Il peut répondre aux exigences de conception des amplificateurs logarithmiques pour la mesure de la puissance RF

　　Un amplificateur logarithmique (communément appelé amplificateur logarithmique, parfois appelé détecteur logarithmique) est un composant analogique utilisé dans les circuits RF et les interfaces électro-optiques. Sa fonction de transfert est conceptuellement simple : la tension ou le courant de sortie est proportionnel au logarithme de la tension ou courant d’entrée (Figure 1). Elle atteint cette relation entrée/sortie dans une plage d’entrée de 60 à 80 décibels (typiquement), mais dans certains cas elle peut atteindre 120 dB ; Certains amplificateurs logarithmiques atteignent même une plage dynamique de 160 dB. Bien qu’on l’appelle un « amplificateur », ce n’est pas un « amplificateur » au sens conventionnel ; Il s’agit en réalité d’un convertisseur linéaire-logarithmique.

　　Figure 1 : Un amplificateur ou convertisseur logarithmique génère des signaux de courant ou de tension de sortie (axe Y), proportionnels au signal logarithmique ou de tension du courant d’entrée (axe X) ; Notez que pour les entrées égales ou inférieures à zéro, elle est indéfinie, bien que les amplificateurs logarithmiques disposent de méthodes qui limitent cela.

　　Compte tenu de l’importance accordée aux composants, placer délibérément des composants non linéaires dans le système peut se retourner contre lui. Contour électrique et faible distorsion sur une large plage. Les amplificateurs logarithmiques font partie de la conception, mais ils ne sont généralement pas directement intégrés à la chaîne du signal. Dans les circuits RF, il fait généralement partie du contrôle en boucle fermée, qui ajuste le gain du canal de réception via le contrôle automatique du gain (AGC), maintient un niveau de signal quasi constant (RSSI) dans le canal en mesurant la force du signal d’entrée sur une large plage (RSSI — Indicateur de force du signal reçu), Figure 2, et contrôle la puissance transmise. Dans les circuits optiques, elle est utilisée pour surveiller le courant de la diode laser et ajuster ses variations en fonction de la température et d’autres facteurs opérationnels.

　　Figure 2 : Comme montré dans le schéma bloc d’un récepteur FM, les amplificateurs logarithmiques sont généralement utilisés dans la boucle de rétroaction AGC du récepteur pour maintenir les niveaux de signal. Bien que la plage de puissance du signal d’entrée soit large, elle reste dans une plage très étroite.

　　Bien que la fonction logarithmique ne soit pas définie pour des paramètres égaux ou inférieurs à zéro, le circuit réel possède des signaux non positifs. Par conséquent, les concepteurs d’amplificateurs logarithmiques utilisent diverses techniques pour répondre à cette limitation. Les amplificateurs logarithmiques et leurs applications sont divisés en trois grandes catégories :

　　Les amplificateurs logarithmiques en courant continu (« DC » est un peu un abus de langage) sont utilisés pour changer lentement les signaux, jusqu’à 1 MHz. Il est utilisé pour le contrôle de la puissance des chemins optiques, ainsi que pour les instruments médicaux, chimiques et biologiques.

　　Lorsqu’un certain type de compression de signal est nécessaire, des amplificateurs logarithmiques en bande de base sont utilisés dans les circuits audio et vidéo, ainsi que dans l’étape IF de la chaîne de signal du récepteur et le chemin de traitement du signal dans les circuits ultrasoniques. Pour les signaux d’entrée positifs ou négatifs, il y a une sortie symétrique, avec une sortie positive pour l’entrée positive et négative pour l’entrée négative.

　　Un amplificateur logarithmique démodulé comprime et démodule les signaux RF, sa sortie étant le logarithme de l’enveloppe du signal redresseur. Cet amplificateur logarithmique est utilisé dans les applications de récepteurs RF, où la force du signal RF reçu est utilisée pour contrôler la puissance de sortie de l’émetteur. La sortie est basée sur la valeur absolue de l’entrée ; que l’entrée soit positive ou négative, elle est positive.

　　[Note : L’amplificateur logarithmique est différent d’un autre amplificateur analogique non linéaire, l’amplificateur limitant. Cet appareil est parfois appelé amplificateur clipper et est linéaire sur la majeure partie de sa tessiture. Cependant, lorsque l’entrée approche du maximum positif ou négatif, le gain de l’amplificateur commence à diminuer et à devenir limité. Ainsi, cet amplificateur « limite doucement » et atteint relativement élégamment la sortie maximale, plutôt que de simplement saturer la sortie de façon intense—ce qui provoque une distorsion sévère et peut mettre un temps relativement long à la récupération. Lorsque l’entrée revient dans la plage normale, la sortie revient rapidement en mode linéaire. ] Conception d’amplificateur logarithmique

　　Le noyau d’un amplificateur logarithmique est basé sur la relation logarithmique bien connue entre le courant passant par la jonction PN de la diode et la tension (Figure 3 à gauche), et est utilisé en combinaison avec des amplificateurs opérationnels dans les circuits réels (Figure 3 à droite). En partant de ce principe physique de base, les amplificateurs logarithmiques utilisent de nombreuses topologies et configurations, chacune offrant des compromis entre divers attributs de performance et priorités nécessaires à la précision et à la bande passante. Bien que les détails internes ne soient pas directement liés aux utilisateurs d’amplificateurs logarithmiques, ils influencent l’appariement entre l’amplificateur logarithmique et l’application. Les amplificateurs logarithmiques qui fournissent des fonctions de transfert de haute précision — des caractéristiques requises pour certaines applications mais pas dans d’autres — sont communément appelés amplificateurs logarithmiques « linéaires dB ».

　　Figure 3 : La relation courant-tension bien connue des diodes constitue la base de presque tous les modèles d’amplificateurs logarithmiques (à gauche) ; Pour tirer parti de cette relation diode, elle est placée dans la boucle de rétroaction de la conception de base de l’amplificateur opérationnel (à droite).

　　Pour les applications RF, les amplificateurs logarithmiques à compression continue utilisent une amplification multi-étages et une limitation progressive pour former des approximations logarithmiques segmentaires. Ils incluent un redresseur (détecteur), chacun avec 5 à 10 étages à faible gain (chacun de 8 dB à 12 dB), dont les sorties sont additionnées pour générer une tension de filtre, qui est une mesure moyenne de puissance au niveau des décibels supérieure à 100 dB. D’autres applications RF utilisent des conceptions de gain exponentiel, avec une plage de gain plus étroite (environ 60 dB) mais une précision plus élevée ; Il inclut généralement un détecteur dont la sortie filtrée fait du détecteur un dispositif à loi carrée, la sortie étant la valeur équivalente puissance (RMS) du signal appliqué.

　　Les amplificateurs logarithmiques pour applications optiques sont généralement à l'« étage DC » car ils mesurent les variations relativement lentes de courant liées à la puissance optique pour contrôler le courant dans la diode laser ou le gain de l’amplificateur en mode optique. Ils peuvent avoir besoin de réaliser ce travail dans une plage d’environ quelques ampères-broche à quelques milliampères, soit un total de quatre-vingt-dix ans (période 10 9:1).

　　Spécifications des amplificateurs logarithmiques

　　L’implémentation physique d’un amplificateur logarithmique peut être un circuit intégré (CI) ou un module composé d’une seule puce et de composants discrets. La version CI est plus petite, moins chère, consomme moins d’énergie et offre d’autres avantages, tout en offrant d’excellentes performances. Ils sont généralement le premier choix. Lorsqu’une technologie de procédé de CI unique ou un CI individuel ne peut pas satisfaire pleinement tous les paramètres nécessaires (comme le bruit, la bande passante ou la plage de température), des structures hybrides sont utilisées.

　　Les amplificateurs logarithmiques ont des spécifications similaires à celles des amplificateurs non logarithmiques traditionnels, ainsi que des spécifications uniques en raison de la nature de l’appareil. De plus, différents fournisseurs peuvent avoir des définitions juridiques différentes pour certains paramètres, il est donc crucial de vérifier les informations détaillées et les conditions de test dans la fiche technique. Les principaux facteurs incluent :

　　- Plage dynamique sur des décennies : généralement mesurée en dB, la plupart des cas allant de 60 dB à 120 dB (ou plus). Dans tous les cas, une large gamme peut ne pas être nécessaire, et sa mise en œuvre pourrait réduire les compromis dans d’autres spécifications clés.

　　- Bande passante : Pour les applications RF actuelles, il s’agit généralement d’une plage à un chiffre de GHz, mais certains appareils avancés peuvent atteindre des dizaines de GHz.

　　- Précision : Parfaitement conforme à la fonction de transfert linéaire/logarithmique. Elle varie généralement entre 0,1 % et 1 %, mais peut aussi varier selon sa position dans la plage d’entrée de mesure.

　　- Sensibilité : la valeur de signal la plus basse qu’un amplificateur logarithmique peut traiter ; En général, elle varie de 1 nA à 1 μV, mais peut être plus faible ; Il est généralement spécifié en dBm, typiquement 50Ω.

　　- Décalage : La sortie de l’amplificateur logarithmique lorsque l’entrée est à son minimum (pas à 0, car log 0 n’est pas défini).

　　- Références fixes ou ajustables : Certains amplificateurs logarithmiques ont des facteurs d’échelle fixes, tels que 0,25 V/dix fois (ou 10 mA/dix fois) ; D’autres références permettent aux utilisateurs de fournir pour déterminer le facteur proportionnel. Le facteur d’échelle peut être ajusté par rapport à dB ou décimal, par exemple 20 mV/dB ou 400 mV/décennie.

　　- Entrée et sortie unipolaire et bipolaire : Le logarithme des nombres négatifs est indéfini, mais de nombreux signaux réels sont des signaux bipolaires à valeurs négatives ; Pour surmonter cette limitation, les amplificateurs logarithmiques à bande de base et à démodulation utilisent des techniques de décalage, de carré ou d’autres pour permettre des entrées inférieures à 0 V.

　　Les deux problèmes les plus difficiles avec les amplificateurs logarithmiques sont le bruit et les coefficients de température. Comme les amplificateurs logarithmiques sont utilisés depuis des décennies, ils peuvent gérer des signaux dans la gamme μV, nV, voire pV (ou μA, nA ou pA). Cependant, si le niveau de signal est très bas, le bruit interne de l’amplificateur logarithmique peut dépasser le signal. Pour de nombreuses applications RF, heureusement, tant que la densité spectrale du bruit est suffisamment faible (généralement de l’ordre de nV/√Hz), le faible bruit n’est pas aussi important que la portée et la bande passante.

　　Tempco offre les paramètres les plus complexes pour les concepteurs et utilisateurs d’amplificateurs logarithmiques. Comme le noyau d’un amplificateur logarithmique se comporte en fonction de la jonction semi-conductrice, il change inévitablement avec la température. Les concepteurs d’amplificateurs logarithmiques utilisent diverses techniques de conception pour annuler, compenser, ajuster ou minimiser le coefficient de température, mais cela reste un facteur affectant la performance globale. Comme beaucoup de composants analogiques, les amplificateurs logarithmiques proposent des spécifications détaillées adaptées aux plages de température commerciales, industrielles et même militaires standard.

　　L’exemple d’un amplificateur logarithmique montre la plage de spécifications

　　De nombreux fournisseurs de circuits intégrés analogiques et mixtes proposent des amplificateurs logarithmiques. Les fabricants fournissent généralement un aperçu des courbes de cohérence d’erreur, ainsi que des courbes détaillées montrant des fréquences spécifiques à chaque fréquence, ainsi que la cohérence à basse, nominale et haute température.

　　Par exemple, l’AD8318 de l’ADI est un amplificateur logarithmique à démodulation qui utilise une technologie de compression progressive sur une chaîne d’amplificateur en cascade, chaque étage étant équipé d’une unité de détection (Figure 4). Il assure une cohérence logarithmique précise pour les signaux allant de 1 MHz à 6 GHz et offre des opérations utiles à 8 GHz. La plage d’entrée est typiquement de 60 dB (impédance d’entrée est de 50Ω), avec une erreur inférieure à ±1 dB (Figure 5), et une stabilité de température de ±0,5 dB. Les dispositifs de 4 mm × 4 mm, 16 broches, ont une plage de température nominale de -40°C à +85°C, alimentés par une seule alimentation de 5 V.

　　Figure 4 : L’amplificateur logarithmique AD8318 de l’ADI utilise des chaînes d’amplificateurs en cascade et une technologie de compression progressive, fournissant une cohérence logarithmique précise pour les signaux de 1 MHz à 6 GHz, et fonctionnant à la fréquence de 8 GHz.

　　Figure 5 : L’un des nombreux tableaux détaillés de performance fournis par le fournisseur pour les amplificateurs logarithmiques, comparant la tension de sortie VOUT AD8318 (presque une ligne descendante droite) et la cohérence logarthmique (la ligne « swing »). L’amplitude d’entrée à 8 GHz affiche également +25°C (noir), -40°C (bleu) et +85°C (rouge).

　　Lingliert propose le LT5537, un détecteur RF/IF à large plage dynamique fonctionnant dans la plage de fréquences de 10 MHz à 1 GHz (Figure 6). À 200 MHz, sa plage dynamique est de 90 dB, avec ±3 dB non linéaires (50 Ω d’entrée), comme montré à la Figure 7. La pente de tension de sortie du géophone est de 20 mV/dB (valeur nominale), le coefficient de température est de 0,01 dB/°C et C est de 200 MHz (valeur typique). La sensibilité est également mesurée à 200 MHz, soit au moins -76 dBm. Il utilise une seule alimentation allant de 2,7 V à 5,25 V, avec un emballage 8 broches en boîtiers de 3 mm × 2 mm.

　　Figure 6 : LT5537 fournit une relation log-linéaire entre l’entrée et la sortie ; Le signal d’entrée est amplifié par une série d’étages d’amplification de limitation ; Une série d’unités détectrices redresse le signal et génère un courant de sortie linéairement linéaire à la puissance d’entrée.

　　Figure 7 : Voici un aperçu général de la relation entre la tension de sortie, l’erreur de linéarité et la puissance d’entrée. À 200 MHz et trois températures, le LT5537 de Lingliert est complété par une multitude de diagrammes de performance plus détaillés.

　　Le troisième exemple est MAX4003 de Maxim Integrated. Leur amplificateur logarithmique MAX4003 faible puissance est conçu pour détecter les niveaux de puissance des amplificateurs RF (PA) fonctionnant dans la plage de fréquences allant de 100 MHz à 2500 MHz (Figure 8). Cet amplificateur logarithmique possède une plage dynamique typique de 45 dB, adapté aux applications sans fil, y compris le contrôle de la sonorisation cellulaire, le contrôle de la puissance du signal de l’émetteur pour les dispositifs terminaux sans fil, et d’autres mesures de puissance de l’émetteur.

　　Figure 8 : L’amplificateur logarithmique MAX4003 de Maxim est un composant à faible puissance allant de 100 MHz à 2500 MHz, avec une plage de 45 dB ; Il comprend quatre étages amplificateur/limiteur de 10 dB, chacun avec un gain de signal faible de 10 dB ; La sortie de chaque étage amplificateur/limiteur est appliquée au redresseur à onde complète, et l’étage détecteur est également situé avant le premier étage, avec un total de cinq détecteurs.

　　Cet appareil de mesure de tension convient à une plage de signal typique de -58 dBV à -13 dBV, utilisant divers petits boîtiers incluant des étages à puce à 8 billes, μMAX et des boîtiers QFN fins. Les fournisseurs fournissent des graphiques de cohérence avancés pour différentes fréquences (Figure 9), ainsi que des diagrammes de cohérence plus détaillés pour chaque fréquence référencée, incluant la température et même le type de paquet. L’appareil nécessite 5,9 mA (alimentation 3,0 V), et seulement 13μA lorsqu’il est éteint. Il assure une stabilité de température sur toute la plage de température de fonctionnement, allant de -40°C à +85°C.

　　Figure 9 : L’emballage affecte également les performances. Comme montré dans la fiche technique Maxim MAX4003, la cohérence VOUT et logarithmique par rapport à la puissance d’entrée à 2,5 GHz utilisent un boîtier μMAX 8 broches (à gauche) et son boîtier à bille à 8 billes au niveau de la bille UCSP Shangtai (à droite).

　　Résumé

　　Bien qu’ils aient des spécifications plus complexes et plus fines que les amplificateurs linéaires traditionnels, les amplificateurs logarithmiques jouent un rôle clé dans les systèmes RF et optiques. Les amplificateurs logarithmiques avec réponse en GHz gèrent le gain frontal et la puissance transmise du récepteur, tandis que les amplificateurs logarithmiques basse fréquence mesurent le courant à travers la diode laser dans la liaison à fibre optique.

　　Il existe de nombreuses façons de construire des amplificateurs logarithmiques, la plupart basées sur la fonction unique de transfert de tension/courant logarithmique de la diode. Cependant, les amplificateurs logarithmiques complets et pratiques sont bien plus complexes que les diodes autonomes et doivent être adaptés et équilibrés selon les spécifications de la plage dynamique, de la bande passante, de la dérive de température, du bruit et d’autres paramètres de performance. Les amplificateurs logarithmiques de type CI actuels offrent d’excellentes performances dans des boîtiers compacts, à faible consommation et à faible coût. Ce n’est que dans des cas assez spécialisés que des amplificateurs logarithmiques hybrides multi-puces seront de plus en plus nécessaires.