設(shè)計(jì)人員在處理寬動(dòng)態(tài)范圍信號時(shí)會(huì)面臨一個(gè)大問題。如何才能將幅度變化超過 100 分貝 （dB） 的信號應(yīng)用于典型動(dòng)態(tài)范圍為 60 dB 至 100 dB 的線性放大器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 呢？此類信號會(huì)出現(xiàn)在像雷達(dá)和聲吶之類回波測距設(shè)備、通信系統(tǒng)和光纖系統(tǒng)中。在此類系統(tǒng)中，低振幅信號需要高增益，高振幅信號需要低增益。

　　是否有一種方法可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)這些信號，在振幅范圍的低端防止信號損失，在高端防止限幅或削波？

　　對數(shù)放大器或?qū)?shù)轉(zhuǎn)換器可為低電平信號提供高增益，為高電平信號逐步降低增益，從而解決這個(gè)問題。

　　本文將介紹幾種同時(shí)適合低頻率和高頻率應(yīng)用的對數(shù)放大器。然后，本文將討論這些有用的非線性放大器的規(guī)格和典型應(yīng)用。

　　對數(shù)放大器的作用

　　對數(shù)放大器是非線性的模擬放大器，可以產(chǎn)生與輸入信號或信號包絡(luò)呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系的輸出。它們將具有很大動(dòng)態(tài)范圍的輸入信號，壓縮為具有固定振幅范圍的輸出信號。實(shí)現(xiàn)方法是為低電平輸入信號提供高增益，并逐步降低高電平信號的增益（圖 1）。

　　圖 1：對數(shù)放大器通過向振幅最低的信號應(yīng)用高增益，并逐步降低高電平信號的增益，來壓縮輸入信號（頂部跡線）。中間的跡線顯示了輸入的對數(shù)，底部跡線則是對數(shù)放大器輸出的包絡(luò)。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　輸入信號（頂部跡線）屬于調(diào)幅載波。調(diào)制信號為線性斜坡。對數(shù)放大器輸出（中間跡線）為低電平信號提供較高的增益，并在信號電平增加時(shí)逐步降低增益，從而產(chǎn)生對數(shù)加權(quán)的輸出信號。底部跡線是對數(shù)放大器輸出的包絡(luò)，是檢測器類型對數(shù)放大器的輸出選項(xiàng)。在 ADC 之前應(yīng)用對數(shù)放大器，可以壓縮輸入信號，以適應(yīng) ADC 的固定輸入范圍。

　　對數(shù)放大器拓?fù)?/p>

　　對數(shù)放大器有兩種不同的拓?fù)洌憾嗉墝?shù)放大器和直流對數(shù)放大器。多級對數(shù)放大器依賴于一系列放大器的順序限幅。這種拓?fù)渥畛Ｓ糜陬l率高達(dá)數(shù) GHz 的高頻信號，通常用于雷達(dá)和通信應(yīng)用。

　　直流對數(shù)放大器在運(yùn)算放大器的反饋環(huán)路中使用二極管或二極管接法晶體管。這種類型的對數(shù)放大器頻率限 20 兆赫 （MHz） 以下。采用這種技術(shù)的對數(shù)放大器通常在控制應(yīng)用中結(jié)合傳感器使用。

　　多級對數(shù)放大器

　　使用多級對數(shù)放大器時(shí)，可使用一系列具有良好過載限制特性的線性放大器來實(shí)現(xiàn)對數(shù)振幅響應(yīng)，且每個(gè)放大器的輸出會(huì)驅(qū)動(dòng)隨后的各級以及求和電路（圖 2）。

　　圖 2：此圖顯示了單個(gè)輸出求和的多個(gè)線性放大器串聯(lián)的簡單概念模型（上部）。這種方法產(chǎn)生對數(shù)振幅響應(yīng)，如傳遞函數(shù)圖所示（下部）。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　圖 2 所示的放大器串使用了四個(gè)放大器，每個(gè)放大器具有相同的增益 A。低振幅信號（在導(dǎo)致任何級進(jìn)行限幅的電平以下）的增益為 N × A，本例中為 4 × A。該圖下部的傳遞函數(shù)顯示了這一點(diǎn)，其中最左側(cè)（紅色）部分的增益等于 N × A，如振幅線段的斜率所示，振幅介于零到 VMAX / A4 之間，其中 VMAX 是最大輸入電壓。

　　隨著輸入電平增加，最后一個(gè)放大器（第 4 級）會(huì)在某個(gè)時(shí)候開始限幅。整體增益將降低至 （N - 1） × A，也就是 3 × A。在輸入電平 VMAX / A3 和 VMAX / A4 之間的綠色部分斜率代表了這個(gè)增益范圍。同樣，隨著輸入電平繼續(xù)增加，前幾個(gè)級的放大器相繼開始限幅。深藍(lán)色部分的增益為 （N - 2） × A，紫紅色部分的增益為 （N - 3） × A，淡藍(lán)色部分的增益為 （N - 4） × A，也就是零。

　　雖然這個(gè)概念模型有助于解釋如何使用一系列放大器產(chǎn)生對數(shù)響應(yīng)，但它也面臨著一個(gè)棘手的問題。每個(gè)放大器級都有關(guān)聯(lián)的固有傳播延遲。相比后面其他級的信號分量，來自第一個(gè)級的信號分量會(huì)更早到達(dá)求和電路，從而使得輸出波形失真。這可以通過更改基本電路來加以糾正（圖 3）。

　　圖 3：串聯(lián)對數(shù)放大器拓?fù)淇蛇M(jìn)行修改，通過使用采用放大器對的級聯(lián)架構(gòu)來消除延遲。每對放大器都包含限幅放大器，在必要時(shí)提供增益；還包含單位增益緩沖器，在不需要放大時(shí)使用。每個(gè)級中都會(huì)進(jìn)行求和，從而消除延遲。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　這種拓?fù)涫褂梅糯笃鲗θ〈藛渭壏糯笃?。每對放大器包含限幅放大器，在必要時(shí)提供增益；還包含單位增益緩沖器，在不需要增益時(shí)使用。每個(gè)級中都會(huì)進(jìn)行求和，從而消除在使用單個(gè)加法器時(shí)產(chǎn)生的延遲。對于小信號，限幅放大器提供了主導(dǎo)路徑。隨著信號幅度增加，最后一級開始限幅，允許該級的單位增益放大器成為加法器的主輸入。若進(jìn)一步增加輸入電平，則會(huì)導(dǎo)致前幾個(gè)級相繼限幅，從而導(dǎo)致增益全面降低。

　　串聯(lián)放大器拓?fù)涞牧硪环N形式是連續(xù)檢波對數(shù)放大器（圖 4）。

　　圖 4：連續(xù)檢波對數(shù)放大器在每級之后添加了峰值檢波。然后，對這些輸出進(jìn)行求和，產(chǎn)生對數(shù)放大輸出信號的振幅包絡(luò)。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　連續(xù)檢波對數(shù)放大器使用了上文所述的相同限幅放大器鏈，但在每級之后添加了峰值檢波。對這些檢測器輸出進(jìn)行求和，以產(chǎn)生對數(shù)放大器輸出的振幅包絡(luò)。有些版本也輸出對數(shù)放大信號。檢測器可按照半波或全波實(shí)現(xiàn)，具體取決于電路設(shè)計(jì)。在需要提取檢波信號電平的應(yīng)用中，對數(shù)包絡(luò)非常有用。此類應(yīng)用包括自動(dòng)增益控制和接收信號強(qiáng)度指示器 （RSSI）。

　　一個(gè)很好的商用多級解調(diào)對數(shù)放大器的實(shí)例是 Analog Devices 的 AD8310ARMZ-REEL7（圖 5）。

　　圖 5：AD8310 多級解調(diào)對數(shù)放大器級聯(lián)了六個(gè)放大器，每個(gè)放大器具有 14.3 dB 的標(biāo)稱增益（5.2 的增益）和 900 MHz 的帶寬。（圖片來源：Analog Devices）

　　AD8310 具有差分輸入，動(dòng)態(tài)范圍為 95 dB，帶寬為 440 MHz，對數(shù)線性度為 ±0.4 dB。它級聯(lián)了六個(gè)放大器，每個(gè)放大器具有 14.3 dB 的標(biāo)稱增益（5.2 的增益）和 900 MHz 的帶寬。每個(gè)放大器都會(huì)驅(qū)動(dòng)具有電流輸出的檢測器，而該電流輸出則通過內(nèi)部緩沖放大器被轉(zhuǎn)換為電壓，然后再輸出。

　　直流對數(shù)放大器

　　正如上文所述，另一種對數(shù)放大器拓?fù)涫侵绷鲗?shù)放大器。該器件在運(yùn)算放大器的反饋路徑中，使用二極管或二極管接法晶體管。二極管接法晶體管是最常用的配置（圖 6A）。晶體管基極結(jié)兩側(cè)的電壓與流經(jīng)電流的對數(shù)成正比。在運(yùn)算放大器的反饋路徑中采用二極管接法晶體管產(chǎn)生的輸出電壓，與輸入電流相對射極飽和 （IES） 電流之比的對數(shù)成正比。

　　圖 6：通過在運(yùn)算放大器的反饋路徑中使用二極管接法晶體管可實(shí)現(xiàn)對數(shù)放大器 （A）。通過使用兩個(gè)差分連接的此類放大器，可顯著減少這種類型的對數(shù)放大器的溫度相關(guān)性 （B）。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　圖 6（A） 所示的簡單配置的局限在于：輸出與溫度和射極飽和電流 IES 有關(guān)，如公式所示，其中 T 是開爾文溫度。如圖 6（B） 所示，將兩個(gè)此類放大器配置為差分對，可以顯著降低這種相關(guān)性。差分版為跨阻放大器，可計(jì)算 IIN 2 / IIN 1 比率的對數(shù)值，并產(chǎn)生電壓輸出。IIN 1 通常設(shè)置為固定基準(zhǔn)電流。

　　Texas Instruments 的 LOG114AIRGVT 是一款直流對數(shù)放大器，具有最多八個(gè)十倍頻程動(dòng)態(tài)范圍，帶寬為 5 MHz。此裝置可以配置為對數(shù)放大器或?qū)?shù)比放大器。除了溫度補(bǔ)償對數(shù)放大器之外，還包括兩個(gè)調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器和一個(gè) 2.5 伏電壓基準(zhǔn)源（圖 7）。

　　圖 7：LOG114 對數(shù)放大器的功能框圖和相關(guān)外部元器件。該放大器基于溫度補(bǔ)償電路，且包含另外兩個(gè)調(diào)節(jié)放大器。（圖片來源：Texas Instruments）

　　Texas Instruments 為 LOG114 提供了電路模型，讓設(shè)計(jì)人員能夠在 TINA-TI Texas Instruments 電路仿真器上仿真設(shè)計(jì)（圖 8）。

　　圖 8：LOG114 對數(shù)放大器模型的 TINA-TI 仿真，展示了在七個(gè)十倍頻程的輸入電流的出色對數(shù)線性度。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　該電路使用內(nèi)置的 2.5 伏電壓基準(zhǔn)，建立 1 微安 （μA） 的基準(zhǔn)電流 I1。伴隨的傳遞函數(shù)顯示了在七個(gè)十倍頻程（從 100 皮安 （pA） 到 1 毫安 （mA） 的 140 dB 電流范圍）的線性響應(yīng)。對數(shù)放大器輸出使用附加兩個(gè)運(yùn)算放大器中的一個(gè)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生傳遞函數(shù)公式：VOUT = -0.249 x log （I1 / I2） + 1.5 伏。

　　總結(jié)

　　無論是基帶還是射頻，對數(shù)放大器都為設(shè)計(jì)人員提供了一種用于處理寬動(dòng)態(tài)范圍信號的技術(shù)。實(shí)現(xiàn)方法是，將寬動(dòng)態(tài)范圍信號壓縮為固定輸出范圍，從而防止隨后各級出現(xiàn)溢出和削波情況。對數(shù)放大器解決方案可以隨時(shí)使用，且通常得到在線仿真工具的支持，從而為設(shè)計(jì)過程提供幫助。