Er kann die Designanforderungen für logarithmische Verstärker zur HF-Leistungsmessung erfüllen

　　Ein logarithmischer Verstärker (allgemein als logarithmischer Verstärker bezeichnet, manchmal auch als logarithmischer Detektor bezeichnet) ist eine analoge Komponente, die in HF-Schaltungen und elektro-optischen Schnittstellen verwendet wird. Seine Übertragungsfunktion ist konzeptionell einfach: Die Ausgangsspannung oder der Strom ist proportional zum Logarithmus der Eingangsspannung oder des Stroms (Abbildung 1). Diese Eingangs-Ausgabe-Beziehung wird innerhalb eines Eingangsbereichs von 60 bis 80 Dezibel erreicht (typischerweise), in manchen Fällen kann sie jedoch bis zu 120 dB breit sein; Einige logarithmische Verstärker erreichen sogar einen Dynamikbereich von 160 dB. Obwohl er als "Verstärker" bezeichnet wird, ist er kein "Verstärker" im herkömmlichen Sinne; Tatsächlich handelt es sich um einen linear-logarithmischen Wandler.

　　Abbildung 1: Logarithmischer Verstärker oder Wandler erzeugt Ausgangsstrom- oder Spannungssignale (Y-Achse), proportional zum Logarithmus- oder Spannungssignal des Eingangsstroms (X-Achse); Beachten Sie, dass für Eingänge gleich oder darunter null undefiniert ist, obwohl logarithmische Verstärker Methoden haben, die dies begrenzen.

　　Angesichts der Bedeutung, die Komponenten beigemessen wird, kann das bewusste Platzieren nichtlinearer Komponenten im System nach hinten losgehen. Elektrische Konturität und geringe Verzerrung über einen großen Bereich. Logarithmische Verstärker sind Teil des Designs, befinden sich aber meist nicht direkt in der Signalkette. In HF-Schaltungen ist sie üblicherweise Teil der geschlossenen Regelschleife, die die Verstärkung des Empfangskanals mittels automatischer Verstärkungsregelung (AGC) anpasst, ein nahezu konstantes Signalniveau (RSSI) im Kanal hält, indem sie die Eingangssignalstärke über einen großen Bereich misst (RSSI—Received Signal Strength Indicator), Abbildung 2, und die Sendeleistung steuert. In optischen Schaltungen wird sie verwendet, um den Strom der Laserdiode zu überwachen und ihre Änderungen an Temperatur und andere Betriebsfaktoren anzupassen.

　　Abbildung 2: Wie im Blockdiagramm eines FM-Empfängers gezeigt, werden logarithmische Verstärker typischerweise in der AGC-Rückkopplungsschleife des Empfängers verwendet, um die Signalpegel aufrechtzuerhalten. Obwohl der Eingangssignalstärkebereich groß ist, bleibt er innerhalb eines sehr engen Bereichs.

　　Obwohl die logarithmische Funktion nicht für Parameter definiert ist, die gleich oder kleiner als null sind, besitzt die eigentliche Schaltung nicht-positive Signale. Daher verwenden logarithmische Verstärkerkonstrukteure verschiedene Techniken, um diese Einschränkung zu beheben. Logarithmische Verstärker und ihre Anwendungen werden in drei Hauptkategorien unterteilt:

　　DC-logarithmische Verstärker ("DC" ist ein etwas irreführender Begriff) werden für langsam wechselnde Signale bis zu 1 MHz verwendet. Es wird für die Steuerung der optischen Stromversorgung sowie für medizinische, chemische und biologische Instrumente verwendet.

　　Wenn eine bestimmte Art der Signalkompression erforderlich ist, werden Basisband-logarithmische Verstärker in Audio- und Videoschaltungen sowie in der ZF-Stufe der Empfängersignalkette und im Signalverarbeitungspfad in Ultraschallschaltungen eingesetzt. Für positive oder negative Eingangssignale hat es einen symmetrischen Ausgang, wobei der Ausgang positiv für positive Eingänge und negativ für negative Eingänge ist.

　　Ein demodulierter logarithmischer Verstärker komprimiert und demoduliert HF-Signale, wobei sein Ausgang der Logarithmus der Gleichrichtersignalhülle ist. Dieser logarithmische Verstärker wird in HF-Transceiver-Anwendungen verwendet, bei denen die empfangene HF-Signalstärke zur Steuerung der Ausgangsleistung des Senders genutzt wird. Der Output basiert auf dem Absolutwert des Inputs; egal ob der Input positiv oder negativ ist, er ist positiv.

　　[Hinweis: Der logarithmische Verstärker unterscheidet sich von einem anderen nichtlinearen analogen Verstärker, dem Grenzverstärker. Dieses Gerät wird manchmal als Clipper-Verstärker bezeichnet und ist über den Großteil seines Bereichs linear verlaufend. Wenn der Eingang jedoch das positive oder negative Maximum erreicht, beginnt die Verstärkerverstärkung abzunehmen und wird begrenzt. Daher "begrenzt" dieser Verstärker sanft und erreicht relativ elegant den maximalen Ausgang, anstatt den Ausgang nur hart zu sättigen – was zu starker Verzerrung führt und relativ lange dauern kann, bis sich der Verstärker erholt. Wenn der Eingang in den normalen Bereich zurückkehrt, kehrt auch der Ausgang schnell in den linearen Modus zurück. ] Logarithmisches Verstärkerdesign

　　Der Kern eines logarithmischen Verstärkers basiert auf der bekannten logarithmischen Beziehung zwischen Strom durch den PN-Dioden-Übergang und der Spannung (Abbildung 3 links) und wird in tatsächlichen Schaltungen in Kombination mit Operationsverstärkern verwendet (Abbildung 3 rechts). Ausgehend von diesem grundlegenden physikalischen Prinzip verwenden logarithmische Verstärker viele Topologien und Konfigurationen, die jeweils Kompromisse zwischen verschiedenen Leistungsmerkmalen und Prioritäten für Präzision und Bandbreite bieten. Obwohl interne Details nicht direkt mit den Nutzern logarithmischer Verstärker zusammenhängen, beeinflussen sie die Übereinstimmung zwischen dem logarithmischen Verstärker und der Anwendung. Logarithmische Verstärker, die hochpräzise Übertragungsfunktionen bieten – Eigenschaften, die für bestimmte Anwendungen benötigt, in anderen jedoch nicht erforderlich sind – werden üblicherweise als "lineare dB"-logarithmische Verstärker bezeichnet.

　　Abbildung 3: Die bekannte Strom-Spannungs-Beziehung von Dioden bildet die Grundlage fast aller logarithmischen Verstärkerdesigns (links); Um diese Diodenbeziehung zu nutzen, wird sie in die Rückkopplungsschleife des grundlegenden Operationsverstärkerdesigns (rechts) platziert.

　　Für HF-Anwendungen verwenden kontinuierliche kompressive logarithmische Verstärker mehrstufige Verstärkung und progressive Grenzwertung, um segmentale logarithmische Näherungen zu bilden. Sie umfassen einen Gleichrichter (Detektor), jeweils mit 5 bis 10 Stufen mit niedriger Verstärkung (jeweils 8 dB bis 12 dB), deren Ausgänge summiert werden, um eine Filterspannung zu erzeugen, die eine durchschnittliche Dezibelleistung über 100 dB darstellt. Andere HF-Anwendungen verwenden exponentielle Verstärkungsdesigns mit einem schmaleren Verstärkungsbereich (etwa 60 dB), aber höherer Genauigkeit; Typischerweise enthält er einen Detektor, dessen gefilterter Ausgang den Detektor zu einem quadratischen Gerät macht, wobei der Ausgang der Leistungsäquivalent (RMS) des angelegten Signals ist.

　　Logarithmische Verstärker für optische Anwendungen befinden sich üblicherweise in der "DC-Stufe", da sie die relativ langsamen Stromänderungen im Zusammenhang mit der optischen Leistung messen, um den Strom in der Laserdiode oder die Verstärkung des optischen Modenverstärkers zu steuern. Sie müssen diese Arbeit möglicherweise im Bereich von etwa wenigen Pin-Ampere bis zu wenigen Milliampere erledigen, was insgesamt neunzig Jahre ergibt (Spannweite 10 9:1).

　　Logarithmisch-Verstärker-Spezifikationen

　　Die physische Implementierung eines logarithmischen Verstärkers kann ein integrierter Schaltkreis (IC) oder ein Modul sein, das aus einem einzelnen Chip und diskreten Komponenten besteht. Die IC-Version ist kleiner, günstiger, hat einen geringeren Stromverbrauch und bietet weitere Vorteile, während sie gleichzeitig exzellente Leistung liefert. Sie sind meist die erste Wahl. Wenn eine einzelne IC-Prozesstechnologie oder einzelne IC nicht alle notwendigen Anwendungsparameter (wie Rauschen, Bandbreite oder Temperaturbereich) vollständig erfüllen kann, werden hybride Strukturen verwendet.

　　Logarithmische Verstärker haben ähnliche Spezifikationen wie herkömmliche nicht-logarithmische Verstärker sowie einige einzigartige Spezifikationen aufgrund der Beschaffenheit des Bauelements. Außerdem können verschiedene Anbieter rechtlich unterschiedliche Definitionen für bestimmte Parameter haben, daher ist es entscheidend, detaillierte Informationen und Testbedingungen im Datenblatt zu überprüfen. Top-Faktoren sind:

　　- Dynamikumfang über Jahrzehnte: meist gemessen in dB, wobei die meisten Fälle zwischen 60 dB und 120 dB (oder mehr) liegen. In allen Fällen ist ein breiter Bereich möglicherweise nicht notwendig, und dessen Umsetzung könnte Kompromisse bei anderen Schlüsselspezifikationen verringern.

　　- Bandbreite: Für heutige RF-Anwendungen ist dies typischerweise ein einstelliger GHz-Bereich, aber einige fortschrittliche Geräte können Dutzend GHz erreichen.

　　- Genauigkeit: Entspricht perfekt der linearen/logarithmischen Übertragungsfunktion. Sie liegt üblicherweise zwischen 0,1 % und 1 %, kann aber auch je nach Position innerhalb des Messeingangsbereichs variieren.

　　- Empfindlichkeit: der niedrigste Signalwert, den ein logarithmischer Verstärker verarbeiten kann; Typischerweise liegt sie zwischen 1 nA und 1 μV, kann aber auch niedriger sein; Sie wird üblicherweise in dBm angegeben, typischerweise 50Ω.

　　- Offset: Der Ausgang des logarithmischen Verstärkers, wenn der Eingang auf seinem Minimum ist (nicht 0, da log 0 nicht definiert ist).

　　- Feste oder verstellbare Referenzen: Einige logarithmische Verstärker haben feste Skalierungsfaktoren, wie etwa 0,25 V/zehn Mal (oder 10 mA/zehn Mal); Andere Referenzen ermöglichen es den Nutzern, den proportionalen Faktor zu bestimmen. Der Skalierungsfaktor kann relativ zu dB oder Dezimalwerten angepasst werden, zum Beispiel 20 mV/dB oder 400 mV/dekade.

　　- Unipolare und bipolare Ein- und Ausgänge: Der Logarithmus negativer Zahlen ist nicht definiert, aber viele reale Signale sind bipolare Signale mit negativen Werten; Um diese Einschränkung zu überwinden, verwenden Basisband- und Demodulationslogarithmische Verstärker Offset-, Quadrat- oder andere Techniken, um Eingänge unter 0 V zu ermöglichen.

　　Die beiden größten Herausforderungen bei logarithmischen Verstärkern sind Rausch- und Temperaturkoeffizienten. Da logarithmische Verstärker seit Jahrzehnten verwendet werden, können sie Signale im μV-, nV- und sogar pV-Bereich (oder μA, nA oder pA) verarbeiten. Ist das Signal jedoch sehr niedrig, kann das interne Rauschen des logarithmischen Verstärkers das Signal übersteigen. Für viele RF-Anwendungen ist glücklicherweise solange die Rausch-Spektraldichte niedrig genug ist (meist in der Größenordnung nV/√Hz), geringes Rauschen nicht so wichtig wie Reichweite und Bandbreite.

　　Tempco bietet die anspruchsvollsten Parameter für logarithmische Verstärkerkonstrukteure und -anwender. Da sich der Kern eines logarithmischen Verstärkers basierend auf der Halbleiterverbindung verhält, ändert er sich zwangsläufig mit der Temperatur. Logarithmische Verstärkerkonstrukteure verwenden verschiedene Konstruktionstechniken, um den Temperaturkoeffizienten aufzuheben, zu kompensieren, zu trimmen oder zu minimieren, doch dieser Faktor bleibt ein Faktor, der die Gesamtleistung beeinflusst. Wie viele analoge Bauteile bieten logarithmische Verstärker detaillierte Spezifikationen, die für standardmäßige kommerzielle, industrielle und sogar militärische Temperaturbereiche geeignet sind.

　　Das Beispiel eines logarithmischen Verstärkers zeigt den Spezifikationsbereich

　　Viele analoge und Mixed-Signal-IC-Anbieter bieten logarithmische Verstärker an. Hersteller bieten typischerweise einen Überblick über Fehlerkonsistenzkurven sowie detaillierte Kurven, die spezifische Frequenzen bei jeder Frequenz sowie Konsistenz bei niedrigen, nominalen und hohen Temperaturen zeigen.

　　Zum Beispiel ist ADIs AD8318 ein demodulationslogarithmischer Verstärker, der progressive Kompressionstechnologie auf einer kaskadierenden Verstärkerkette verwendet, wobei jede Stufe mit einer Detektoreinheit ausgestattet ist (Abbildung 4). Es liefert eine genaue logarithmische Konsistenz für Signale von 1 MHz bis 6 GHz und bietet nützliche Operationen bei 8 GHz. Der Eingangsbereich beträgt typischerweise 60 dB (Eingangsimpedanz beträgt 50 Ω), mit einem Fehler von weniger als ±1 dB (Abbildung 5) und einer Temperaturstabilität von ±0,5 dB. 4 mm × 4 mm große, 16-polige Geräte haben einen Nenntemperaturbereich von -40°C bis +85°C und werden von einem einzelnen 5-V-Netzteil betrieben.

　　Abbildung 4: ADIs AD8318 logarithmischer Verstärker verwendet kaskadierende Verstärkerketten und progressive Kompressionstechnologie, bietet eine präzise logaritmische Konsistenz für Signale von 1 MHz bis 6 GHz und arbeitet mit einer Frequenz von 8 GHz.

　　Abbildung 5: Eines von vielen detaillierten Leistungsdiagrammen, die vom Anbieter für logarithmische Verstärker bereitgestellt wurden, in denen die AD8318-Ausgangsspannung VOUT (fast eine gerade Downline) und die Log-Konsistenz (die "Swing"-Linie) verglichen werden. Die 8-GHz-Eingangsamplitude zeigt außerdem +25°C (schwarz), -40°C (blau) und +85°C (rot) Leistung.

　　Lingliert bietet den LT5537 an, einen breiten dynamischen RF/IF-Detektor, der im Frequenzbereich von 10 MHz bis 1 GHz arbeitet (Abbildung 6). Bei 200 MHz beträgt sein Dynamikumfang 90 dB, mit ±3 dB nichtlinearem (50Ω Eingang), wie in Abbildung 7 dargestellt. Die Geophon-Ausgangsspannungsneigung beträgt 20 mV/dB (Nennwert), der Temperaturkoeffizient 0,01 dB/°C und C 200 MHz (typischer Wert). Die Empfindlichkeit wird ebenfalls bei 200 MHz gemessen, mindestens -76 dBm. Er verwendet ein einzelnes Netzteil von 2,7 V bis 5,25 V, mit 8-poliger Verpackung in 3-mm- × 2-mm-Gehäusungen.

　　Abbildung 6: LT5537 stellt eine log-lineare Beziehung zwischen Eingabe und Ausgabe dar; Das Eingangssignal wird durch eine Reihe von Begrenzungsstufen verstärkt; Eine Reihe von Detektoreinheiten gleichrichtet das Signal und erzeugt einen Ausgangsstrom, der linear zur Eingangsleistung steht.

　　Abbildung 7: Dies ist ein umfassender Überblick über den Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung, Linearitätsfehler und Eingangsleistung. Bei 200 MHz und drei Temperaturen wird Linglierts LT5537 mit einer Fülle detaillierterer Leistungsdiagramme ergänzt.

　　Das dritte Beispiel ist MAX4003 aus Maxim Integrated. Ihr MAX4003 leistungsschwacher logarithmischer Verstärker ist dafür ausgelegt, die Leistungsstufen von HF-Leistungsverstärkern (PAs) im Frequenzbereich von 100 MHz bis 2500 MHz zu erkennen (Abbildung 8). Dieser logarithmische Verstärker hat einen typischen Dynamikbereich von 45 dB und eignet sich für drahtlose Anwendungen, einschließlich der Steuerung von Mobilfunk-PAs, der Signalstärkeregelung des Senders für drahtlose Endgeräte und anderen Sendeleistungsmessungen.

　　Abbildung 8: Maxims MAX4003 logarithmischer Verstärker ist eine Energiesparkomponente mit einer Frequenz von 100 MHz bis 2500 MHz und einem Bereich von 45 dB; Es umfasst vier 10 dB Verstärker-/Limiterstufen, jede mit einer 10 dB Kleinsignalverstärkung; Der Ausgang jeder Verstärker-/Begrenzungsstufe wird auf den Vollwellengleichrichter angelegt, und die Detektorstufe befindet sich ebenfalls vor der ersten Stufe, mit insgesamt fünf Detektoren.

　　Dieses Spannungsmessgerät eignet sich für einen typischen Signalbereich von -58 dBV bis -13 dBV und verwendet verschiedene kleine Gehäuse, darunter 8-Kugel-Chip-Stufe, μMAX und dünne QFN-Gehäuse. Anbieter bieten fortgeschrittene Übersichts-Konsistenzdiagramme für verschiedene Frequenzen (Abbildung 9) sowie detailliertere Konsistenzdiagramme für jede referenzierte Frequenz, einschließlich Temperatur und sogar Gehäusetyp. Das Gerät benötigt 5,9 mA (3,0 V Netzteil) und nur 13 μA, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Er erreicht Temperaturstabilität über den gesamten Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +85°C.

　　Abbildung 9: Auch die Verpackung beeinflusst die Leistung. Wie im Datenblatt von Maxim MAX4003 gezeigt, verwenden VOUT und logarithmische Konsistenz im Vergleich zur Eingangsleistung bei 2,5 GHz ein 8-poliges μMAX-Gehäuse (links) und dessen 8-Kugellöt-Kugel-Level-UCSP-Shangtai-Gehäuse (rechts).

　　Zusammenfassung

　　Obwohl sie komplexere und feinere Spezifikationen als herkömmliche lineare Verstärker haben, spielen logarithmische Verstärker eine Schlüsselrolle in HF- und optischen Systemen. Logarithmische Verstärker mit GHz-Bereichsantwort steuern die Frontend-Verstärkung und die übertragene Leistung des Empfängers, während niederfrequente logarithmische Verstärker den Strom über die Laserdiode in der Glasfaserverbindung messen.

　　Es gibt viele Möglichkeiten, logarithmische Verstärker zu bauen, von denen die meisten auf der einzigartigen logarithmischen Spannungs-/Stromübertragungsfunktion der Diode basieren. Praktische vollständige logarithmische Verstärker sind jedoch weitaus komplexer als eigenständige Dioden und müssen an Spezifikationen für Dynamikumfang, Bandbreite, Temperaturdrift, Rauschen und andere Leistungsparameter angepasst und ausgewogen werden. Heutige IC-Typ logarithmische Verstärker liefern hervorragende Leistung in kompakten, leistungssparenden und kostengünstigen Paketen. Nur in recht spezialisierten Fällen werden zunehmend hybride Multi-Chip-logarithmische Verstärker benötigt.