原创 对数放大器的原理与应用

       信号压缩

       在现实世界中，一些信号往往具有很宽的动态范围。比如雷达、声纳等无线电系统中，接收机前端信号动态范围可达120dB以上；光纤接收器前端的电流也可从“pA”级到“mA”级。宽动态范围往往给应用设计带来很多问题。一方面，线性放大器无法处理这样宽的动态范围。另一方面，DA变换中，在保证分辨率的情况下，模数转换器的位数会随动态范围的增大而增大。因此，在处理宽动态范围的信号时，常常将其动态范围压缩到一个可以处理的程度。如果一个系统中阻抗是线性的，信号的功率与电压的平方成正比，信号的动态范围既可以用电压表示也可以用功率来表示。

       在工程应用中，动态范围的压缩分为“线性压缩”和“非线性压缩”。线性压缩是指放大器的增益与信号的大小无关，输出基本保持恒定。线性压缩的特点使谐波失真小，其本质是一种“压控放大器”（VCA）。非线性压缩方面最好的例子就是对数放大器。它是输入输出信

       对数放大器的实质

       多年来，人们对对数放大器本质的认识有一些模糊。通常人们把它看作是一种放大器，反而淡化了其非线性的特性，把它们看作特殊类型的放大器更是不对。尽管这些电路提供一些放大功能，如在RF和IF放大器中，它对小信号呈现出高增益等等，但它们真正的用途是实现精确的对数变换，严格地说，这些电路应该叫做“对数变换器”。但多年来人们已经习惯了“对数放大器”的叫法。IC厂商也不愿因为改名而使用户对他们的产品性质和用途造成误解。因此，本文也将沿用“对数放大器”这一名称。

       对数放大器的分类

       在许多文献中，对数放大器的分类也是相当混乱的，根据实现对数函数依据的不同,有的将其分为二极管、三极管对数放大器和级联对数放大器，有的将其分为真对数放大器和似对数放大器等等。但几十年来，随着半导体理论、工艺和模拟集成电路的发展，许多对数放大器实现的方法已经被淘汰，其分类方法也未尽科学。目前根据市场上现有的对数放大器结构和应用领域的不同，可将对数放大器分为三类：基本对数放大器、基带对数放大器和解调对数放大器。

       基本对数放大器也称跨导线性（Translinear）对数放大器，它基于双极性三极管（BJT）的对数特性来实现信号的对数变换。这类对数放大器可以响应缓慢变化的输入信号，其特点是具有优良的直流精度和非常宽的动态范围（高达180dB），缺点是交流特性差。

       基带对数放大器也称视频对数放大器（虽然很少用于视频显示相关的应用），它克服了基本对数放大器的缺点，能够响应快速变化的输入。其原理是采用了一种 “逐级压缩”的技术，交流特性好，但动态范围较小。

       解调对数放大器也称逐级检波对数放大器，它具有分段线性近似性质，形成对数级联后，可以得到很好的对数传递函数，在整个动态范围内对数精度高，同基带对数放大器相似，也采用多个级联线性放大器，动态范围大。

       对数放大器原理

       针对上述的三种对数放大器，我们分别来讲述其实现信号对数变换的原理。

       基本对数放大器

       基本对数放大器在IC设计中使用了跨导线性电路，因此也称做跨导线性（Translinear）对数放大器。跨导线性电路是电流模电路的主要组成部分，是许多线性和非线性模拟集成电路的理论基础。跨导线性的概念在1975年由Barrie Gillbert创立，跨导线性对数放大器就是基于双极性（BJT）三极管的对数特性。如图1

  图1  三极管的对数特性