對數(shù)放大器原理

信號壓縮

在現(xiàn)實世界中，一些信號往往具有很寬的動態(tài)范圍。比如雷達(dá)、聲納等無線電系統(tǒng)中，接收機前端信號動態(tài)范圍可達(dá)120dB以上；光纖接收器前端的電流也可從“pA”級到“mA”級。寬動態(tài)范圍往往給應(yīng)用設(shè)計帶來很多問題。一方面，線性放大器無法處理這樣寬的動態(tài)范圍。另一方面，DA變換中，在保證分辨率的情況下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)會隨動態(tài)范圍的增大而增大。因此，在處理寬動態(tài)范圍的信號時，常常將其動態(tài)范圍壓縮到一個可以處理的程度。如果一個系統(tǒng)中阻抗是線性的，信號的功率與電壓的平方成正比，信號的動態(tài)范圍既可以用電壓表示也可以用功率來表示。

在工程應(yīng)用中，動態(tài)范圍的壓縮分為“線性壓縮”和“非線性壓縮”。線性壓縮是指放大器的增益與信號的大小無關(guān)，輸出基本保持恒定。線性壓縮的特點使諧波失真小， 其本質(zhì)是一種“壓控放大器”（VCA）。非線性壓縮方面最好的例子就是對數(shù)放大器。它是輸入輸出信號成對數(shù)關(guān)系的器件，它對信號動態(tài)范圍的壓縮不需要像AGC系統(tǒng)那樣提取輸入信號的電平來控制增益，其增益與信號的大小成反比，在通信、雷達(dá)、電子對抗、電子測量中有著廣泛的應(yīng)用。

對數(shù)放大器的實質(zhì)

多年來，人們對對數(shù)放大器本質(zhì)的認(rèn)識有一些模糊。通常人們把它看作是一種放大器，反而淡化了其非線性的特性，把它們看作特殊類型的放大器更是不對。盡管這些電路提供一些放大功能，如在RF和IF放大器中，它對小信號呈現(xiàn)出高增益等等，但它們真正的用途是實現(xiàn)精確的對數(shù)變換，嚴(yán)格地說，這些電路應(yīng)該叫做“對數(shù)變換器”。但多年來人們已經(jīng)習(xí)慣了“對數(shù)放大器”的叫法。IC廠商也不愿因為改名而使用戶對他們的產(chǎn)品性質(zhì)和用途造成誤解。因此，本文也將沿用“對數(shù)放大器”這一名稱。

對數(shù)放大器的分類

在許多文獻(xiàn)中，對數(shù)放大器的分類也是相當(dāng)混亂的，根據(jù)實現(xiàn)對數(shù)函數(shù)依據(jù)的不同,有的將其分為二極管、三極管對數(shù)放大器和級聯(lián)對數(shù)放大器，有的將其分為真對數(shù)放大器和似對數(shù)放大器等等。但幾十年來，隨著半導(dǎo)體理論、工藝和模擬集成電路的發(fā)展，許多對數(shù)放大器實現(xiàn)的方法已經(jīng)被淘汰，其分類方法也未盡科學(xué)。目前根據(jù)市場上現(xiàn)有的對數(shù)放大器結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可將對數(shù)放大器分為三類：基本對數(shù)放大器、基帶對數(shù)放大器和解調(diào)對數(shù)放大器。

基本對數(shù)放大器也稱跨導(dǎo)線性（Translinear）對數(shù)放大器，它基于雙極性三極管（BJT）的對數(shù)特性來實現(xiàn)信號的對數(shù)變換。這類對數(shù)放大器可以響應(yīng)緩慢變化的輸入信號，其特點是具有優(yōu)良的直流精度和非常寬的動態(tài)范圍（高達(dá)180dB），缺點是交流特性差。

基帶對數(shù)放大器也稱視頻對數(shù)放大器（雖然很少用于視頻顯示相關(guān)的應(yīng)用），它克服了基本對數(shù)放大器的缺點，能夠響應(yīng)快速變化的輸入。其原理是采用了一種 “逐級壓縮”的技術(shù)，交流特性好，但動態(tài)范圍較小。

解調(diào)對數(shù)放大器也稱逐級檢波對數(shù)放大器，它具有分段線性近似性質(zhì)，形成對數(shù)級聯(lián)后，可以得到很好的對數(shù)傳遞函數(shù)，在整個動態(tài)范圍內(nèi)對數(shù)精度高，同基帶對數(shù)放大器相似，也采用多個級聯(lián)線性放大器，動態(tài)范圍大。

對數(shù)放大器原理

針對上述的三種對數(shù)放大器，我們分別來講述其實現(xiàn)信號對數(shù)變換的原理。

基本對數(shù)放大器

基本對數(shù)放大器在IC設(shè)計中使用了跨導(dǎo)線性電路，因此也稱做跨導(dǎo)線性（Translinear）對數(shù)放大器。跨導(dǎo)線性電路是電流模電路的主要組成部分，是許多線性和非線性模擬集成電路的理論基礎(chǔ)。跨導(dǎo)線性的概念在1975年由Barrie Gillbert創(chuàng)立，跨導(dǎo)線性對數(shù)放大器就是基于雙極性（BJT）三極管的對數(shù)特性。如圖1

若將ic視為激勵信號電流，UBE看作響應(yīng)信號電壓，將輸入偏流為零的隔離放大器接在集電極C與基極B之間以隔離iB的影響。

可以看出，理想BJT的UBE與其ic是理想的對數(shù)關(guān)系。等式中，Is是BJT的飽和電流，它與溫度密切相關(guān)。此外熱電壓UT也依賴于溫度。在集成的跨導(dǎo)線性對數(shù)放大器中這種受溫度影響的缺點已被一個具有同樣溫度變化特性的三極管修正，而且可以確保對數(shù)斜率的穩(wěn)定性。

UY叫做對數(shù)斜率，固定電流IZ叫做對數(shù)截距（有關(guān)對數(shù)放大器的一些名詞將在后面予以說明）。
基帶對數(shù)放大器與解調(diào)對數(shù)放大器

對于高頻應(yīng)用，常常選擇基帶對數(shù)放大器或解調(diào)對數(shù)放大器。盡管這兩種放大器在細(xì)節(jié)上有些不同，但原理是相同的，它不是采用一個放大器的對數(shù)特性而是用多個相同的線性放大器級聯(lián)來分段線性逼近對數(shù)函數(shù)。如圖2所示，這里只是一個理想的通用模型，其核心為一個限幅放大器，每個放大單元的傳遞函數(shù)如圖3所示，對于N個級聯(lián)限幅放大器構(gòu)成的對數(shù)放大器， EK為限幅放大器的飽和電壓，A為放大倍，當(dāng)輸入信號電壓小于臨界值EK/AN-1時，限幅放大器的每一級都不會飽和，因此，小于EK/AN-1的輸入信號可以得到充分的放大，此時輸出信號幅度是輸入信號幅度的AN-1倍。當(dāng)輸入電壓大于EK/AN-1小于EK時，由于各級限幅的原因，輸入信號越大，飽和的級數(shù)越多。當(dāng)輸入大于EK時，輸出則為NAEK。輸入信號幅度在EK/AN-1和EK之間的信號，其總的輸出電壓與輸入電壓的幅度可用下式表示：

VIN= EK/AN-M ，VOUT=，其中M為飽和的級數(shù)（M≤N）

實際的電路結(jié)構(gòu)是：對于小信號采用增益為A的放大器，而大信號則采用單位增益放大器，稱之為A/1放大器，如圖4所示，限幅增益放大器和單位增益緩沖器并聯(lián)，輸出送加法器。解調(diào)對數(shù)放大器與基帶對數(shù)放大器雖然都采用上述的級聯(lián)限幅放大器，解調(diào)對數(shù)放大器不是將輸出直接累加，而是先檢波然后輸出累加，用級聯(lián)限幅放大器構(gòu)成的對數(shù)放大器有兩種輸出：對數(shù)輸出和限幅輸出。許多應(yīng)用中限幅輸出并不需要，但有些應(yīng)用中，兩種輸出都是必須的。解調(diào)對數(shù)放大器的對數(shù)輸出一般包括幅度信息，而相位和頻率信息則被丟失。如果采用半波檢波器和延時補償，相位和頻率信息也可被保留。

圖2 線性放大器級聯(lián)

圖3 限幅放大器