記錄Amps滿足RF功率測量、信號縮放的需要

對數放大器(通常稱為對數放大器，有時作為一個日誌檢測器)是用於射頻電路和光電介面的模擬元件。其傳遞函數概念上很簡單:輸出電壓或電流正比於輸入電壓或電流的對數(圖1)。它實現了輸入/輸出關係在一個輸入60至80分貝範圍(典型的),但它可以作為大型或寬為120分貝在某些情況下;一些對數安培數甚至達到了160分貝的動態範圍。雖然它被稱為「放大器」，但它不是按習慣意義上的詞;它實際上是一個線性到對數的變換器。

　　輸入電流的對數放大器輸出電流的圖像。

　　圖1:對數放大器或變頻器產生輸出電流或電壓信號(Y軸)，與輸入電流或電壓信號(X軸)的對數成正比;注意，對於輸入等於或小於零的輸入，它是未定義的，儘管日誌amps在這個限制上有很多方法。

　　在系統中故意放置一個非線性元件可能會適得其反，因為所有的重點都在元件和電路的線性度上，並且在大範圍內產生低失真。日誌放大器是設計的一部分，但它通常不是直接在信號鏈中。在射頻電路中,經常調整的閉環控制的一部分接收增益通過自動增益控制(AGC)保持信號電平嘯叫通道通過測量輸入信號強度在廣泛(RSSI-received信號強度指示器),圖2中,以及控制發射功率。在光學電路中，它被用來監測電流到激光二極體，並根據溫度和其他操作因素調整。

　　fm -接收方框圖的圖像。

　　圖2:正如這個FM-receiver框圖所示，在一個接收器的AGC反饋環中經常使用日誌放大器來維持一個窄幅範圍內的信號水平，儘管輸入信號的強度範圍很廣。

　　雖然對數函數沒有定義為等於或小於零的參數，但實際的電路確實有非正信號。因此，日誌amp設計人員使用各種技術來解決這個限制。日誌amps及其應用程序可分為三類:

　　DC日誌放大器(「DC」有點用詞不當)用於緩慢變化的信號，最高可達1兆赫茲。它用於光學電路的電源控制，以及醫療、化學和生物儀器。

　　當需要某種信號壓縮時，基帶日誌放大器被用於音頻和視頻電路，以及接收信號鏈的階段和超聲波電路的信號處理路徑。它有一個對稱輸出為正或負輸入信號，輸出為正輸入為正，負為負。

　　解調對數放大器壓縮和解調射頻信號，其輸出為整流信號的包絡線的對數。該日誌放大器用於rf -收發器應用程序，接收到的射頻信號強度用於控制發射機輸出功率。輸出是基於輸入的絕對值，無論輸入是正還是負，都是正的。

　　[注意日誌放大器與另一個非線性模擬放大器，限制放大器是不同的。這種裝置，有時稱為剪切放大器，在其大部分範圍內是線性的。然而，當輸入接近正或負最大值時，放大器增益開始下降和限制。因此，不只是硬飽和輸出——這會造成嚴重的失真，而且可能需要相當長的時間才能使放大器恢復——這個放大器的「軟限制」，並能相對優雅地達到最大輸出;當輸入返回到正常範圍時，輸出也會快速返回到線性模式。

Log-amp設計

　　log amp的核心是基於當前通過的已知對數關係，以及在一個二極體的PN結(圖3左)，並在實際電路中與一個op amp結合使用(圖3右)。從這個基本的物理原理開始，日誌amps使用了許多拓撲和配置，每一個都提供了各種性能屬性和優先順序之間的權衡，因為它們需要精確和帶寬。雖然內部細節可能不會直接引起logamp用戶的興趣，但它們確實會影響日誌amp和應用程序之間的匹配。對數放大器提供了一種高度精確的傳遞函數——在某些應用程序中需要的特性，但在其他應用中卻不需要——通常被稱為「dB中的線性」。

　　二極體的電流與電壓關係的圖像。

　　圖3:二極體的已知電流與電壓關係是幾乎所有的對數放大器設計的基礎(左);為了利用這種二極體關係，它被放置在一個基本的運算放大器設計的反饋環中(右)。

　　對於射頻應用，連續壓縮日誌放大器採用多級放大和漸進限制，以分段的方式對對數進行近似。它們包括一個整流器(檢測器)，每一個5到10個低增益的階段(每一個8 dB到12 dB)，它們的輸出被相加來產生一個經過過濾的電壓，這是一個分貝刻度的平均功率，超過100分貝和更大範圍。

　　其他射頻應用採用指數增益設計，其增益跨度減小(約60分貝)，但精度更高;它通常包括一個檢測器，其過濾後的輸出使檢測器成為一個平方律裝置，輸出是應用信號的功率等效(rms)值。

　　光學應用程序的日誌放大器通常是在「DC類」中，因為它們測量的是與光功率相關的相對緩慢變化的電流，以控制激光二極體的電流或光模放大器的增益。他們可能需要這樣做，從大約幾匹小辣椒到幾毫安，總共90年(109:1)。

　 Log-amp規範

　　一個日誌放大器的物理實現可以是一個集成電路(集成電路)，或者是一個由單個的模具和分立元件組成的模塊，集成電路的版本更小，更便宜，使用更少的功率，以及其他優點，並且能夠提供非常好的性能;他們通常是最先考慮的人選。當集成電路的奇異過程技術，因此單一集成電路，不能充分滿足應用程序的所有必要參數，如雜訊、帶寬或溫度範圍時，採用混合結構。

　　日誌amps有一些與常規的、非日誌的amps類似的規範，以及一些由於設備的特性而獨一無二的規範。另外，不同的供應商可能對其中一些參數有合理的不同定義，因此檢查數據表以了解詳細信息和測試條件是非常重要的。頂級的因素包括:

　　-動態範圍幾十年:通常在dB中指定，在大多數情況下，從60 dB到120 dB(或更多)。在所有情況下可能不需要廣泛的範圍，實現它可能需要犧牲其他關鍵規範。

　　-帶寬:對於今天的射頻應用，這通常是在單個數字GHz範圍內，但是一些先進的設備可以達到數十GHz。

　　-準確性:符合完美的線性/對數傳遞函數。它通常在0.1%到1%之間，但也可能因輸入範圍的不同而有所不同。

　　-靈敏度:對數放大器所能處理的最低信號值;通常,在nA或1μV範圍,但可以降低;通常在dBm指定,通常在50Ω。

　　-偏移量:當輸入為最小值時，日誌放大器的輸出(不是0，因為log 0是未定義的)。

　　-固定或可調參考:一些對數安培有固定的比例因子，例如0.25 V/ 10(或10 mA/ 10);另一些則允許用戶提供一個確定比例因子的引用。在dB或10年，例如20 mV/dB或400 mV/十年，可以對比例因子進行調用。

　　-單極和雙極輸入和輸出:負數的對數是未定義的，但許多真實世界的信號是帶有負值的雙相障礙;為了克服這個限制，基帶和解調日誌amps使用偏移、平方或其他技術來允許輸入低於0 V。

　　對於對數放大器來說，最具挑戰性的兩個問題是雜訊和溫度係數(tempco)。因為對數放大器工作在許多年裡,他們預計μV處理信號,nV,甚至pV範圍(或μA,nA,或pA)。但是，如果信號水平低，則日誌放大器的內部雜訊可能會淹沒信號。對於許多射頻應用,幸運的是,低雜訊關鍵不如範圍和帶寬,只要雜訊譜密度足夠低(通常在nV /√赫茲)

　　對於logamp設計人員和用戶來說，Tempco是最具挑戰性的參數。由於對數放大器的核心是基於半導體結的行為，它將不可避免地隨著溫度的變化而變化。logamp設計人員使用多種設計技術來取消、補償、修剪或最小化tempco，但它仍然是一個因素，這是整體性能的一部分。與許多模擬組件一樣，日誌amps可用於標準商業、擴展工業，甚至軍事溫度範圍的詳細規範。

日誌放大器的例子顯示了規格的廣度

　　許多模擬和混合信號的集成電路供應商都提供了日誌amps。製造商通常提供一種錯誤遵從性的概述曲線，以及詳細的曲線，顯示在特定頻率下的一致性，以及在每一個頻率上的低、名義和高溫度。

　　例如,AD8318從模擬設備是一種解調對數放大器,使用先進的壓縮技術在級聯放大器鏈,每個階段配備一個檢測器單元(圖4)。它提供了準確的記錄信號的一致性1 MHz到6 GHz 8 GHz提供有用的操作。輸入範圍通常是60 dB(50Ω輸入阻抗)與誤差小於±1 dB(圖5),而溫度穩定在±0.5 dB。4毫米×4毫米,16-lead指定設備在-40?C + 85?C範圍和操作從一個5 V供應。

　　來自模擬設備的AD8318日誌放大器的圖像。

　　圖4:來自模擬設備的AD8318日誌放大器使用級聯放大器鏈和一種累進壓縮技術，使1兆赫到6 GHz的信號的精確記錄符合性，以及對8 GHz的有用操作。

　　模擬設備圖形的圖像AD8318輸出電壓。

　　圖5:供應商提供的許多詳細的性能圖表之一日誌安培,這張圖的AD8318輸出電壓輸出電壓(近直降線)和日誌一致性(「蠕動的線)與輸入振幅8 GHz還顯示性能在+ 25°C(黑),?40°C(藍色),+ 85°C(紅色)。

　　線性技術公司提供了LT5537,寬動態範圍射頻/如果探測器運營從10 MHz 1 GHz,(圖6)。在200 MHz,其動態範圍是90分貝±3 dB非線性(50?輸入),如圖7所示。探測器輸出電壓的斜率是20 mV / dB(名義),和溫度係數為0.01 dB /°C在200 MHz(典型的)。靈敏度，也測量在200兆赫，至少是-76 dBm。運作一個供應2.7 V和5.25 V至設在一個8-lead,3毫米×2毫米包。

　　線性技術LT5537 RF/IF檢測器。

　　圖6:LT5537提供了輸入和輸出之間的對數線性關係;輸入信號通過一系列限幅放大級放大;一系列的檢測器單元對信號進行校正併產生與輸入功率線性相關的輸出電流。

　　線性技術LT5537輸出電壓和線性誤差與輸入功率圖。

　　圖7:這是對200兆赫的輸出電壓和線性誤差與輸入功率的概覽，在三個溫度下，線性技術LT5537被大量更詳細的性能圖補充。

　　第三個例子是Maxim集成的MAX4003。他們MAX4003低功耗對數放大器設計檢測射頻功率放大器的功率水平(PAs)操作從100兆赫到2500兆赫,與典型的動態範圍(圖8)。45分貝,對數放大器匹配的無線應用程序包括蜂窩手機PA控制發射機信號強度控制無線終端設備,和其他發射機功率測量。

　　馬克西姆的MAX4003日誌放大器。

　　圖8:Maxim的MAX4003日誌放大器是100 MHz到2500 MHz的低功率組件，範圍為45 dB;包括4個10分貝的放大器/限制級，每一個都有10分貝的小信號增益;每個放大器/限制器級的輸出應用於全波整流器，檢測器級也在第一個階段之前，總共有5個檢測器。

　　這個電壓測量設備提供一個典型的信號範圍的-58伏特分貝至-13伏特分貝,用各式各樣的微小的包,包括一個8-bump晶元大小,μMAX,薄QFN包。供應商提供了不同頻率(圖9)的高水平總體一致性圖，以及所引用的每一個頻率的更詳細的一致性圖，包括溫度，甚至包類型。設備需要與3.0 V 5.9 mA供應和設備時只有13μA關閉。它提供了溫度穩定性達到-40°C的完整的操作範圍+ 85°C。

　　MAX4003日誌符合性與輸入功率的曲線圖。

　　圖9:包裝會影響性能,馬克西姆MAX4003數據表中所示的輸出電壓和日誌一致性與輸入功率在2.5 GHz 8-leadμMAX包(左)和他們的8-bump晶元級UCSP?包(右)。

總結

　　雖然它們比傳統的線性放大器有更複雜和精細的規範，但對數放大器在RF和光學系統中都扮演著關鍵的角色。使用GHz-range響應的對數放大器，用於管理接收機的前端增益和傳輸功率，而低頻日誌amps用於通過光纖鏈路的激光二極體測量電流。

　　有很多方法可以構建一個日誌放大器，其中大部分基於一個二極體的獨特的對數電壓/電流傳遞函數的核心。然而，一個實際的完整的日誌放大器要比單獨的二極體複雜得多，而且必須適應和權衡動態範圍、帶寬、溫度漂移、雜訊和其他性能參數的規範。今天的日誌amps以IC形式提供了出色的性能，在小型，相對低功率和低成本的包裝;只有在相當特殊的情況下，才越來越需要混合的、多晶元的日誌amp實現。