RF 전력 측정을 위한 로그 증폭기 설계 요구사항을 충족할 수 있습니다

　　로그 증폭기(일반적으로 로그 증폭기라고 불리며, 때로는 로그 검파기라고도 함)는 RF 회로와 전기광학 인터페이스에서 사용되는 아날로그 부품입니다. 전달 함수는 개념적으로 간단합니다: 출력 전압 또는 전류는 입력 전압 또는 전류의 로그에 비례합니다(그림 1). 이 입력/출력 관계는 일반적으로 60에서 80데시벨 범위 내에서 이루어지지만, 경우에 따라 최대 120 dB까지 넓어질 수 있습니다; 일부 로그 증폭기는 심지어 160 dB의 동적 범위에 도달하기도 합니다. "앰프"라고 불리지만, 전통적인 의미의 "앰프"는 아닙니다; 실제로는 선형에서 로그로 변환하는 변환기입니다.

　　그림 1: 로그 증폭기 또는 변환기는 입력 전류의 로그 또는 전압 신호(X축)에 비례하여 출력 전류 또는 전압 신호(Y축)를 생성합니다; 입력이 0 이하일 경우에는 정의되지 않지만, 로그 증폭기는 이를 제한하는 방법을 가지고 있습니다.

　　부품에 대한 중요성을 고려할 때, 비선형 부품을 의도적으로 배치하면 역효과가 날 수 있습니다. 전기적 일관성과 넓은 범위에서의 낮은 왜곡. 로그 증폭기는 설계의 일부이지만, 보통 신호 체인에 직접 들어가지는 않습니다. RF 회로에서는 보통 폐쇄 루프 제어의 일부로, 자동 이득 제어(AGC)를 통해 수신 채널의 이득을 조절하고, 입력 신호 세기를 넓은 범위에서 측정하여 채널 내 거의 일정한 신호 레벨(RSSI)을 유지하며(RSSI—수신 신호 세기 표시기), 그리고 전송 전력을 제어합니다. 광회로에서는 레이저 다이오드의 전류를 모니터링하고 온도 및 기타 작동 요인에 따라 전류 변화를 조정하는 데 사용됩니다.

　　그림 2: FM 수신기의 블록 다이어그램에서 보듯, 로그 증폭기는 일반적으로 수신기의 AGC 피드백 루프에서 신호 레벨을 유지하기 위해 사용됩니다. 입력 신호 세기 범위는 넓지만 매우 좁은 범위 내에 머물러 있습니다.

　　로그 함수는 0과 같거나 작은 매개변수에 대해 정의되어 있지 않지만, 실제 회로에는 비양의 신호가 존재합니다. 따라서 로그 증폭기 설계자들은 이 한계를 해결하기 위해 다양한 기법을 사용합니다. 로그 증폭기와 그 응용 분야는 세 가지 주요 범주로 나뉩니다:

　　DC 로그 증폭기("DC"는 다소 오해의 소지가 있습니다)는 최대 1 MHz까지 천천히 변화하는 신호에 사용됩니다. 광학 경로 전력 제어뿐만 아니라 의료, 화학, 생물학적 기기에도 사용됩니다.

　　특정 유형의 신호 압축이 필요할 때, 베이스밴드 로그 증폭기는 오디오 및 비디오 회로뿐만 아니라 수신기 신호 체인의 IF 단계와 초음파 회로의 신호 처리 경로에도 사용됩니다. 양수 또는 음수 입력 신호의 경우, 출력은 대칭적이며, 양의 입력은 양수, 음의 입력은 음수입니다.

　　복조 로그 증폭기는 RF 신호를 압축하고 복조하며, 출력은 정류기 신호 외피의 로그입니다. 이 로그 증폭기는 수신된 RF 신호 세기를 이용해 송신기의 출력 전력을 제어하는 RF 송수신기 응용 분야에서 사용됩니다. 출력은 입력의 절대값을 기반으로 하며; 입력이 양수든 음수든 양수입니다.

　　[참고: 로그 증폭기는 또 다른 비선형 아날로그 증폭기인 제한 증폭기와는 다릅니다. 이 장치는 때때로 클리퍼 증폭기라고도 불리며, 대부분의 범위에서 선형입니다. 하지만 입력이 양극 또는 음극 최대값에 가까워지면 증폭기 이득이 감소하고 제한이 됩니다. 따라서 이 앰프는 단순히 출력을 강하게 포화시키는 대신 '부드럽게 제한'하며 비교적 우아하게 최대 출력에 도달합니다. 이는 심한 왜곡을 일으키고 앰프가 회복하는 데 비교적 오랜 시간이 걸릴 수 있습니다. 입력이 정상 범위로 돌아가면 출력도 빠르게 선형 모드로 돌아갑니다. ] 로그 증폭기 설계

　　로그 증폭기의 코어는 다이오드 PN 접합을 통한 전류와 전압 간의 잘 알려진 로그 관계에 기반하며(그림 3 왼쪽), 실제 회로에서 연산 증폭기와 함께 사용됩니다(그림 3 오른쪽). 이 기본 물리 원리에서 출발하여, 로그 증폭기는 다양한 위상과 구성을 사용하며, 각 위상은 정밀도와 대역폭에 필요한 다양한 성능 속성과 우선순위 간의 트레이드오프를 제공합니다. 내부 정보가 로그 증폭기 사용자와 직접적으로 관련이 없을 수 있지만, 로그 증폭기와 애플리케이션 간의 매칭에는 영향을 미칩니다. 고정밀 전달 함수를 제공하는 로그 증폭기—특정 용도에서는 필요하지 않지만 다른 경우에는 필요하지 않은 기능—을 일반적으로 "선형 dB" 로그 증폭기라고 부릅니다.

　　그림 3: 다이오드의 잘 알려진 전류-전압 관계는 거의 모든 로그 증폭기 설계의 기초를 이룹니다(왼쪽); 이 다이오드 관계를 활용하기 위해, 기본 연산 증폭기 설계의 피드백 루프에 배치됩니다(오른쪽).

　　RF 응용의 경우, 연속 압축 로그 증폭기는 다단계 증폭과 점진적 제한을 사용하여 세그멘탈 로그 근사를 형성합니다. 이들은 각각 5개에서 10개의 저이득 단계(각각 8 dB에서 12 dB)를 가진 정류기(검파기)를 포함하며, 출력을 합산해 필터 전압을 생성하는데, 이는 100 dB 이상의 평균 데시벨 수준 전력 측정입니다. 다른 RF 응용 분야에서는 지수 이득 설계를 사용하며, 이득 범위는 더 좁은(약 60 dB) 하지만 정확도는 더 높습니다; 일반적으로 필터링된 출력이 검출기를 제곱법칙 장치로 만들며, 출력은 인가된 신호의 전력 등가(RMS) 값입니다.

　　광학적 응용용 로그 증폭기는 보통 "DC 단계"에 위치하는데, 이는 레이저 다이오드의 전류 또는 광 모드 증폭기의 이득을 제어하기 위해 광전력과 관련된 비교적 느린 전류 변화를 측정하기 때문입니다. 이 작업은 약 몇 핀암페어에서 몇 밀리암페어 범위 내에서 완료해야 할 수 있으며, 총 90년(10 9:1 스팬)에 달합니다.

　　로그 증폭기 사양

　　로그 증폭기의 물리적 구현은 집적 회로(IC) 또는 단일 칩과 개별 부품으로 구성된 모듈일 수 있습니다. IC 버전은 더 작고 저렴하며 전력 소비가 낮고 다른 장점을 제공하며 우수한 성능을 제공합니다. 보통 첫 번째 선택지입니다. 단일 IC 공정 기술이나 개별 IC가 잡음, 대역폭, 온도 범위 등 모든 필요한 응용 매개변수를 완전히 충족하지 못할 경우, 하이브리드 구조가 사용됩니다.

　　로그 증폭기는 전통적인 비로그 증폭기와 유사한 사양을 가지며, 장치의 특성에 따라 고유한 사양도 존재합니다. 또한, 공급업체마다 특정 매개변수에 대한 법적 정의가 다를 수 있으므로, 데이터시트에 상세한 정보와 테스트 조건을 반드시 확인하는 것이 중요합니다. 주요 요인은 다음과 같습니다:

　　- 수십 년에 걸친 다이내믹 레인지: 보통 dB 단위로 측정되며, 대부분의 경우 60 dB에서 120 dB(또는 그 이상) 사이입니다. 모든 경우에 넓은 범위가 필요하지 않을 수 있으며, 이를 구현하면 다른 주요 사양의 트레이드오프를 줄일 수 있습니다.

　　- 대역폭: 오늘날 RF 응용에서는 일반적으로 한 자릿수 GHz 범위이지만, 일부 고급 장치는 수십 GHz에 도달할 수 있습니다.

　　- 정확도: 선형/로그 전달 함수에 완벽히 부합합니다. 보통 0.1%에서 1% 사이이지만, 측정 입력 범위 내 위치에 따라 달라질 수 있습니다.

　　- 민감도: 로그 증폭기가 처리할 수 있는 가장 낮은 신호 값; 일반적으로 1 nA 또는 1 μV 범위이지만, 더 낮을 수도 있습니다; 보통 dBm 단위로 지정되며, 보통 50Ω입니다.

　　- 오프셋: 입력이 최소일 때(로그 0이 정의되지 않으므로 0이 아님) 로그 증폭기의 출력입니다.

　　- 고정 또는 조절 가능한 기준: 일부 로그 증폭기는 0.25 V/10배(또는 10 mA/10 배)와 같은 고정 스케일 계수를 가집니다; 다른 참고문헌을 통해 사용자가 비례 계수를 결정할 수 있습니다. 스케일 팩터는 dB 또는 소수점에 따라 조절할 수 있으며, 예를 들어 20 mV/dB 또는 400 mV/10 단위로 조정됩니다.

　　- 단극성 및 양극성 입출력: 음수의 로그는 정의되지 않지만, 실제 신호의 많은 경우 음수 값을 가진 양극성 신호입니다; 이 한계를 극복하기 위해 베이스밴드 및 복조 로그 증폭기는 오프셋, 제곱 또는 기타 기법을 사용하여 0 V 미만의 입력을 허용합니다.

　　로그 증폭기에서 가장 어려운 두 가지 문제는 잡음 계수와 온도 계수입니다. 로그 증폭기는 수십 년간 사용되어 왔기 때문에 μV, nV, 심지어 pV 범위(또는 μA, nA, pA) 신호도 처리할 수 있습니다. 하지만 신호 레벨이 매우 낮으면 로그 증폭기의 내부 잡음이 신호보다 더 클 수 있습니다. 많은 RF 응용에서는 다행히도 잡음 스펙트럼 밀도가 충분히 낮다면(보통 nV/√Hz 정도) 낮은 잡음보다는 거리와 대역폭이 더 중요합니다.

　　Tempco는 로그 증폭기 설계자와 사용자에게 가장 까다로운 파라미터를 제공합니다. 로그 증폭기의 코어는 반도체 접합에 따라 동작하기 때문에 온도에 따라 반드시 변합니다. 로그 증폭기 설계자들은 온도 계수를 상쇄, 보상, 트리밍 또는 최소화하기 위해 다양한 설계 기법을 사용하지만, 이는 여전히 전체 성능에 영향을 미치는 요소로 남아 있습니다. 많은 아날로그 부품과 마찬가지로, 로그 증폭기는 표준 상업용, 산업용, 심지어 군용 온도 범위에 적합한 상세 사양을 제공합니다.

　　로그 증폭기의 예시는 명세 범위를 보여줍니다

　　많은 아날로그 및 혼합 신호 IC 공급업체가 로그 증폭기를 제공합니다. 제조사들은 일반적으로 오차 일관성 곡선의 개요와 각 주파수별 특정 주파수, 저온, 명목 온도, 고온에서의 일관성을 상세히 보여주는 곡선을 제공합니다.

　　예를 들어, ADI의 AD8318은 복조 로그 증폭기로, 계단식 증폭기 체인에 점진적 압축 기술을 적용하며, 각 단계마다 검출기 유닛이 장착되어 있습니다(그림 4). 1 MHz에서 6 GHz 신호에 대해 정확한 로그 일관성을 제공하며, 8 GHz에서도 유용한 연산을 제공합니다. 입력 범위는 일반적으로 60 dB(입력 임피던스는 50Ω)이며, 오차는 ±1 dB 미만(그림 5), 온도 안정성은 ±0.5 dB입니다. 4mm × 4mm 16핀 장치는 -40°C에서 +85°C까지의 정격 온도 범위를 가지며, 단일 5V 전원 공급 장치로 구동됩니다.

　　그림 4: ADI의 AD8318 로그 증폭기는 계단식 증폭기 체인과 점진적 압축 기술을 사용하여 1 MHz에서 6 GHz까지의 신호에 대해 정확한 로그 일관성을 제공하며, 8 GHz 주파수에서 동작합니다.

　　그림 5: 공급업체가 로그 증폭기에 제공한 여러 상세 성능 차트 중 하나로, AD8318 출력 전압 VOUT(거의 직선 다운라인)과 로그 일관성('스윙' 라인)을 비교한 것입니다. 8 GHz 입력 진폭은 +25°C(검은색), -40°C(파랑), +85°C(적색)의 성능을 나타냅니다.

　　링리얼트는 10 MHz에서 1 GHz 주파수 대역에서 동작하는 광동적 범위 RF/IF 검파기 LT5537을 제공합니다(그림 6). 200 MHz에서는 동적 범위가 90 dB이며, ±3 dB 비선형(50Ω 입력)이 도면 7에 나타난 것과 같습니다. 지오폰 출력 전압 기울기는 20 mV/dB(명목 값), 온도 계수는 0.01 dB/°C, C는 200 MHz(일반적인 값)입니다. 감도는 200 MHz에서 측정되며, 최소 -76 dBm 이상입니다. 2.7V에서 5.25V까지 다양한 단일 전원 공급 장치를 사용하며, 3mm × 2mm 패키지로 8핀 패키지를 사용합니다.

　　그림 6: LT5537은 입력과 출력 간의 로그 선형 관계를 제공합니다; 입력 신호는 일련의 제한 증폭 단계에 의해 증폭됩니다; 일련의 검파기 유닛이 신호를 정류하여 입력 전력과 관련된 선형 출력 전류를 생성합니다.

　　그림 7: 출력 전압, 선형성 오차, 입력 전력 간의 관계를 넓게 개관한 것입니다. 200 MHz와 세 가지 온도에서 링리에르트의 LT5537은 더 상세한 성능 다이어그램으로 보완됩니다.

　　세 번째 예시는 Maxim Integrated에서 MAX4003 있습니다. 그들의 MAX4003 저전력 로그 증폭기는 100 MHz에서 2500 MHz 주파수 범위에서 동작하는 RF 전력 증폭기(PA)의 전력 수준을 감지하도록 설계되었습니다(그림 8). 이 로그 증폭기는 일반적인 다이내믹 레인지 45 dB를 가지며, 셀룰러 PA 제어, 무선 단말기용 송신기 신호 세기 제어, 기타 송신기 전력 측정 등 무선 응용에 적합합니다.

　　그림 8: 맥심의 MAX4003 로그 증폭기는 100 MHz에서 2500 MHz까지 범위가 낮은 저전력 성분이며, 범위는 45 dB입니다; 이 장치는 각각 10 dB 소신호 이득을 가진 4개의 10 dB 증폭기/제한 단계를 포함합니다; 각 증폭기/제한기 단계의 출력은 전파 정류기에 인가되며, 검파기 단계는 1단계 앞에 위치해 총 5개의 검파기가 있습니다.

　　이 전압 측정 장치는 -58 dBV에서 -13 dBV까지의 일반적인 신호 범위에 적합하며, 8볼 칩 스테이지, μMAX, 얇은 QFN 패키지 등 다양한 소형 패키지를 사용합니다. 공급업체들은 다양한 주파수에 대한 고급 개요 일관성 차트(그림 9)와 온도, 심지어 패키지 유형을 포함한 참조 주파수별 보다 상세한 일관성 다이어그램을 제공합니다. 이 장치는 5.9 mA(3.0V 전원 공급)를 필요로 하며, 꺼져 있을 때는 13μA만 필요합니다. -40°C에서 +85°C까지 전체 작동 온도 범위에서 온도 안정성을 달성합니다.

　　그림 9: 패키징은 성능에도 영향을 미칩니다. Maxim MAX4003 데이터시트에 나타난 바와 같이, 2.5 GHz에서 VOUT 및 입력 전력과 로그 일관성은 8핀 μMAX 패키지(왼쪽)와 8볼 납땜 볼 수준의 UCSP 상타이 패키지(오른쪽)를 사용합니다.

　　요약

　　전통적인 선형 증폭기보다 더 복잡하고 정밀한 사양을 가지고 있지만, 로그 증폭기는 RF 및 광 시스템에서 핵심적인 역할을 합니다. GHz 범위 응답을 가진 로그 증폭기는 수신기의 전면 이득과 송신 전력을 관리하며, 저주파 로그 증폭기는 광섬유 링크 내 레이저 다이오드를 통과하는 전류를 측정합니다.

　　로그 증폭기를 만드는 방법은 다양하며, 대부분은 다이오드의 고유한 로그 전압/전류 전달 함수에 기반합니다. 하지만 실용적인 완전 로그 증폭기는 독립형 다이오드보다 훨씬 복잡하며, 동적 범위, 대역폭, 온도 드리프트, 잡음 및 기타 성능 매개변수에 대한 사양과 조정 및 균형을 맞춰야 합니다. 오늘날의 IC형 로그 증폭기는 컴팩트하고 저전력 패키지에서 뛰어난 성능을 제공합니다. 하이브리드 멀티칩 로그 증폭기가 점점 더 필요해지는 것은 상당히 특수화된 경우뿐입니다.