對(duì)數(shù)放大器

在雷達(dá)、通信和遙測(cè)等系統(tǒng)中，接收機(jī)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍通常很寬，信號(hào)幅度常會(huì)在很短時(shí)間間隔內(nèi)從幾微伏變化到幾伏，但輸出信號(hào)應(yīng)保持在幾十毫伏到幾伏范圍內(nèi)。采用對(duì)數(shù)放大器可以滿足這種要求，它能使弱信號(hào)得到高增益放大，對(duì)于強(qiáng)信號(hào)則自動(dòng)降低增益，避免飽和。 設(shè)計(jì)良好的對(duì)數(shù)放大器能達(dá)到D1超過100分貝而D2在30分貝以下。除動(dòng)態(tài)范圍外，對(duì)數(shù)放大器的主要指標(biāo)還包括對(duì)數(shù)關(guān)系的準(zhǔn)確度和頻率響應(yīng)。

對(duì)數(shù)中頻放大器和對(duì)數(shù)射頻放大器，可用相同的方法獲得對(duì)數(shù)特性。

晶體二極管的PN結(jié)電壓(見固態(tài)電子器件)是結(jié)電流的對(duì)數(shù)函數(shù)，用它作為放大電路的負(fù)載或反饋元件可以使放大器具有對(duì)數(shù)幅度特性。使用這種方法雖然電路簡(jiǎn)單，但通常只能達(dá)到小于50分貝的輸入動(dòng)態(tài)范圍，而且放大器的頻帶受PN結(jié)電容的限制，不能太寬。利用多級(jí)放大器串聯(lián)或并聯(lián)相加形成近似對(duì)數(shù)放大特 性，可以獲得較好的結(jié)果。圖2是多級(jí)串聯(lián)相加對(duì)數(shù)放大器的框圖，其中每級(jí)都是一個(gè)線性-限幅放大器。當(dāng)輸入信號(hào)弱時(shí),放大器各級(jí)均不飽和，總增益最高。隨著輸入信號(hào)幅度的增大，從末級(jí)起各級(jí)放大器依次進(jìn)入飽和狀態(tài)，總增益隨之降低。實(shí)用的對(duì)數(shù)放大器常用 4~10級(jí)限幅放大器組成。若規(guī)定放大器的動(dòng)態(tài)范圍，較多的級(jí)數(shù)能達(dá)到的對(duì)數(shù)關(guān)系也較準(zhǔn)確。

針對(duì)上述的三種對(duì)數(shù)放大器，我們分別來講述其實(shí)現(xiàn)信號(hào)對(duì)數(shù)變換的原理。

基本對(duì)數(shù)放大器在IC設(shè)計(jì)中使用了跨導(dǎo)線性電路，因此也稱做跨導(dǎo)線性(Translinear)對(duì)數(shù)放大器?？鐚?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)?？鐚?dǎo)線性的概念在1975年由Barrie Gillbert創(chuàng)立，跨導(dǎo)線性對(duì)數(shù)放大器就是基于雙極性(BJT)三極管的對(duì)數(shù)特性。

若將ic視為激勵(lì)信號(hào)電流，UBE看作響應(yīng)信號(hào)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(duì)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(duì)數(shù)放大器中這種受溫度影響的缺點(diǎn)已被一個(gè)具有同樣溫度變化特性的三極管修正，而且可以確保對(duì)數(shù)斜率的穩(wěn)定性。

UY叫做對(duì)數(shù)斜率，固定電流IZ叫做對(duì)數(shù)截距(有關(guān)對(duì)數(shù)放大器的一些名詞將在后面予以說明)。

基帶對(duì)數(shù)放大器與解調(diào)對(duì)數(shù)放大器

對(duì)于高頻應(yīng)用，常常選擇基帶對(duì)數(shù)放大器或解調(diào)對(duì)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(gè)放大器的對(duì)數(shù)特性而是用多個(gè)相同的線性放大器級(jí)聯(lián)來分段線性逼近對(duì)數(shù)函數(shù)。如圖2所示，這里只是一個(gè)理想的通用模型，其核心為一個(gè)限幅放大器，每個(gè)放大單元的傳遞函數(shù)如圖3所示，對(duì)于N個(gè)級(jí)聯(lián)限幅放大器構(gòu)成的對(duì)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(hào)電壓小于臨界值EK/AN-1時(shí)，限幅放大器的每一級(jí)都不會(huì)飽和，因此，小于EK/AN-1的輸入信號(hào)可以得到充分的放大，此時(shí)輸出信號(hào)幅度是輸入信號(hào)幅度的AN-1倍。當(dāng)輸入電壓大于EK/AN-1小于EK時(shí)，由于各級(jí)限幅的原因，輸入信號(hào)越大，飽和的級(jí)數(shù)越多。當(dāng)輸入大于EK時(shí)，輸出則為NAEK。輸入信號(hào)幅度在EK/AN-1和EK之間的信號(hào)，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(jí)數(shù)(M≤N)

實(shí)際的電路結(jié)構(gòu)是:對(duì)于小信號(hào)采用增益為A的放大器，而大信號(hào)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(duì)數(shù)放大器與基帶對(duì)數(shù)放大器雖然都采用上述的級(jí)聯(lián)限幅放大器，解調(diào)對(duì)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(jí)聯(lián)限幅放大器構(gòu)成的對(duì)數(shù)放大器有兩種輸出:對(duì)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(duì)數(shù)放大器的對(duì)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(shí)補(bǔ)償，相位和頻率信息也可被保留。

在許多文獻(xiàn)中，對(duì)數(shù)放大器的分類也是相當(dāng)混亂的，根據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)依據(jù)的不同,有的將其分為二極管、三極管對(duì)數(shù)放大器和級(jí)聯(lián)對(duì)數(shù)放大器，有的將其分為真對(duì)數(shù)放大器和似對(duì)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(duì)數(shù)放大器實(shí)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(chǎng)上現(xiàn)有的對(duì)數(shù)放大器結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可將對(duì)數(shù)放大器分為三類:基本對(duì)數(shù)放大器、基帶對(duì)數(shù)放大器和解調(diào)對(duì)數(shù)放大器。

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

基帶對(duì)數(shù)放大器也稱視頻對(duì)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(duì)數(shù)放大器的缺點(diǎn)，能夠響應(yīng)快速變化的輸入。其原理是采用了一種 "逐級(jí)壓縮"的技術(shù)，交流特性好，但動(dòng)態(tài)范圍較小。

解調(diào)對(duì)數(shù)放大器也稱逐級(jí)檢波對(duì)數(shù)放大器，它具有分段線性近似性質(zhì)，形成對(duì)數(shù)級(jí)聯(lián)后，可以得到很好的對(duì)數(shù)傳遞函數(shù)，在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)對(duì)數(shù)精度高，同基帶對(duì)數(shù)放大器相似，也采用多個(gè)級(jí)聯(lián)線性放大器，動(dòng)態(tài)范圍大。