این دستگاه می تواند الزامات طراحی تقویت کننده های لگاریتمی برای اندازه گیری توان RF را برآورده کند

　　تقویت کننده لگاریتمی (که معمولا تقویت کننده لگاریتمی نامیده می شود و گاهی به آن آشکارساز لگاریتمی نیز گفته می شود) یک جزء آنالوگ است که در مدارهای RF و رابط های الکترواپتیکی استفاده می شود. تابع انتقال آن از نظر مفهومی ساده است: ولتاژ یا جریان خروجی متناسب با لگاریتم ولتاژ ورودی یا جریان است (شکل ۱). این رابطه ورودی/خروجی را در بازه ورودی ۶۰ تا ۸۰ دسی بل (معمولا) برقرار می کند، اما در برخی موارد می تواند تا ۱۲۰ دسی بل عرض داشته باشد؛ برخی تقویت کننده های لگاریتمی حتی به دامنه دینامیکی ۱۶۰ دسی بل می رسند. اگرچه به آن «تقویت کننده» گفته می شود، اما به معنای متعارف «تقویت کننده» نیست؛ در واقع این یک مبدل خطی به لگاریتمی است.

　　شکل ۱: تقویت کننده یا مبدل لگاریتمی سیگنال های جریان یا ولتاژ خروجی (محور Y) تولید می کند که متناسب با سیگنال لگاریتم یا ولتاژ جریان ورودی (محور X) است؛ توجه داشته باشید که برای ورودی هایی برابر یا کمتر از صفر، تعریف نشده است، اگرچه تقویت کننده های لگاریتمی روش هایی دارند که این محدودیت را محدود می کنند.

　　با توجه به اهمیتی که به قطعات داده می شود، قرار دادن عمدی قطعات غیرخطی در سیستم ممکن است نتیجه معکوس داشته باشد. کانتوریته الکتریکی و اعوجاج کم در طیف وسیعی از دامنه ها. تقویت کننده های لگاریتمی بخشی از طراحی هستند، اما معمولا مستقیما در زنجیره سیگنال قرار ندارند. در مدارهای RF، معمولا بخشی از کنترل حلقه بسته است که بهره کانال دریافت را از طریق کنترل خودکار بهره (AGC) تنظیم می کند، سطح سیگنال تقریبا ثابت (RSSI) را با اندازه گیری قدرت سیگنال ورودی در بازه وسیع (RSSI—شاخص قدرت سیگنال دریافتی)، شکل ۲، حفظ می کند و توان ارسالی را کنترل می کند. در مدارهای نوری، از آن برای پایش جریان دیود لیزر و تنظیم تغییرات آن بر اساس دما و سایر عوامل عملیاتی استفاده می شود.

　　شکل ۲: همان طور که در نمودار بلوکی گیرنده FM نشان داده شده است، تقویت کننده های لگاریتمی معمولا در حلقه بازخورد AGC گیرنده برای حفظ سطح سیگنال استفاده می شوند. اگرچه دامنه قدرت سیگنال ورودی وسیع است، اما در بازه بسیار باریکی باقی می ماند.

　　اگرچه تابع لگاریتمی برای پارامترهایی برابر یا کمتر از صفر تعریف نشده است، مدار واقعی سیگنال های غیرمثبت دارد. بنابراین، طراحان تقویت کننده لگاریتمی از تکنیک های مختلفی برای رفع این محدودیت استفاده می کنند. تقویت کننده های لگاریتمی و کاربردهای آن ها به سه دسته اصلی تقسیم می شوند:

　　تقویت کننده های لگاریتمی DC (نام «DC» کمی اشتباه است) برای تغییر تدریجی سیگنال ها تا ۱ مگاهرتز استفاده می شوند. این دستگاه برای کنترل توان مسیر نوری و همچنین ابزارهای پزشکی، شیمیایی و زیستی استفاده می شود.

　　وقتی نوع خاصی از فشرده سازی سیگنال مورد نیاز باشد، تقویت کننده های لگاریتمی باند پایه در مدارهای صوتی و تصویری، همچنین در مرحله IF زنجیره سیگنال گیرنده و مسیر پردازش سیگنال در مدارهای اولتراسونیک استفاده می شوند. برای سیگنال های ورودی مثبت یا منفی، خروجی متقارن دارد، به طوری که خروجی برای ورودی مثبت مثبت و خروجی منفی برای ورودی منفی است.

　　یک تقویت کننده لگاریتمی دمدوله شده سیگنال های RF را فشرده و دمدولاسیون می کند که خروجی آن لگاریتم پوشش سیگنال یکسوکننده است. این تقویت کننده لگاریتمی در کاربردهای فرستنده-گیرنده RF استفاده می شود، جایی که قدرت سیگنال RF دریافتی برای کنترل توان خروجی فرستنده به کار می رود. خروجی بر اساس مقدار مطلق ورودی است؛ چه ورودی مثبت باشد یا منفی، مثبت است.

　　[توجه: تقویت کننده لگاریتمی با تقویت کننده آنالوگ غیرخطی دیگر یعنی تقویت کننده محدودکننده متفاوت است. این دستگاه گاهی تقویت کننده کلیپر نامیده می شود و در بیشتر محدوده خود خطی است. با این حال، وقتی ورودی به حداکثر مثبت یا منفی نزدیک می شود، بهره تقویت کننده شروع به کاهش و محدود شدن می کند. بنابراین، این تقویت کننده «به طور نرم» خروجی را محدود می کند و نسبتا با ظرافت به حداکثر خروجی می رسد، نه اینکه فقط خروجی را کاملا اشباع کند—که باعث اعوجاج شدید می شود و ممکن است بازیابی تقویت کننده زمان نسبتا طولانی ببرد. وقتی ورودی به محدوده نرمال بازمی گردد، خروجی نیز به سرعت به حالت خطی بازمی گردد. ] طراحی تقویت کننده لگاریتمی

　　هسته یک تقویت کننده لگاریتمی بر اساس رابطه لگاریتمی شناخته شده بین جریان از طریق اتصال PN دیود و ولتاژ است (شکل ۳ سمت چپ) و در مدارهای واقعی با تقویت کننده های عملیاتی ترکیب می شود (شکل ۳ سمت راست). از این اصل فیزیکی پایه، تقویت کننده های لگاریتمی از توپولوژی ها و پیکربندی های متعددی استفاده می کنند که هر کدام مصالحه هایی بین ویژگی های عملکردی مختلف و اولویت های مورد نیاز برای دقت و پهنای باند ارائه می دهند. اگرچه جزئیات داخلی ممکن است مستقیما به کاربران تقویت کننده لگاریتمی مرتبط نباشد، اما بر تطابق بین تقویت کننده لگاریتمی و کاربرد تأثیر می گذارد. تقویت کننده های لگاریتمی که توابع انتقال با دقت بالا را فراهم می کنند—ویژگی هایی که برای برخی کاربردها لازم است اما در برخی دیگر لازم نیست—معمولا به عنوان تقویت کننده های لگاریتمی «دسی بی خطی» شناخته می شوند.

　　شکل ۳: رابطه شناخته شده جریان و ولتاژ دیودها پایه تقریبا تمام طراحی های تقویت کننده لگاریتمی را تشکیل می دهد (سمت چپ); برای بهره برداری از این رابطه دیود، در حلقه بازخورد طراحی پایه تقویت کننده عملیاتی قرار می گیرد (سمت راست).

　　برای کاربردهای RF، تقویت کننده های لگاریتمی فشرده سازی پیوسته از تقویت چندمرحله ای و محدودسازی تدریجی برای ایجاد تقریب های لگاریتمی سگمنتال استفاده می کنند. این ها شامل یک یکسوکننده (آشکارساز) هستند که هر کدام دارای ۵ تا ۱۰ مرحله با بهره پایین (هر مرحله ۸ تا ۱۲ دسی بل) هستند که خروجی های آن جمع می شود تا ولتاژ فیلتر تولید شود که میانگین اندازه گیری توان در سطح دسی بل بالای ۱۰۰ دسی بل است. سایر کاربردهای RF از طراحی های بهره نمایی استفاده می کنند که دامنه بهره آن ها باریک تر (حدود ۶۰ دسی بل) اما دقت بالاتری دارد؛ معمولا شامل آشکارسازی است که خروجی فیلتر شده آن آشکارساز را به یک دستگاه قانون مربعی تبدیل می کند و خروجی آن مقدار معادل توان (RMS) سیگنال اعمال شده است.

　　تقویت کننده های لگاریتمی برای کاربردهای نوری معمولا در «مرحله DC» قرار دارند زیرا تغییرات نسبتا کند جریان مرتبط با توان نوری را اندازه گیری می کنند تا جریان در دیود لیزر یا بهره تقویت کننده حالت نوری را کنترل کنند. آن ها ممکن است نیاز داشته باشند این کار را در بازه ای حدود چند پین-آمپر تا چند میلی آمپر انجام دهند که در مجموع نود سال است (بازه ۱۰ به نسبت ۹:۱).

　　مشخصات تقویت کننده لگاریتمی

　　پیاده سازی فیزیکی تقویت کننده لگاریتمی می تواند مدار مجتمع (IC) یا ماژولی باشد که از یک تراشه و قطعات مجزا تشکیل شده است. نسخه IC کوچکتر، ارزان تر، مصرف توان کمتر و مزایای دیگری نیز دارد و در عین حال عملکرد عالی ارائه می دهد. آن ها معمولا اولین انتخاب هستند. وقتی یک فناوری فرآیند IC منفرد یا IC منفرد نتواند به طور کامل تمام پارامترهای لازم کاربرد (مانند نویز، پهنای باند یا دامنه دما) را برآورده کند، ساختارهای هیبریدی استفاده می شوند.

　　تقویت کننده های لگاریتمی مشخصاتی مشابه تقویت کننده های غیرلگاریتمی سنتی دارند و همچنین برخی مشخصات منحصر به فرد به دلیل ماهیت دستگاه دارند. علاوه بر این، فروشندگان مختلف ممکن است تعاریف قانونی متفاوتی برای پارامترهای خاص داشته باشند، بنابراین بررسی اطلاعات دقیق و شرایط تست در دیتاشیت بسیار مهم است. عوامل اصلی عبارتند از:

　　- دامنه دینامیکی در طول دهه ها: معمولا بر حسب دسی بل اندازه گیری می شود و بیشتر موارد بین ۶۰ دسی بل تا ۱۲۰ دسی بل (یا بیشتر) متغیر است. در همه موارد، دامنه وسیع ممکن است لازم نباشد و اجرای آن می تواند مصالحه ها در سایر مشخصات کلیدی را کاهش دهد.

　　- پهنای باند: برای کاربردهای RF امروزی، این معمولا یک بازه تک رقمی گیگاهرتز است، اما برخی دستگاه های پیشرفته می توانند به ده ها گیگاهرتز برسند.

　　- دقت: کاملا مطابق با تابع انتقال خطی/لگاریتمی است. معمولا بین ۰.۱٪ تا ۱٪ متغیر است، اما بسته به موقعیت آن در محدوده ورودی اندازه گیری نیز می تواند متفاوت باشد.

　　- حساسیت: کمترین مقدار سیگنالی که یک تقویت کننده لگاریتمی می تواند پردازش کند؛ معمولا این مقدار از ۱ نانوآمپر یا ۱ میکروولت متغیر است، اما می تواند کمتر باشد؛ معمولا بر حسب dBm مشخص می شود، معمولا 50Ω.

　　- آفست: خروجی تقویت کننده لگاریتمی زمانی که ورودی در حداقل خود باشد (نه صفر، چون لگاریتمی صفر تعریف نشده است).

　　- مراجع ثابت یا قابل تنظیم: برخی تقویت کننده های لگاریتمی دارای ضریب مقیاس ثابت هستند، مانند ۰.۲۵ ولت بر ده برابر (یا ۱۰ میلی آمپر بر ده بار)؛ مراجع دیگر به کاربران اجازه می دهند تا برای تعیین عامل تناسبی ارائه دهند. ضریب مقیاس را می توان نسبت به دسی بل یا ده دهی تنظیم کرد، برای مثال ۲۰ میلی ولت/دسی بل یا ۴۰۰ میلی ولت بر دهه.

　　- ورودی و خروجی تک قطبی و دوقطبی: لگاریتم اعداد منفی تعریف نشده است، اما بسیاری از سیگنال های دنیای واقعی سیگنال های دوقطبی با مقادیر منفی هستند؛ برای غلبه بر این محدودیت، تقویت کننده های لگاریتمی باند پایه و دمدولاسیون از تکنیک های آفست، مربعی یا تکنیک های دیگر برای ورود ورودی های زیر ۰ ولت استفاده می کنند.

　　دو مشکل چالش برانگیز با تقویت کننده های لگاریتمی، نویز و ضرایب دما هستند. از آنجا که تقویت کننده های لگاریتمی دهه هاست مورد استفاده قرار می گیرند، می توانند سیگنال هایی در بازه μV، nV و حتی pV (یا μA، nA یا pA) را مدیریت کنند. با این حال، اگر سطح سیگنال بسیار پایین باشد، نویز داخلی تقویت کننده لگاریتمی ممکن است از سیگنال بیشتر شود. خوشبختانه برای بسیاری از کاربردهای RF، تا زمانی که چگالی طیفی نویز به اندازه کافی پایین باشد (معمولا در حدود nV/√Hz)، نویز کم به اندازه برد و پهنای باند اهمیت ندارد.

　　تمپکو چالش برانگیزترین پارامترها را برای طراحان و کاربران تقویت کننده لگاریتمی ارائه می دهد. از آنجا که هسته تقویت کننده لگاریتمی بر اساس اتصال نیمه هادی عمل می کند، به طور اجتناب ناپذیر با دما تغییر می کند. طراحان تقویت کننده لگاریتمی از تکنیک های مختلف طراحی برای لغو، جبران، برش یا کاهش ضریب دما استفاده می کنند، اما این عامل همچنان عامل تأثیرگذار بر عملکرد کلی است. مانند بسیاری از قطعات آنالوگ، تقویت کننده های لگاریتمی مشخصات دقیقی ارائه می دهند که برای محدوده های دمای استاندارد تجاری، صنعتی و حتی نظامی مناسب است.

　　مثال تقویت کننده لگاریتمی دامنه مشخصات را نشان می دهد

　　بسیاری از تأمین کنندگان آی سی آنالوگ و سیگنال ترکیبی تقویت کننده های لگاریتمی ارائه می دهند. تولیدکنندگان معمولا نمای کلی از منحنی های سازگاری خطا ارائه می دهند و همچنین منحنی های دقیقی که فرکانس های خاص هر فرکانس و سازگاری در دماهای پایین، اسمی و بالا را نشان می دهند.

　　برای مثال، AD8318 شرکت ADI یک تقویت کننده لگاریتمی دمدولاسیون است که از فناوری فشرده سازی پیش رونده روی زنجیره تقویت کننده آبشاری استفاده می کند و هر مرحله به یک واحد آشکارساز مجهز است (شکل ۴). این نرم افزار ثبات لگاریتمی دقیقی برای سیگنال های ۱ مگاهرتز تا ۶ گیگاهرتز فراهم می کند و عملیات مفیدی در ۸ گیگاهرتز ارائه می دهد. محدوده ورودی معمولا ۶۰ دسی بل است (امپدانس ورودی ۵۰ اهم است)، با خطای کمتر از ±۱ دسی بل (شکل ۵) و پایداری دمایی ±۰.۵ دسی بل. دستگاه های ۱۶ پین با ابعاد ۴ میلی متر × ۴ میلی متر دارای دامنه دمای اسمی -۴۰ درجه سانتی گراد تا +۸۵ درجه سانتی گراد هستند که توسط یک منبع تغذیه ۵ ولت تغذیه می شوند.

　　شکل ۴: تقویت کننده لگاریتمی AD8318 شرکت ADI از زنجیره های تقویت کننده آبشاری و فناوری فشرده سازی پیش رونده استفاده می کند و ثبات دقیق لگاریتمی سیگنال ها از ۱ مگاهرتز تا ۶ گیگاهرتز را فراهم می کند و در فرکانس ۸ گیگاهرتز کار می کند.

　　شکل ۵: یکی از نمودارهای عملکرد دقیق ارائه شده توسط تأمین کننده برای تقویت کننده های لگاریتمی که ولتاژ خروجی AD8318 VOUT (تقریبا یک خط مستقیم پایین خط) و لگاریتمیتیسم (خط «نوسان») را مقایسه می کند. دامنه ورودی ۸ گیگاهرتز همچنین عملکرد +۲۵°C (سیاه)، -۴۰°C (آبی) و +۸۵°C (قرمز) را نشان می دهد.

　　لینگلیرت LT5537 را ارائه می دهد، یک آشکارساز RF/IF با دامنه دینامیکی وسیع که در بازه فرکانسی ۱۰ مگاهرتز تا ۱ گیگاهرتز کار می کند (شکل ۶). در فرکانس ۲۰۰ مگاهرتز، دامنه دینامیکی آن ۹۰ دسی بل است و ±۳ دسی بل ورودی غیرخطی (۵۰ اوم) دارد، همان طور که در شکل ۷ نشان داده شده است. شیب ولتاژ خروجی ژئوفون ۲۰ میلی ولت بر دسی بل (مقدار اسمی)، ضریب دما ۰.۰۱ دسی بل بر درجه سانتی گراد و کرسی ۲۰۰ مگاهرتز (مقدار معمول) است. حساسیت همچنین در ۲۰۰ مگاهرتز، حداقل -۷۶ دسی بل متر اندازه گیری می شود. این سیستم از یک منبع تغذیه واحد با توان ۲.۷ تا ۵.۲۵ ولت استفاده می کند و بسته بندی ۸ پین آن در بسته بندی های ۳ میلی متری × ۲ میلی متری قرار دارد.

　　شکل ۶: LT5537 رابطه لگاریتمی خطی بین ورودی و خروجی را ارائه می دهد؛ سیگنال ورودی توسط مجموعه ای از مراحل تقویت کننده محدودکننده تقویت می شود؛ یک سری واحدهای آشکارساز سیگنال را یکسو می کنند و جریان خروجی خطی مرتبط با توان ورودی تولید می کنند.

　　شکل ۷: این یک مرور کلی از رابطه بین ولتاژ خروجی، خطای خطی و توان ورودی است. در ۲۰۰ مگاهرتز و سه دما، LT5537 لینگلیرت با نمودارهای عملکرد دقیق تر تکمیل می شود.

　　مثال سوم MAX4003 از Maxim Integrated است. MAX4003 تقویت کننده لگاریتمی کم توان آن ها برای شناسایی سطوح توان تقویت کننده های توان RF (PA) که در بازه فرکانسی ۱۰۰ مگاهرتز تا ۲۵۰۰ مگاهرتز کار می کنند طراحی شده است (شکل ۸). این تقویت کننده لگاریتمی دارای دامنه دینامیکی معمولی ۴۵ دسی بل است که برای کاربردهای بی سیم، از جمله کنترل PA سلولی، کنترل قدرت سیگنال فرستنده برای دستگاه های ترمینال بی سیم و سایر اندازه گیری های توان فرستنده مناسب است.

　　شکل ۸: تقویت کننده لگاریتمی MAX4003 ماکسیم یک قطعه کم مصرف با فرکانس ۱۰۰ مگاهرتز تا ۲۵۰۰ مگاهرتز است که برد آن ۴۵ دسی بل است؛ این سیستم شامل چهار مرحله تقویت کننده/محدودکننده ۱۰ دسی بل است که هر کدام بهره سیگنال کوچک ۱۰ دسی بل دارند؛ خروجی هر مرحله تقویت کننده/محدودکننده به یکسوکننده تمام موج اعمال می شود و مرحله آشکارساز نیز قبل از مرحله اول قرار دارد و در مجموع پنج آشکارساز دارد.

　　این دستگاه اندازه گیری ولتاژ برای بازه سیگنال معمولی -58 dBV تا -13 dBV مناسب است و از بسته های کوچک مختلفی از جمله مرحله چیپ 8-بال، μMAX و بسته های نازک QFN استفاده می کند. فروشندگان نمودارهای سازگاری پیشرفته برای فرکانس های مختلف ارائه می دهند (شکل ۹)، همچنین نمودارهای سازگاری دقیق تر برای هر فرکانس ارجاع شده، از جمله دما و حتی نوع بسته. این دستگاه به 5.9 میلی آمپر (منبع تغذیه 3.0 ولت) و زمانی که دستگاه خاموش است فقط به 13 میکروآمپر نیاز دارد. این دستگاه پایداری دمایی را در کل بازه دمایی عملیاتی از -۴۰ درجه سانتی گراد تا +۸۵ درجه سانتی گراد به دست می آورد.

　　شکل ۹: بسته بندی نیز بر عملکرد تأثیر می گذارد. همان طور که در دیتاشیت Maxim MAX4003 نشان داده شده، VOUT و سازگاری لگاریتمی نسبت به توان ورودی در ۲.۵ گیگاهرتز از بسته ۸ پین μMAX (سمت چپ) و بسته ۸ توپ لحیم سطح UCSP Shangtai (سمت راست) استفاده می کنند.

　　خلاصه

　　اگرچه مشخصات آن ها پیچیده تر و دقیق تر از تقویت کننده های خطی سنتی است، تقویت کننده های لگاریتمی نقش کلیدی در سیستم های RF و نوری ایفا می کنند. تقویت کننده های لگاریتمی با پاسخ برد گیگاهرتز بهره و توان ارسالی گیرنده را مدیریت می کنند، در حالی که تقویت کننده های لگاریتمی فرکانس پایین جریان را از طریق دیود لیزر در لینک فیبر نوری اندازه گیری می کنند.

　　راه های زیادی برای ساخت تقویت کننده های لگاریتمی وجود دارد که بیشتر آن ها بر اساس تابع انتقال ولتاژ/جریان لگاریتمی منحصر به فرد دیود است. با این حال، تقویت کننده های لگاریتمی کامل عملی بسیار پیچیده تر از دیودهای مستقل هستند و باید با مشخصات دامنه دینامیک، پهنای باند، جابجایی دما، نویز و سایر پارامترهای عملکرد تطبیق و متعادل شوند. تقویت کننده های لگاریتمی نوع IC امروزی عملکرد عالی را در بسته های جمع وجور، کم مصرف و کم هزینه ارائه می دهند. تنها در موارد نسبتا تخصصی، تقویت کننده های لگاریتمی چندتراشه هیبریدی بیش از پیش مورد نیاز خواهند بود.