对数放大器基本工作原理及其处理宽动态范围信号的方式

设计人员在处理宽动态范围信号时会面临一个大问题。如何才能将幅度变化超过 100 分贝 (dB) 的信号应用于典型动态范围为 60 dB 至 100 dB 的线性放大器或模数转换器 (ADC) 呢？此类信号会出现在像雷达和声呐之类回波测距设备、通信系统和光纤系统中。在此类系统中，低振幅信号需要高增益，高振幅信号需要低增益。

是否有一种方法可以动态调节这些信号，在振幅范围的低端防止信号损失，在高端防止限幅或削波？

对数放大器或对数转换器可为低电平信号提供高增益，为高电平信号逐步降低增益，从而解决这个问题。

本文将介绍几种同时适合低频率和高频率应用的对数放大器。然后，本文将讨论这些有用的非线性放大器的规格和典型应用。

对数放大器的作用

对数放大器是非线性的模拟放大器，可以产生与输入信号或信号包络呈对数函数关系的输出。它们将具有很大动态范围的输入信号，压缩为具有固定振幅范围的输出信号。实现方法是为低电平输入信号提供高增益，并逐步降低高电平信号的增益（图 1）。

图 1：对数放大器通过向振幅最低的信号应用高增益，并逐步降低高电平信号的增益，来压缩输入信号（顶部迹线）。中间的迹线显示了输入的对数，底部迹线则是对数放大器输出的包络。（图片来源：DigiKey）

输入信号（顶部迹线）属于调幅载波。调制信号为线性斜坡。对数放大器输出（中间迹线）为低电平信号提供较高的增益，并在信号电平增加时逐步降低增益，从而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，是检测器类型对数放大器的输出选项。在 ADC 之前应用对数放大器，可以压缩输入信号，以适应 ADC 的固定输入范围。

对数放大器拓扑

对数放大器有两种不同的拓扑：多级对数放大器和直流对数放大器。多级对数放大器依赖于一系列放大器的顺序限幅。这种拓扑最常用于频率高达数 GHz 的高频信号，通常用于雷达和通信应用。

直流对数放大器在运算放大器的反馈环路中使用二极管或二极管接法晶体管。这种类型的对数放大器频率限 20 兆赫 (MHz) 以下。采用这种技术的对数放大器通常在控制应用中结合传感器使用。

多级对数放大器

使用多级对数放大器时，可使用一系列具有良好过载限制特性的线性放大器来实现对数振幅响应，且每个放大器的输出会驱动随后的各级以及求和电路（图 2）。

图 2：此图显示了单个输出求和的多个线性放大器串联的简单概念模型（上部）。这种方法产生对数振幅响应，如传递函数图所示（下部）。（图片来源：DigiKey）

图 2 所示的放大器串使用了四个放大器，每个放大器具有相同的增益 A。低振幅信号（在导致任何级进行限幅的电平以下）的增益为 N × A，本例中为 4 × A。该图下部的传递函数显示了这一点，其中最左侧（红色）部分的增益等于 N × A，如振幅线段的斜率所示，振幅介于零到 V_MAX / A⁴ 之间，其中 V_MAX 是最大输入电压。

随着输入电平增加，最后一个放大器（第 4 级）会在某个时候开始限幅。整体增益将降低至 (N - 1) × A，也就是 3 × A。在输入电平 V_MAX / A³ 和 V_MAX / A⁴ 之间的绿色部分斜率代表了这个增益范围。同样，随着输入电平继续增加，前几个级的放大器相继开始限幅。深蓝色部分的增益为 (N - 2) × A，紫红色部分的增益为 (N - 3) × A，淡蓝色部分的增益为 (N - 4) × A，也就是零。

虽然这个概念模型有助于解释如何使用一系列放大器产生对数响应，但它也面临着一个棘手的问题。每个放大器级都有关联的固有传播延迟。相比后面其他级的信号分量，来自第一个级的信号分量会更早到达求和电路，从而使得输出波形失真。这可以通过更改基本电路来加以纠正（图 3）。

图 3：串联对数放大器拓扑可进行修改，通过使用采用放大器对的级联架构来消除延迟。每对放大器都包含限幅放大器，在必要时提供增益；还包含单位增益缓冲器，在不需要放大时使用。每个级中都会进行求和，从而消除延迟。（图片来源：DigiKey）

这种拓扑使用放大器对取代了单级放大器。每对放大器包含限幅放大器，在必要时提供增益；还包含单位增益缓冲器，在不需要增益时使用。每个级中都会进行求和，从而消除在使用单个加法器时产生的延迟。对于小信号，限幅放大器提供了主导路径。随着信号幅度增加，最后一级开始限幅，允许该级的单位增益放大器成为加法器的主输入。若进一步增加输入电平，则会导致前几个级相继限幅，从而导致增益全面降低。

串联放大器拓扑的另一种形式是连续检波对数放大器（图 4）。

图 4：连续检波对数放大器在每级之后添加了峰值检波。然后，对这些输出进行求和，产生对数放大输出信号的振幅包络。（图片来源：DigiKey）

连续检波对数放大器使用了上文所述的相同限幅放大器链，但在每级之后添加了峰值检波。对这些检测器输出进行求和，以产生对数放大器输出的振幅包络。有些版本也输出对数放大信号。检测器可按照半波或全波实现，具体取决于电路设计。在需要提取检波信号电平的应用中，对数包络非常有用。此类应用包括自动增益控制和接收信号强度指示器 (RSSI)。

一个很好的商用多级解调对数放大器的实例是 Analog Devices 的 AD8310ARMZ-REEL7（图 5）。

图 5：AD8310 多级解调对数放大器级联了六个放大器，每个放大器具有 14.3 dB 的标称增益（5.2 的增益）和 900 MHz 的带宽。（图片来源：Analog Devices）

AD8310 具有差分输入，动态范围为 95 dB，带宽为 440 MHz，对数线性度为 ±0.4 dB。它级联了六个放大器，每个放大器具有 14.3 dB 的标称增益（5.2 的增益）和 900 MHz 的带宽。每个放大器都会驱动具有电流输出的检测器，而该电流输出则通过内部缓冲放大器被转换为电压，然后再输出。

直流对数放大器

正如上文所述，另一种对数放大器拓扑是直流对数放大器。该器件在运算放大器的反馈路径中，使用二极管或二极管接法晶体管。二极管接法晶体管是最常用的配置（图 6A）。晶体管基极结两侧的电压与流经电流的对数成正比。在运算放大器的反馈路径中采用二极管接法晶体管产生的输出电压，与输入电流相对射极饱和 (I_ES) 电流之比的对数成正比。

图 6：通过在运算放大器的反馈路径中使用二极管接法晶体管可实现对数放大器 (A)。通过使用两个差分连接的此类放大器，可显著减少这种类型的对数放大器的温度相关性 (B)。（图片来源：DigiKey）

图 6(A) 所示的简单配置的局限在于：输出与温度和射极饱和电流 I_ES 有关，如公式所示，其中 T 是开尔文温度。如图 6(B) 所示，将两个此类放大器配置为差分对，可以显著降低这种相关性。差分版为跨阻放大器，可计算 I_{IN 2} / I_{IN 1} 比率的对数值，并产生电压输出。I_{IN 1} 通常设置为固定基准电流。

Texas Instruments 的 LOG114AIRGVT 是一款直流对数放大器，具有最多八个十倍频程动态范围，带宽为 5 MHz。此装置可以配置为对数放大器或对数比放大器。除了温度补偿对数放大器之外，还包括两个调节运算放大器和一个 2.5 伏电压基准源（图 7）。

图 7：LOG114 对数放大器的功能框图和相关外部元器件。该放大器基于温度补偿电路，且包含另外两个调节放大器。（图片来源：Texas Instruments）

Texas Instruments 为 LOG114 提供了电路模型，让设计人员能够在 TINA-TI Texas Instruments 电路仿真器上仿真设计（图 8）。

图 8：LOG114 对数放大器模型的 TINA-TI 仿真，展示了在七个十倍频程的输入电流的出色对数线性度。（图片来源：DigiKey）

该电路使用内置的 2.5 伏电压基准，建立 1 微安 (µA) 的基准电流 I1。伴随的传递函数显示了在七个十倍频程（从 100 皮安 (pA) 到 1 毫安 (mA) 的 140 dB 电流范围）的线性响应。对数放大器输出使用附加两个运算放大器中的一个进行调节，以产生传递函数公式：V_OUT = -0.249 x log (I1 / I2) + 1.5 伏。

总结

无论是基带还是射频，对数放大器都为设计人员提供了一种用于处理宽动态范围信号的技术。实现方法是，将宽动态范围信号压缩为固定输出范围，从而防止随后各级出现溢出和削波情况。对数放大器解决方案可以随时使用，且通常得到在线仿真工具的支持，从而为设计过程提供帮助。