对数放大器的根本道理及其执掌宽动态界限信号

2020-03-05 23:57 shenhua

  如何将幅度变化超过100分贝(dB)的信号应用于线性放大器或模数转换器(ADC),典型动态范围为60 dB至100 dB?像这样的信号发生在回波测距设备中,如雷达和声纳,通信系统,以及光纤系统。

  有没有办法动态调整这些信号,以防止低端信号丢失,限制或削波幅度范围的高端?

  对数放大器,对数转换器或更简单的对数放大器,通过为低电平信号提供高增益和为更高信号电平逐渐降低增益来解决这个问题。

  本文将介绍和描述几种类型的对数放大器,用于低频和高频应用。然后讨论这些有用的非线性放大器的规格和典型应用。

  对数放大器是非线性模拟放大器,产生的输出是输入信号或信号包络的对数。它们将具有大动态范围的输入信号压缩为具有固定幅度范围的输出信号。这是通过为低输入信号电平提供高增益和为更高电平信号提供逐渐降低的增益来实现的(图1)。

  图1:对数放大器通过对最低幅度信号应用较高增益并逐渐降低增益至较高电平信号来压缩输入信号(顶部迹线)。中间的迹线显示输入的对数,而底部的迹线是对数放大器输出的包络。(图片来源:Digi-Key Electronics)

  输入信号(顶部迹线)是调幅载波。调制信号是线性斜坡。对数放大器输出(中间迹线)为低电平信号提供更高的增益,随着信号电平的增加逐渐降低增益,产生对数加权的输出信号。底部迹线是对数放大器输出的包络线,它是探测器类型对数放大器的输出选项。在ADC之前施加的对数放大器将压缩输入信号以适应ADC的固定输入范围。

  有两种不同的对数放大器拓扑结构:多级对数放大器和直流对数放大器。多级对数放大器取决于一系列放大器的顺序限制。这种拓扑通常用于高达几千兆赫兹的高频信号,通常用于雷达和通信应用。

  DC对数放大器在运算放大器(运算放大器)的反馈回路中使用二极管或二极管连接的晶体管。这种类型的对数放大器限于低于20兆赫兹(MHz)的频率。使用该技术的对数放大器通常与控制应用中的传感器一起使用。

  利用多级对数放大器,使用具有良好过载限制特性的一系列线性放大器实现对数幅度响应,每个线性放大器的输出驱动下一级以及求和电路(图2)。

  图2:显示了各个输出相加的多个线性放大器的串联连接的简单概念模型(上图)。该方法产生对数幅度响应,如传递函数图(底部)所示。(图片来源:Digi-Key Electronics)

  图2中所示的放大器串使用四个放大器,每个放大器具有相同的增益A.低幅度信号 - 低于该电平以在任何阶段中引起限制 - 在这种情况下经历增益N×A或4×A 。这在图的底部的传递函数中示出,其中最左侧(红色)段具有等于N×A的增益,如线和VMAX/ A4之间的幅度,其中VMAX是最大输入电压。

  随着输入电平的增加,在某个时刻,最后一个放大器第4阶段将开始限制。总增益将降至(N-1)×A或3×A。绿色段的斜率,在输入电平VMAX/ A3和VMAX/ A4之间,代表该增益范围。类似地,随着输入电平持续增加,早期放大器开始连续限制。深蓝色片段的增益为(N-2)×A,品红色片段的增益为(N-3)×A,浅蓝色片段的增益为(N-4)×A或为零。

  虽然这个概念模型可用于解释如何使用一系列放大器开发对数响应,但它会遇到令人不快的问题。存在与每个放大器级相关的固有传播延迟。来自第一级的信号分量在后级的信号分量之前到达求和电路,从而使输出波形失真。这可以通过改变基本电路来纠正(图3)。

  图3:通过使用具有成对放大器的级联架构,可以修改串联对数放大器拓扑以消除延迟。每对包括限幅放大器,以在必要时提供增益,以及单位增益缓冲器,用于不需要放大时。在每个阶段进行求和消除延迟。(图片来源:Digi-Key Electronics)

  这种拓扑结构取代了具有成对放大器的单级放大器。每对包括一个限幅放大器,用于在需要时提供增益,以及一个单位增益缓冲器,如果不需要增益。在每个阶段进行求和,消除了使用单个夏季时发生的延迟。对于小信号,限幅放大器提供主导路径。随着信号幅度的增加,最后一级将开始限制,允许该级的单位增益放大器成为夏季的主要输入。增加输入电平进一步导致早期阶段连续限。