过的接收信
集成直流对数放大器 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。
直流对数放大器 在基于pn 结的直流对数放大器中，常采用双极型晶体管来产生对数I-V 关系。如图1所示，运算放大器的反馈通路采用了晶体管(BJT)。根据所选的不同晶体管类型(npn 或者pnp)，对数放大器分别是电流吸收或者电流源出型(图1a 和1b)。采用负反馈，运算放大器能够为BJT 的基-射结提供足够的输出电压，可确保所有输入电流由器件的集电极吸入。注意，悬浮二极管方案会使运放输出电压中包含等效输入失调；基极接地的方法则不会出现这一问题。 图1a. 直流对数放大器的基本BJT 实现方案，具有电流吸收输入， 产生负输出电压 OUT BE U kT q S kT q U S C e I e I I -== S C OUT I I q kT U ln -=
I C=I SRC(=V IN/R IN) 图1b. 将BJT由npn型改为pnp型，对数放大器变为电流流出电路，输出为正极性。 增加输入串联电阻后，直流对数放大器也可以采用电压输入。采用运算放大器的虚地作为参考端，输入电压通过电阻转换为成比例的电流。显然，运算放大器输入失调必须尽可能小，才能实现精确的电压-电流转换。双极型晶体管实现方案对温度变化敏感，但采用基准电流和片内温度补偿能够显著降低这种敏感性，下文将对此进行讨论。 详细讨论 在图2所示电路中，BJT对数放大器具有两个输入：IIN和IREF。如上一节所述，输入到IIN的电流使运算放大器A1输出相应的电压：
其中： k = 1.381 x 10-23 J/°K T = 绝对温度(°K) q = 1.602 x 10-19°C IC = 集电极电流(mA或与IIN和IS的单位相同) IIN = 对数放大器输入电流(mA或与IC和IS的单位相同) IS = 反向饱和电流(mA或与IIN和IC的单位相同) (在等式1中，“ln”表示自然对数。在后面的等式中，“Log10”表示以10为底的对数)。
AD8307型对数放大器及其应用 摘要：AD8307是一款基于连续压缩技术的完全单片500 MHz解调对数放大器，该对数放大器提供92 dB的动态范围，即使在高达100 MHz的频率下仍能提供误差为±l dB的88 dB动态范围。AD8307输出电压斜率为25 mV／dB(截止点为-84 dBm)。介绍AD8307的基本结构、功能特性及其在超声波回波接收电路中的应用以及相应抗干扰措施。 关键词：对数放大器；AD8307；解调；25 mV／dB；超声波回波 信号处理领域中，一些信号具有宽泛的动态范围，比如雷达、声纳等系统中，需处理的信号动态范围达到120 dB以上：超声波回波接收器前端电压也可从“μV”级到“V”级。而宽泛的动态范同往往给应用设计带来诸多问题。实际应用设计都会对所处理信号进行非线性压缩，而大多采用对数放大器实现非线性压缩。该放大器可使输出信号和输入信号的包络成对数比例，并对信号动态范围的压缩无需像AGC系统耶样提取输入信号的电平来控制增益，其增益与信号大小成反比，可广泛应用于通信、雷达、超声、电子对抗等领域。这里给出AD8307型对数放大器及其应用。 1 对数放大器AD8307简介 对数放大器的主要功能是计算某个输入信号包络的对数。AD8307是8引脚SOIC_N封装的，基于连续压缩技术的完全单片500 MHz解调对数放大器。该对数放大器能够提供92 dB的动态范围，即使在高达100 MHz的频率下仍能提供88 dB动态范围，其误差为±1 dB，而且电路中无需实质意义的外部元件。AD8307采用2．7～5．5 V、7．5 mA的单电源供电，低功耗，3 V时功耗仪为22．5 mW。 图l为AD8307的内部功能原理框图，该器件主要由6个放大限幅级组成，每级具有14．3 dB 的增益和900 MHz的小信号带宽，总增益量86 dB，-3 dB带宽为500 MHz。整个动态范围由6个放大限幅级及与其相连的gm型全波检波器和置于无源衰减器14．3 dB抽头的3个顶端检测器共同实现。其偏置由两基准提供，一个基准确定增益，另一基准是带隙电路，决定对数斜率和电源及温度变化的稳定性。AD8307通过具有CMOS电平兼容的ENB引脚实现使能和禁止。AD8307的第1放大级具有极低的电压噪声频谱密度。 对9个检波器输m的差分电流求和，然后在输出级转换为单端方式输出。对数输出电压由该电流流经片内12．5 kΩ电阻形成，并在引脚OUT形成斜率为25 mV／dB的输出电压。此电压未经任何缓冲，允许用于各种特定的输出接口。校正最后一级检波器处的对数截止点的温度稳定性，这样在整个电压输出范围均可工作稳定。截止点采用引脚INT调节，可对输出电流分流或补偿一小电流。