使用对数放大器提升灵敏度和性能在宽动态范围的射频和光纤链接

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在RF和一些光学数据链路接收到的信号可以跨越100分贝以上的宽动态范围。它们的信号强度往往连续地和不可控地变化由于改变信道条件，天线位置，以及其他因素。用于接收信道设计师面临的挑战是按比例绘制这个宽测距信号，以便最大限度地与低电平信号的前端灵敏度，同时未超载的较高量值那些系统。缩放的结果是提高信号/噪声比，增强的信道灵敏度和更好的信噪比性能。

常规的线性放大器，不管它的其他功能，无法处理这个广泛的信号。所需要的，而不是是连续测量实时输入的广泛的信号电平，以便系统可以使用该强度指示来控制通道的增益参数的放大器。

该解决方案是在一个专门的形式，所有模拟对数放大器（对数放大器）。该装置产生一个输出电压，该电压正比于输入信号的幅度的对数（LOG）。对数放大器可以处理信号与动态范围从50高达100 dB或更高，并且在频率为几百兆赫（MHz）和甚至千兆赫（GHz）的。

由于输出是输入值的对数，即输出可跨越几十年来输入范围幅度。回想一下，60分贝对应于1000：1的电压比或三个数量级，而100分贝对应于100,000：1的电压比或五个数量级。

此功能将描述对数放大器，针点关键参数的应用和特性，如何选择对数放大器提供建议，并提供对数放大器及其典型应用实例。

应用包括接收，传送路径

对数放大器可用于解决多个不同RF和光纤信道的问题。让我们来讨论三：蜂窝基站，雷达和声纳，以及功率放大器。

1：蜂窝基站接收机必须从它们位于不同的距离手机适应信号，在范围广泛的和不断变化的条件下，由于运动和方向，干扰，屏蔽和其它因素都超出了手机用户的控制。类似地，服务于平凡地面业务较长范围的无线电接收器以及异国宇宙飞船必须接受信号与不断变化的信号强度因传播条件和与所述信号路径环境等不可控的问题。

动态地调整接收机前端增益，对数放大器被用来提供一个接收信号强度指示器（RSSI），类似于一个“包络检测器”（图1）。这个指示信号，反过来，对于维持信号链的增益，尽管广泛不同条件的最佳控制是至关重要的。这样做允许随后的解调电路对一个紧紧包围，定义明确的信号振幅进行操作。这最大化在精度，线性，和误码率（BER）（对于数字信号）而言解调器的性能。

图1：对数放大器捕获的信号的“包络”或轮廓的大小，但在其对数相关的信号值的标度。（图片来源：密苏里科技大学）

在许多方面，根据对数放大器的RSSI指示器是大大增强，更高的性能，这已在使用从广播和接收（图2）的初期的自动增益控制（AGC）功能的更宽范围的版本。在AGC中，基本的“包络检测器”开发对应于所述调制的接收信号的总功率的强度在任何时刻的电压，并且然后使用该电压来控制前端放大器的增益。

图2：传统的自动增益控制（AGC）功能使用的检测器，通常包括二极管和电容器，以评估信号幅度，然后关闭循环到电压控制的放大器，以最小化信号包络的幅度的变化。但是，它缺乏对数放大器提供了动态范围。（图像源：ADI公司）

然而，广泛变化的RF信号不只是在通信链路的问题。

2：在雷达和声纳系统，对数放大器也发挥了重要作用。在这里，所接收的信号是反射回波，其强度是到目标的距离，目标的尺寸和类型，大气或水的条件下，以及许多其他因素（图3）的功能。其结果是，信号强度是未知的，广泛，相比于原始脉冲失真而变化，并且超出了系统的控制。

图3：雷达和声纳信号返回已知用于具有宽的，快速变化的动态范围，由于目标和它的回波的很大程度上是未知的和不可控的性质，以及作为介质的变异性（空气或水）。在此，动态范围大于50分贝。（图像源：罗德与施瓦茨）

3：在功率放大器（PA），日志越来越多，甚至需要运行在手机或类似的便携式设备发射器的功率放大器及其天线之间只有几厘米的地方完全内部，严格控制的路径安培。原因是，这些设备现在必须有内置天线，这是从用户的身体或环境的名义，设计阻抗匹配难免“失谐”工作。然而，对于满意的性能，PA和天线之间的电压驻波比（VSWR）必须保持尽可能接近1：1，以2：1，因为在大多数情况下，最大允许值。

该解决方案是测量入射和反射的PA和天线，其然后可以被用于确定VSWR及其在实时从用户运动，身体的干扰，以及许多其他因素导致的变化之间的RF信号。这样做是因为事件（发射功率），以反射功率的比率可以用于计算电压驻波比。一旦VSWR是已知的，无线设备可以动态调整PA和天线之间的匹配电路以保持温度低于2：1的VSWR，假定这种能力已被设计到设备中。

然而，测量正向和反射信号，以计算VSWR是不平凡的。它要求的定向耦合器来分离，然后进行采样入射和反射的PA和错配的负载（图4）之间的功率。需要两个对数放大器：一个用于事件波形和一个反射波形，每一个都可以在数十分贝的变化。入射功率和反射功率之间的比率来计算VSWR所需的关键号码。

图4：双对数放大器，现在用于表征PA-到天线的驻波，从而支持动态调整，以保持VSWR接近统一，所以最大限度地传递到天线功率的基础上，在端口C（入射波）和端口的同步测量D（反射波）。（图像源：ADI公司）

显然，这是越来越复杂的部件，材料清单，和电路微妙之处条款。幸运的是，对数放大器还允许有一个“特技”，这极大地简化了入射/反射功率比和随后的匹配电路的调整的计算。

使用对数放大器来简化VSWR匹配电路调整

由于这两个测量信号是对数，一个从另一减法相当于其对数预号码分（比）。通过使用一对数放大器的，并且然后使用一个运算放大器的简单模拟减法功能，入射/反射功率的临界比率可以实时而不需要数值处理来确定。与此相反，数字这样做除法将是不切实际的，因为它需要两个高分辨率，高速模拟 - 数字，接着快速数字处理转换器（ADC）。

一般地，对数放大器的最广泛的应用是测量接收信号的强度和，而不是检测或解调其内容时，使用该信号强度读取控制信道增益或调整其他系统参数。然而，这里所描述的动态VSWR优化技术被越来越多地通过便携式设备的设计者施加，因为它允许设备在多个频带进行操作，用一个或多个天线。

对数放大器原理及实现

输入V之间的基本关系IN /输出V OUT对数放大器的是简单的：

V OUT = V Ý日志（V IN / V X）

其中V Ÿ和V X的比例因子。然而，将理论付诸实践并非如此简单。有在使用几个拓扑中，所有的人都利用PN二极管作为其基本构造块，（图5）的对数的电压/电流的关系。

图5：使模拟数放大器可能的原理是简单和基本的，利用在一个PN二极管的固有电流/电压关系的。然而，建立一个广泛的，精确的对数放大器是非常困难的。（图像源：ADI公司）

最初使用混合电路和模块，现在几乎总是使用的IC - - 对数放大器的设计者已经利用与使用多个阶段用于宽范围的同时最小化在标尺的任一端错误创新配置该物理关系，以及在主要部的范围内的（图6）。单数放大器IC现在可以在一定范围为50dB，100分贝，或提供精确的性能更高，这取决于所选择的设备和工作频率上。

图6：一个理想的对数放大器的传递函数是线性的，如果输入（水平）刻度是线性的和输出（垂直）刻度是对数的。（来源：ADI公司）

他们还制定了计划，以确保最小误差由于温度系数，即使二极管的参数都非常依赖于温度。此外，通过加入一些偏移和绝对值前端电路与所述日志功能，他们已经开发配置其工作周围的事实的零个负号的对数没有被定义，但零和负信号在信号不可避免的发生链。

选择对数放大器

一些用于定义对数放大器的性能的参数从那些用于评估线性放大器由于对数放大器是不同的，根据定义，高度非线性的。对数放大器的传递函数示出了使用输入而不是实际值的绝对值，以绕过“负”输入的问题（图7）的理想化设备。

图7：实际对数放大器的大多数应用程序的传递函数也必须经过零进入负输入范围（虽然有其不需要包括这个额外的考虑独特的应用对数放大器）。（图像源：ADI公司）

主要关注的顶级规格有：

动态范围：指超过多少分贝数放大器操作是有意义的，接近理想; 典型地，这是40〜100分贝。
登录线性或日志的一致性，这是线性/对数转换函数以理想方程的接近程度。本说明书中可以以不同的方式来表达，但最常见的是从一个“完美的”对数函数的最大偏差，例如±在定义的幅度和频率为0.5分贝。对于大多数对数放大器，该供应商提供多条曲线，显示在整个范围上的日志线性一致性，和多个条件下（图8）。
噪声：所述放大器内产生的噪声定义有用信号性能的下边界。如果在下端信号由内部噪声淹没对数放大器的宽动态范围是无用的。
频率响应和带宽，可以在DC在一些设计中开始，或者在其他相对高的频率; 上部范围可以扩展到几百MHz甚至GHz的。
的传递特性的斜率，表示为V /分贝或mA /分贝取决于这是否是一个电压或电流输出装置。
截点是输入电平处的输出电压或电流是零。

图8：基本精度曲线图用于对数放大器示出了从“完美”的以dB为单位沿着指定的整个动态范围的偏差; 这里，它是约±1分贝从1毫伏到100毫伏。（图像源：ADI公司）

许多不同的对数放大器，每个都有针对目标类的应用规范。雷达通常需要最宽的动态范围，无线链路需要更高频率能力，以及天线匹配优化需要提高精度。

例如，AD8309从模拟器件是一个5兆赫至500兆赫数放大器的动态范围100分贝，适用于信号范围的振幅从-78 dBm至+22 dBm的（成50Ω）。它实现通过一系列级联的内部级的这个宽范围内，其中的复杂性，从用户（图9）隐藏。

图9：一个宽范围的内部结构，准确数放大器，如 AD8309 需要多个级联分步骤与衰减和检测电路，加上误差校正和偏移功能一起。幸运的是，这种复杂性是不被用户看到。（图像源：ADI公司）

的AD8309设有20毫伏/ dB的斜率的传递函数，为-95dBm截距，和±0.4分贝RSSI线性高达200兆赫。它非常适合于非常宽范围的中频（IF）和RF功率测量，以及RSSI指示和控制。它也可以用于基本雷达和声纳信号处理和仪器如网络和频谱分析仪。中提供的数据片上的许多性能图表是那些表示RSSI输出与输入电平，及一组特定的条件（图10）下记录的RSSI输出与输入电平的线性度。

图10：AD8309的数据片包括许多表格和图表，其在各种条件下定义的性能，如这对哪个节目（左）RSSI输出与输入电平，和（右）相对于对数的输入电平的RSSI输出的线性度; 既为300兆赫，400兆赫和500兆赫，并在+ 25°C的频率。（图像源：ADI公司）

另一种有用的对数放大器是Analog Devices公司的AD8317，设计用于从1MHz操作高达10GHz宽的带宽的应用程序。它可以执行在无线电链路发射机（图11）RF发射机PA设定点控制和电平监控，以及电源监控。虽然它可以运行在高达10GHz的，设有55分贝动态范围高达8 GHz的±3 dB的误差，和提高的温度相关的性能±1.0 dB的精度和±0.5 dB的温度稳定性。

图11：Analog Devices公司的AD8317完全从1MHz指定到8GHz，并稍微降低，但仍然有用的性能到10GHz。它的目标发送和接收路径电力监测情况。（图像源：ADI公司）

中在数据表中的许多性能图是一个汇总输出误差与输入电平（图12）。还有更多的与其他的角度并沿多个维度，包括温度，频率和功率。

图12：AD8317的基本性能最初的特征是该传递函数，其跨越70dB的输入功率范围内; 其他图表显示在不同的频率和温度等因素的性能。（图像源：ADI公司）

当然，如本部分需要其它RF相关的规范的，因为它靶向操作超过1 GHz而到达10 GHz的区域。出于这个原因，所述数据表提供的史密斯图表输入阻抗与频率的关系（图13）。该信息对于设计的关键匹配电路，并在最高频率制定准确的仿真模型至关重要。

图13：综合设计，建模，并且使用GHz的+设备时仿真，如AD8317，需要用于计算在所有感兴趣的频率输入阻抗匹配要求的史密斯圆图。（图像源：ADI公司）

最终的设计注意：根据其性质，对数放大器处理有微小幅度的信号，并且它们的输出也对实际输入信号的任何噪声非常敏感。因此，细心的PC板布局是强制性的，有：