Puede cumplir con los requisitos de diseño de amplificadores logarítmicos para la medición de potencia RF

　　Un amplificador logarítmico (comúnmente llamado amplificador logarítmico, a veces denominado detector logarítmico) es un componente analógico utilizado en circuitos de RF e interfaces electro-ópticas. Su función de transferencia es conceptualmente simple: la tensión o corriente de salida es proporcional al logaritmo de la tensión o corriente de entrada (Figura 1). Logra esta relación de entrada/salida dentro de un rango de entrada de 60 a 80 decibelios (típicamente), aunque en algunos casos puede llegar a ser tan amplia como 120 dB; Algunos amplificadores logarítmicos incluso alcanzan un rango dinámico de 160 dB. Aunque se le llama "amplificador", no es un "amplificador" en el sentido convencional; En realidad es un convertidor lineal a logarítmico.

　　Figura 1: Amplificador o convertidor logarítmico genera señales de corriente o voltaje de salida (eje Y), proporcionales al logaritmo o señal de tensión de la corriente de entrada (eje X); Nótese que para entradas iguales o inferiores a cero, no está definido, aunque los amplificadores logarítmicos tienen métodos que limitan esto.

　　Dada la importancia que se otorga a los componentes, colocar deliberadamente componentes no lineales en el sistema puede tener un efecto contraproducente. Contorno eléctrico y baja distorsión en un amplio rango. Los amplificadores logarítmicos forman parte del diseño, pero normalmente no están directamente en la cadena de señal. En circuitos RF, suele formar parte del control en lazo cerrado, que ajusta la ganancia del canal receptor mediante control automático de ganancia (AGC), mantiene un nivel de señal casi constante (RSSI) en el canal midiendo la intensidad de la señal de entrada en un amplio rango (RSSI—Indicador de Intensidad de Señal Recibida), Figura 2, y controla la potencia transmitida. En circuitos ópticos, se utiliza para monitorizar la corriente del diodo láser y ajustar sus cambios según la temperatura y otros factores operativos.

　　Figura 2: Como se muestra en el diagrama de bloques de un receptor FM, los amplificadores logarítmicos se utilizan típicamente en el bucle de retroalimentación AGC del receptor para mantener los niveles de señal. Aunque el rango de intensidad de la señal de entrada es amplio, permanece dentro de un rango muy estrecho.

　　Aunque la función logarítmica no está definida para parámetros iguales o menores que cero, el circuito real sí tiene señales no positivas. Por ello, los diseñadores de amplificadores logarítmicos utilizan diversas técnicas para abordar esta limitación. Los amplificadores logarítmicos y sus aplicaciones se dividen en tres categorías principales:

　　Los amplificadores logarítmicos de corriente continua ("DC" es un poco inapropiado) se utilizan para señales que cambian lentamente, hasta 1 MHz. Se utiliza para el control de potencia de trayectorias ópticas, así como para instrumentos médicos, químicos y biológicos.

　　Cuando se necesita un cierto tipo de compresión de señal, se utilizan amplificadores logarítmicos de banda base en circuitos de audio y vídeo, así como en la etapa de FI de la cadena de señal receptora y en el camino de procesamiento de señales en circuitos ultrasónicos. Para señales de entrada positivas o negativas, tiene una salida simétrica, siendo la salida positiva para la entrada positiva y negativa para la entrada negativa.

　　Un amplificador logarítmico demodulado comprime y demodula las señales RF, siendo su salida el logaritmo de la envolvente de la señal rectificadora. Este amplificador logarítmico se utiliza en aplicaciones de transceptores de RF, donde la intensidad de la señal RF recibida se emplea para controlar la potencia de salida del transmisor. La salida se basa en el valor absoluto de la entrada; sea la entrada positiva o negativa, es positiva.

　　[Nota: El amplificador logarítmico es diferente de otro amplificador analógico no lineal, el amplificador limitante. Este dispositivo a veces se denomina amplificador clipper y es lineal en la mayor parte de su rango. Sin embargo, cuando la entrada se acerca al máximo positivo o negativo, la ganancia del amplificador comienza a disminuir y a limitarse. Por lo tanto, este amplificador "limita suavemente" y alcanza de forma relativamente elegante la salida máxima, en lugar de saturar la salida de forma intensa, lo que causa una distorsión severa y puede tardar bastante en recuperarse. Cuando la entrada vuelve al rango normal, la salida también vuelve rápidamente al modo lineal. ] Diseño de amplificadores logarítmicos

　　El núcleo de un amplificador logarítmico se basa en la conocida relación logarítmica entre la corriente a través de la unión PN del diodo y el voltaje (Figura 3 a la izquierda), y se utiliza en combinación con amplificadores operacionales en circuitos reales (Figura 3 a la derecha). Partiendo de este principio físico básico, los amplificadores logarítmicos utilizan muchas topologías y configuraciones, cada una ofreciendo compensaciones entre varios atributos de rendimiento y prioridades necesarias para la precisión y el ancho de banda. Aunque los detalles internos pueden no estar directamente relacionados con los usuarios de amplificadores logarítmicos, sí afectan a la coincidencia entre el amplificador logarítmico y la aplicación. Los amplificadores logarítmicos que proporcionan funciones de transferencia de alta precisión —características necesarias para ciertas aplicaciones pero no requeridas en otras— se conocen comúnmente como amplificadores logarítmicos "lineales dB".

　　Figura 3: La conocida relación corriente-voltaje de los diodos constituye la base de casi todos los diseños de amplificadores logarítmicos (izquierda); Para aprovechar esta relación de diodos, se coloca en el bucle de retroalimentación del diseño básico del amplificador operacional (derecha).

　　Para aplicaciones de RF, los amplificadores logarítmicos de compresión continua utilizan amplificación multietapa y limitación progresiva para formar aproximaciones logarítmicas segmentarias. Incluyen un rectificador (detector), cada uno con 5 a 10 etapas de baja ganancia (cada una de 8 dB a 12 dB), cuyas salidas se suman para generar un voltaje de filtro, que es una medición media de potencia a nivel de decibeles superior a 100 dB. Otras aplicaciones de RF utilizan diseños de ganancia exponencial, con un rango de ganancia más estrecho (unos 60 dB) pero mayor precisión; Normalmente incluye un detector cuya salida filtrada convierte al detector en un dispositivo de ley cuadrada, siendo la salida el valor equivalente de potencia (RMS) de la señal aplicada.

　　Los amplificadores logarítmicos para aplicaciones ópticas suelen estar en la "etapa DC" porque miden los cambios relativamente lentos en la corriente relacionados con la potencia óptica para controlar la corriente en el diodo láser o la ganancia del amplificador en modo óptico. Puede que necesiten completar este trabajo en el rango de unos pocos pin-amperios a unos pocos miliamperios, sumando un total de noventa años (periodo 10 9:1).

　　Especificaciones del amplificador logarítmico

　　La implementación física de un amplificador logarítmico puede ser un circuito integrado (CI) o un módulo compuesto por un solo chip y componentes discretos. La versión de CI es más pequeña, más barata, tiene un menor consumo energético y ofrece otras ventajas, además de ofrecer un rendimiento excelente. Normalmente son la primera opción. Cuando una sola tecnología de proceso de CI o un CI individual no puede cumplir completamente todos los parámetros necesarios de la aplicación (como ruido, ancho de banda o rango de temperatura), se utilizan estructuras híbridas.

　　Los amplificadores logarítmicos tienen especificaciones similares a los amplificadores tradicionales no logarítmicos, así como algunas especificaciones únicas debido a la naturaleza del dispositivo. Además, diferentes proveedores pueden tener definiciones legales distintas para ciertos parámetros, por lo que es crucial comprobar la información detallada y las condiciones de prueba en la hoja de datos. Los factores principales incluyen:

　　- Rango dinámico a lo largo de décadas: normalmente medido en dB, con la mayoría de los casos que van de 60 dB a 120 dB (o más). En todos los casos, puede que no sea necesario un amplio rango, y su implementación podría reducir los compromisos en otras especificaciones clave.

　　- Ancho de banda: Para las aplicaciones RF actuales, normalmente es un rango de un solo dígito en GHz, aunque algunos dispositivos avanzados pueden alcanzar decenas de GHz.

　　- Precisión: Se ajusta perfectamente a la función de transferencia lineal/logarítmica. Normalmente oscila entre el 0,1% y el 1%, pero también puede variar según su posición dentro del rango de entrada de medición.

　　- Sensibilidad: el valor de señal más bajo que puede procesar un amplificador logarítmico; Normalmente, varía entre 1 nA y 1 μV, pero puede ser menor; Normalmente se especifica en dBm, típicamente 50Ω.

　　- Desplazamiento: La salida del amplificador logarítmico cuando la entrada está en su mínimo (no en 0, ya que log 0 no está definido).

　　- Referencias fijas o ajustables: Algunos amplificadores logarítmicos tienen factores de escalado fijos, como 0,25 V/diez veces (o 10 mA/diez veces); Otras referencias permiten a los usuarios aportar para determinar el factor proporcional. El factor de escala puede ajustarse en relación con dB o decimal, por ejemplo, 20 mV/dB o 400 mV/década.

　　- Entrada y salida unipolar y bipolar: El logaritmo de los números negativos no está definido, pero muchas señales del mundo real son señales bipolares con valores negativos; Para superar esta limitación, los amplificadores logarítmicos de banda base y demodulación utilizan técnicas de desplazamiento, cuadrado u otras para permitir entradas por debajo de 0 V.

　　Los dos problemas más difíciles con los amplificadores logarítmicos son el ruido y los coeficientes de temperatura. Como los amplificadores logarítmicos se han utilizado durante décadas, pueden manejar señales en el rango de μV, nV e incluso pV (o μA, nA o pA). Sin embargo, si el nivel de señal es muy bajo, el ruido interno del amplificador logarítmico puede superar la señal. Para muchas aplicaciones de RF, afortunadamente, mientras la densidad espectral de ruido sea lo suficientemente baja (normalmente del orden de nV/√Hz), el bajo ruido no es tan importante como el alcance y el ancho de banda.

　　Tempco ofrece los parámetros más desafiantes para diseñadores y usuarios de amplificadores logarítmicos. Debido a que el núcleo de un amplificador logarítmico se comporta en función de la unión del semiconductor, inevitablemente cambia con la temperatura. Los diseñadores de amplificadores logarítmicos utilizan diversas técnicas de diseño para cancelar, compensar, recortar o minimizar el coeficiente de temperatura, pero sigue siendo un factor que afecta al rendimiento global. Como muchos componentes analógicos, los amplificadores logarítmicos ofrecen especificaciones detalladas adecuadas para rangos de temperatura comerciales, industriales e incluso militares estándar.

　　El ejemplo de un amplificador logarítmico muestra el rango de especificaciones

　　Muchos proveedores de circuitos integrados analógicos y de señal mixta ofrecen amplificadores logarítmicos. Los fabricantes suelen ofrecer una visión general de las curvas de consistencia de error, así como curvas detalladas que muestran frecuencias específicas en cada frecuencia, así como la consistencia a temperaturas bajas, nominales y altas.

　　Por ejemplo, el AD8318 de ADI es un amplificador logarítmico de demodulación que utiliza tecnología de compresión progresiva en cadena de amplificadores en cascada, con cada etapa equipada con una unidad detectora (Figura 4). Proporciona una consistencia logarítmica precisa para señales de 1 MHz a 6 GHz y ofrece operaciones útiles a 8 GHz. El rango de entrada suele ser de 60 dB (impedancia de entrada es de 50Ω), con un error inferior a ±1 dB (Figura 5) y una estabilidad de temperatura de ±0,5 dB. Los dispositivos de 4 mm × 4 mm y 16 pines tienen un rango de temperatura nominal de -40°C a +85°C, alimentados por una única fuente de alimentación de 5 V.

　　Figura 4: El amplificador logarítmico AD8318 de ADI utiliza cadenas de amplificadores en cascada y tecnología de compresión progresiva, proporcionando una consistencia logarítmica precisa para señales de 1 MHz a 6 GHz, y operando a 8 GHz de frecuencia.

　　Figura 5: Uno de los muchos gráficos detallados de rendimiento proporcionados por el proveedor para amplificadores logarítmicos, comparando el voltaje de salida VOUT del AD8318 (casi una línea descendente recta) y la consistencia logarítmica (la línea "swing"). La amplitud de entrada de 8 GHz también muestra +25°C (negro), -40°C (azul) y +85°C (rojo).

　　Lingliert ofrece el LT5537, un detector de RF/IF de amplio rango dinámico que opera en el rango de frecuencias de 10 MHz a 1 GHz (Figura 6). A 200 MHz, su rango dinámico es de 90 dB, con ±3 dB no lineal (entrada de 50Ω), como se muestra en la Figura 7. La pendiente de tensión de salida del geófono es de 20 mV/dB (valor nominal), el coeficiente de temperatura es de 0,01 dB/°C y C es de 200 MHz (valor típico). La sensibilidad también se mide a 200 MHz, al menos -76 dBm. Utiliza una única fuente de alimentación que va de 2,7 V a 5,25 V, con encapsulado de 8 pines en encapsulados de 3 mm × 2 mm.

　　Figura 6: LT5537 proporciona una relación log-lineal entre entrada y salida; La señal de entrada se amplifica mediante una serie de etapas amplificadoras limitadoras; Una serie de unidades detectores rectifica la señal y genera una corriente de salida linealmente relacionada con la potencia de entrada.

　　Figura 7: Esta es una visión general amplia de la relación entre el voltaje de salida, el error de linealidad y la potencia de entrada. A 200 MHz y tres temperaturas, el LT5537 de Lingliert se complementa con una gran cantidad de diagramas de rendimiento más detallados.

　　El tercer ejemplo es MAX4003 de Maxim Integrated. Su amplificador logarítmico de baja potencia MAX4003 está diseñado para detectar los niveles de potencia de los amplificadores de potencia RF (PAs) que operan en el rango de frecuencias de 100 MHz a 2500 MHz (Figura 8). Este amplificador logarítmico tiene un rango dinámico típico de 45 dB, adecuado para aplicaciones inalámbricas, incluyendo control de PA celular, control de intensidad de señal del transmisor para dispositivos terminales inalámbricos y otras mediciones de potencia del transmisor.

　　Figura 8: El amplificador logarítmico de MAX4003 de Maxim es un componente de baja potencia que va de 100 MHz a 2500 MHz, con un rango de 45 dB; Incluye cuatro etapas amplificadoras/limitadoras de 10 dB, cada una con una ganancia de señal pequeña de 10 dB; La salida de cada etapa amplificador/limitadora se aplica al rectificador de onda completa, y la etapa del detector también se encuentra antes de la primera etapa, con un total de cinco detectores.

　　Este dispositivo de medición de voltaje es adecuado para un rango típico de señal de -58 dBV a -13 dBV, utilizando varios paquetes pequeños, incluyendo etapas de chip de 8 bolas, μMAX y paquetes QFN finos. Los proveedores ofrecen gráficos avanzados de consistencia para diferentes frecuencias (Figura 9), así como diagramas de consistencia más detallados para cada frecuencia referenciada, incluyendo temperatura e incluso tipo de paquete. El dispositivo requiere 5,9 mA (fuente de alimentación de 3,0 V) y solo 13μA cuando está apagado. Logra estabilidad térmica en todo el rango de temperaturas, desde -40°C hasta +85°C.

　　Figura 9: El empaquetado también afecta al rendimiento. Como se muestra en la hoja técnica de Maxim MAX4003, la consistencia VOUT y logarítmica en comparación con la potencia de entrada a 2,5 GHz utilizan un paquete μMAX de 8 pines (izquierda) y su paquete de soldadura de 8 bolas a nivel de bola UCSP Shangtai (derecha).

　　Resumen

　　Aunque tienen especificaciones más complejas y finas que los amplificadores lineales tradicionales, los amplificadores logarítmicos desempeñan un papel clave en sistemas de RF y ópticos. Los amplificadores logarítmicos con respuesta en rango de GHz gestionan la ganancia frontal y la potencia transmitida del receptor, mientras que los amplificadores logarítmicos de baja frecuencia miden la corriente a través del diodo láser en el enlace de fibra óptica.

　　Existen muchas formas de construir amplificadores logarítmicos, la mayoría basadas en la función única de transferencia logarítmica de voltaje/corriente del diodo. Sin embargo, los amplificadores logarítmicos completos prácticos son mucho más complejos que los diodos independientes y deben adaptarse y equilibrarse con especificaciones de rango dinámico, ancho de banda, deriva de temperatura, ruido y otros parámetros de rendimiento. Los amplificadores logarítmicos de tipo CI actuales ofrecen un rendimiento excelente en paquetes compactos, de bajo consumo y de bajo coste. Solo en casos bastante especializados se necesitarán cada vez más amplificadores logarítmicos híbridos multichip.