一種低功耗真對數(shù)放大器研究

龐佑兵 劉登學(xué) 楊超 楊帆

摘 要

對數(shù)放大器主要用在接收機(jī)中壓縮輸入信號的動態(tài)范圍，其中真對數(shù)放大器能夠同時保留輸入信號的幅度信息和相位信息，在雷達(dá)接收機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹了一種低功耗高精度真對數(shù)放大器。電路采用一種新穎的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用SMT工藝加工制作。電路具有輸入信號動態(tài)范圍大（≥90dB）、對數(shù)精度高（≤1.0dB）、功耗低（≤100mW）、一致性好等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于雷達(dá)、通訊或電子對抗等系統(tǒng)。關(guān)鍵詞

對數(shù)放大器;真對數(shù)放大器;動態(tài)范圍;限幅放大器

中圖分類號： TN722.58 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.059

0 引言

對數(shù)放大器主要用在接收機(jī)中壓縮輸入信號的動態(tài)范圍，可以瞬時地把大的輸入動態(tài)范圍壓縮為小的輸出動態(tài)范圍，對數(shù)放大器的輸出動態(tài)范圍與線性放大器一樣（20～30dB）[1]。其中真對數(shù)放大器除具有一般對數(shù)放大器的特性外，還具有對數(shù)精度高、相位變化小、直接處理載波信號的特點(diǎn)[2，3]，因此在接收機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的真對數(shù)放大器一般采用雙增益型電路結(jié)構(gòu)，由若干級雙增益單元（TLA）通過級聯(lián)構(gòu)成。受其結(jié)構(gòu)限制，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)真對數(shù)放大器要獲得超過60dB的大動態(tài)范圍時，存在頻率低、靜態(tài)功耗大、體積大、一致性差等問題[4，5]。

文獻(xiàn)[4，6]提出了一種并聯(lián)求和真對數(shù)放大器。這種結(jié)構(gòu)雖然較雙增益真對數(shù)放大器的功耗有所降低，但在每級對數(shù)放大器前面均需要一個推動放大器，特別是當(dāng)級聯(lián)的對數(shù)級數(shù)增加后，推動放大器的增益比較高，這時就需要兩級、甚至三級放大器來實(shí)現(xiàn)。這樣整個電路的功耗還是會比較大，實(shí)現(xiàn)難度也會增加。

國內(nèi)有采用新型結(jié)構(gòu)研制的真對數(shù)放大器：采用AD8309進(jìn)行限幅放大和對數(shù)檢波，然后采用乘法器將限幅放大信號和對數(shù)檢波信號合成輸出真對數(shù)放大信號[5]，較好地解決了功耗大的問題，但還是存在功耗偏大的問題，功耗為0.25W。

本文介紹的低功耗真對數(shù)，其功耗≤100mW，動態(tài)范圍≥90dB，對數(shù)精度≤1.0dB，可很好滿足整機(jī)系統(tǒng)需要[8]。

1 電路設(shè)計(jì)與分析

1.1 電路原理分析

本文介紹了一種低功耗高精度真對數(shù)放大器，其原理框圖如圖1所示。輸入信號分成兩路：一路進(jìn)入限幅放大器電路，得到幅度穩(wěn)定的輸出信號，信號頻率與輸入信號相同，并且保留了輸入信號的相位信息（公式1）;另一路信號進(jìn)入連續(xù)檢波式對數(shù)放大器，得到與輸入信號幅度成對數(shù)關(guān)系的視頻信號（公式2）;該視頻信號由線性電壓電流變換器線性變換換成電流信號（公式3）。然后兩路信號由幅度可調(diào)放大器線性調(diào)幅后得到輸出信號幅度與輸入信號成對數(shù)關(guān)系，且輸出頻率和輸入頻率相同，并保留輸入信號相位信息，電路實(shí)現(xiàn)了真對數(shù)放大功能（公式3）。

1.2 電路實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析

整體電路圖如圖2所示。本電路采用表面貼裝工藝加工，并采用小型封裝器件以減小電路體積?；鍨樗膶覲CB板，背面大面積燒焊在管殼上，保證良好的接地效果及可靠的機(jī)械強(qiáng)度。主信號通路設(shè)計(jì)為50Ω阻抗線，并盡量排列整齊，可以減小寄生參數(shù)的影響。

不同結(jié)構(gòu)的真對數(shù)放大器測試結(jié)果比較如表1所示。

可以看出，本文提出的低功耗真對數(shù)放大器的動態(tài)范圍和對數(shù)誤差結(jié)構(gòu)的真對數(shù)放大器有較大幅度的提高，功耗也較其他類型的真對數(shù)放大器有比較大的降低。

3 結(jié)論

本文采用一種新拓?fù)浣Y(jié)果，設(shè)計(jì)了一種低功耗高精度真對數(shù)放大器，功耗≤100mW，對數(shù)精度≤±1dB，動態(tài)范圍≥90dB。電路采用表面貼裝工藝加工制作。電路的特點(diǎn)是功耗低，對數(shù)精度高，輸入信號動態(tài)范圍大，一致性好。

參考文獻(xiàn)

[1]R.S.Hughes.Logarithmic Amplification with Application to Radar and EW. Dedham，MA：Artech，1986.

[2]A.K.Oki，M.E.Kim，G.M.Gorman，et al.High performance GaAs hetero junction bipolar transistor monolithic logarithmic IF amplifiers[J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，vol.36，no.12， pp.1958 1965，Dec.1988.

[3]Yu-Ju Chuang，Kurt Cimino，Mark Stuenkel，et al.A Wideband InP DHBT True Logarithmic Amplifier[J].IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES，VOL.54，pp.3843-3847，Nov.2006.

[4]C.D.Holdenried， J.W.Haslett，J.G.McRory，et al.A DC–4 GHz true logarithmic amplifier：Theory and implementation，[J].IEEE J.Solid-State Circuits，vol.37，no.10，pp. 1290 ?1299，Oct.2002.

[5]A.Woroncow， J.Croney.A true IF logarithmic amplifier using twin-gain stages[J]. ?Radio Electron. Eng..vol.32.no.3，pp.149-155，Sept.1966.

[6]C.D.Holdenried， J.W.Haslett.ADC 6 GHz，50 dB dynamic range，SiGe HBT true logarithmic amplifier[J].in Proc. Int. Circuits Syst.Symp.，May 2004，vol.4，pp.289 ?292.

[7]龐佑兵，龐殊楊等.一種新型真對數(shù)放大器的研究[J].微電子學(xué)，2016年02期.

[8]龐佑兵，劉登學(xué)，等.低于100mW低功耗真對數(shù)放大器.發(fā)明專利.專利號：CN101938255B.2012.9.5.