RF出力測定用の対数増幅器の設計要件を満たすことができます

　　対数増幅器(一般に対数増幅器、時に対数検波器とも呼ばれる)は、RF回路および電気光学インターフェースで使用されるアナログ部品です。 その伝達関数は概念的に単純で、出力電圧または電流は入力電圧または電流の対数に比例します(図1)。 この入出力関係は通常60〜80デシベルの範囲内で達成されますが、場合によっては最大120 dBまで広がることもあります。 一部の対数増幅器はダイナミックレンジが160 dBに達することもあります。 「アンプ」と呼ばれるが、従来の意味での「アンプ」ではない。 実際には線形対数変換器です。

　　図1:対数増幅器またはコンバータは、入力電流の対数または電圧信号(X軸)に比例した出力電流または電圧信号(Y軸)を生成します。 0以下またはそれ以下の入力では定義がありませんが、対数増幅器にはこれを制限する手法があります。

　　コンポーネントに重要性が置かれているため、非線形コンポーネントを意図的に配置すると逆効果になる可能性があります。 電気的コントラリティと広い範囲での低歪み。 対数増幅器は設計の一部ですが、通常は信号チェーンに直接含まれていません。 RF回路では、通常閉ループ制御の一部であり、自動利得制御(AGC)を通じて受信チャネルの利得を調整し、入力信号強度を広い範囲で測定してチャネル内のほぼ一定の信号レベル(RSSI)を維持し(RSSI—受信信号強度指標)、送信電力を制御します(図2参照)。 光回路では、レーザーダイオードの電流を監視し、温度やその他の動作要因に応じてその変化を調整するために用いられます。

　　図2:FM受信機のブロック図に示されているように、信号レベルを維持するために受信機のAGCフィードバックループでは対数増幅器が通常使用されます。入力信号強度の範囲は広いものの、非常に狭い範囲内に収まっています。

　　対数関数はゼロ以下のパラメータに対して定義されていませんが、実際の回路には非正の信号があります。 したがって、対数増幅器の設計者はこの制限に対処するために様々な手法を用います。 対数増幅器とその応用は主に3つのカテゴリーに分けられます。

　　DC対数増幅器(「DC」はやや誤解を招く呼び方)は、最大1 MHzまでのゆっくりとした変化信号に使われます。 光学経路の電力制御だけでなく、医療、化学、生物学機器にも使用されています。

　　特定の種類の信号圧縮が必要な場合、ベースバンド対数増幅器は音声・映像回路、受信機信号チェーンのIF段、超音波回路の信号処理経路に使用されます。 正または負の入力信号に対しては対称的な出力を持ち、正の入力は正、負の入力は負の出力です。

　　復調された対数増幅器は、整流器信号包絡の対数を出力してRF信号を圧縮・復調します。 この対数増幅器はRFトランシーバー用途で使用され、受信したRF信号強度を使って送信機の出力を制御します。 出力は入力の絶対値に基づいています。入力が正でも負でも、それは正です。

　　[注:対数増幅器は、もう一つの非線形アナログ増幅器であるリミッティング増幅器とは異なります。 この装置は時にクリッパーアンプとも呼ばれ、その範囲の大部分で線形です。 しかし、入力が正極または負の最大値に近づくと、増幅器の利得は減少し制限され始めます。 したがって、このアンプは単に出力を激しく飽和させるのではなく、「やわらかく制限」し、比較的優雅に最大出力に到達します。過度飽和は激しい歪みを引き起こし、アンプの回復に比較的長い時間がかかることがあります。 入力が正常範囲に戻ると、出力もすぐにリニアモードに戻ります。 対数増幅器設計

　　対数増幅器のコアは、ダイオードPN接合部を流れる電流と電圧とのよく知られた対数関係に基づいています(左図3)。これは実際の回路における演算増幅器と組み合わせて使用されます(右図3)。 この基本的な物理原理から、対数増幅器は多くのトポロジーや構成を用い、それぞれが精度や帯域幅に必要なさまざまな性能特性や優先事項のトレードオフを提供します。 内部の詳細は対数増幅器のユーザーに直接関係しないかもしれませんが、対数増幅器とアプリケーションのマッチングには影響を与えます。 高精度伝達関数を提供する対数増幅器は、特定の用途では必要とされるが他の用途では必要ない機能であり、一般に「線形dB」対数増幅器と呼ばれます。

　　図3:ダイオードのよく知られた電流-電圧関係は、ほぼすべての対数増幅器設計の基礎を形成しています(左); このダイオード関係を利用するために、基本のオペアンプ設計のフィードバックループ(右)に配置されます。

　　RF用途では、連続圧縮対数増幅器は多段増幅と段階的制限を用いてセグメント対数近似を形成します。 これらは整流器(検波器)で、それぞれ5段から10段の低利得段(それぞれ8dBから12dB)を持ち、出力を合計してフィルター電圧を生成します。これは100dBを超える平均デシベルレベルの電力測定値です。他のRF用途では指数関数的な利得設計が用いられ、利得範囲は約60dBほど狭いものの精度は高いです。 通常、検出器のフィルター出力が検出器を平方則単位とし、出力は印加信号のパワー換算(RMS)値となります。

　　光用途の対数増幅器は通常「直流段」に位置し、これは光パワーに関連する比較的遅い電流変化を測定し、レーザーダイオードの電流や光モード増幅器の利得を制御します。 この作業は数ピンアンペアから数ミリアンペアの範囲で完了し、合計で90年(スパン10 9:1)に及びます。

　　対数増幅器の仕様

　　対数増幅器の物理的実装は、集積回路(IC)または単一チップと個別部品からなるモジュールである場合があります。ICバージョンはより小型で安価、消費電力が低く、他の利点を持ちながら優れた性能も提供します。 通常、彼らは第一候補です。 単一のICプロセス技術や個々のICがノイズ、帯域幅、温度範囲などの必要なすべての適用パラメータを完全に満たできない場合は、ハイブリッド構造が用いられます。

　　対数増幅器は従来の非対数増幅器と類似した仕様を持ち、デバイスの性質上独自の仕様もあります。 さらに、ベンダーによって特定のパラメータの法的定義が異なる場合があるため、データシート内の詳細な情報やテスト条件を確認することが重要です。 主な要因は以下の通りです:

　　- 数十年にわたるダイナミックレンジ:通常dBで測定され、ほとんどの場合60dBから120dB(またはそれ以上)の範囲です。 いずれの場合も、広い範囲は必ずしも必要なく、それを実装することで他の主要仕様のトレードオフを減らすことができます。

　　- 帯域幅:現在のRF用途では通常一桁のGHz帯域ですが、一部の高度なデバイスでは数十GHzに達することもあります。

　　- 精度:線形/対数伝達関数に完全に適合します。 通常は0.1%から1%の範囲ですが、測定入力範囲内の位置によって変動することもあります。

　　- 感度:対数増幅器が処理できる最低信号値; 通常、1 nAまたは1 μVの範囲ですが、それより低くなることもあります。 通常はdBm、通常は50Ωで指定されます。

　　- オフセット:入力が最小(log 0が定義されていないため0ではない)時の対数増幅器の出力。

　　- 固定または可変参照:一部の対数増幅器は0.25 V/10(または10 mA/10倍)などの固定スケーリングファクターを持ちます。 他の参考文献では、ユーザーが比例係数を決定できます。 スケールファクターはdBや10進数に対して調整可能で、例えば20 mV/dBや400 mV/decadeなどです。

　　- 単極性および双極性の入力・出力:負数の対数は定義されていませんが、多くの現実世界の信号は負の値を持つ双極性信号です。 この制限を克服するために、ベースバンドや復調式対数増幅器は、オフセット、二乗、その他の技術を用いて0V以下の入力を許容します。

　　対数増幅器で最も難しい2つの問題はノイズ係数と温度係数です。 対数増幅器は数十年にわたり使用されてきたため、μV、nV、さらにはpVの範囲(μA、nA、pA)の信号を処理できます。 しかし、信号レベルが非常に低い場合、対数増幅器の内部ノイズが信号を超えることがあります。 多くのRF用途では、ノイズスペクトル密度が十分に低い(通常はnV/√Hz程度)であれば、低ノイズよりも距離や帯域幅の方が重要です。

　　Tempcoは対数増幅器の設計者やユーザーにとって最も難しいパラメータを提供します。 対数増幅器のコアは半導体接合に基づいて挙動するため、温度によって必然的に変化します。 対数増幅器設計者は、温度係数のキャンセル、補正、トリム、最小化のために様々な設計手法を用いますが、それでもなお全体の性能に影響を与える要因となっています。 多くのアナログ部品と同様に、対数増幅器は標準的な商業用、産業用、さらには軍用温度範囲に適した詳細な仕様を提供します。

　　対数増幅器の例は仕様範囲を示しています

　　多くのアナログおよびミックスドシグナルICサプライヤーは対数増幅器を提供しています。 メーカーは通常、誤差一貫性曲線の概要や、各周波数での特定の周波数、低温、標準温度、高温での一貫性を示す詳細な曲線を提供します。

　　例えば、ADIのAD8318は復調対数増幅器で、カスケード増幅器チェーン上でプログレッシブ圧縮技術を採用し、各段に検波器ユニットが装備されています(図4)。 1 MHzから6 GHzまでの信号に対して正確な対数的整合性を提供し、8 GHzでも有用な演算を提供します。 入力範囲は通常60 dB(入力インピーダンスは50Ω)、誤差は±1 dB未満(図5)、温度安定性は±0.5 dBです。 4mm×4mm、16ピンのデバイスは、定格温度範囲が-40°Cから+85°Cで、単一の5V電源で駆動されます。

　　図4:ADIのAD8318対数増幅器は、カスケード増幅器チェーンとプログレッシブ圧縮技術を用い、1 MHzから6 GHzまでの信号に対して正確な対数整合性を提供し、8 GHz周波数で動作します。

　　図5:供給元が提供した対数増幅器の詳細な性能チャートの一つで、AD8318の出力電圧VOUT(ほぼ直線的なダウンライン)と対数の整合性(「スイング」ライン)を比較しています。8 GHzの入力振幅は+25°C(黒)、-40°C(青)、+85°C(赤)の性能も示しています。

　　LingliertはLT5537を提供しており、10 MHzから1 GHzの周波数帯で動作する広ダイナミックレンジのRF/IF検波器です(図6)。 200 MHzではダイナミックレンジは90 dBで、非線形入力は±3 dB(50Ω入力)です。図7に示されています。 ジオフォン出力電圧の傾きは20 mV/dB(公称値)、温度係数は0.01 dB/°C、Cは200 MHz(典型値)です。 感度も200 MHzで測定され、少なくとも-76 dBmです。 2.7Vから5.25Vまでの単一の電源を使用し、3mm×2mmパッケージの8ピンパッケージを採用しています。

　　図6:LT5537は入力と出力間の対数線形関係を提供します。 入力信号は一連のリミッティングアンプ段によって増幅されます。 一連の検出器ユニットが信号を整流し、入力電力に関連した線形の出力電流を生成します。

　　図7:これは出力電圧、線形誤差、入力電力の関係の大まかな概要です。200 MHzと3つの温度で、LingliertのLT5537はより詳細な性能図で補完されています。

　　3つ目の例はMaxim IntegratedのMAX4003です。 彼らのMAX4003低消費電力対数増幅器は、100 MHzから2500 MHzの周波数帯で動作するRFパワー増幅器(PA)のパワーレベルを検出するよう設計されています(図8参照)。 この対数増幅器は典型的なダイナミックレンジ45dBを持ち、セルラーPA制御、無線端末用送信機信号強度制御、その他の送信機出力測定など無線用途に適しています。

　　図8:マキシムのMAX4003対数増幅器は、100 MHzから2500 MHzの範囲の低消費電力成分で、範囲は45 dBです。 4段の10 dBアンプ/リミッター段を含み、それぞれ10 dBのスモール信号利得を持ちます。 各アンプ/リミッター段の出力は全波整流器に印加され、検波段も第1段の前に位置し、合計5つの検波器があります。

　　この電圧測定装置は、8ボールチップ段、μMAX、薄型QFNパッケージなど様々な小型パッケージを用い、-58 dBVから-13 dBVの典型的な信号範囲に適しています。 ベンダーは異なる周波数の高度な概要整合性チャート(図9)や、温度やパッケージタイプを含む参照周波数ごとにより詳細な整合性図を提供しています。 このデバイスは5.9 mA(3.0 V電源)を必要とし、オフ時はわずか13μAです。 -40°Cから+85°Cまでの全動作温度範囲で温度安定性を実現しています。

　　図9:パッケージングも性能に影響を与えます。Maxim MAX4003のデータシートに示されているように、2.5 GHzでのVOUTおよび入力電力に対する対数一貫性は、8ピンのμMAXパッケージ(左)とその8ボールはんだボールレベルのUCSP上台パッケージ(右)を使用しています。

　　概要

　　従来の線形増幅器よりも複雑で細かい仕様を持ちながらも、対数増幅器はRFおよび光学システムにおいて重要な役割を果たします。 GHz範囲の応答を持つ対数増幅器は、受信機のフロントエンドの利得と送信電力を管理し、低周波対数増幅器は光ファイバーリンク内のレーザーダイオードを流れる電流を測定します。

　　対数増幅器の構築方法は多くあり、そのほとんどはダイオード固有の対数電圧/電流伝達関数に基づいています。 しかし、実用的な完全対数増幅器は単独ダイオードよりもはるかに複雑であり、ダイナミックレンジ、帯域幅、温度ドリフト、ノイズなどの性能パラメータと調整・バランス調整が必要です。 現在のIC型対数増幅器は、コンパクトで低消費電力かつ低コストのパッケージで優れた性能を提供します。 ハイブリッドマルチチップ対数増幅器がますます必要とされるのは、かなり専門的なケースでのみです。