Ele pode atender aos requisitos de projeto para amplificadores logarítmicos para medição de potência de RF

　　Um amplificador logarítmico (comumente chamado de amplificador logarítmico, às vezes chamado de detector logarítmico) é um componente analógico usado em circuitos de RF e interfaces eletro-ópticas. Sua função de transferência é conceitualmente simples: a tensão ou corrente de saída é proporcional ao logaritmo da tensão ou corrente de entrada (Figura 1). Ele alcança essa relação de entrada/saída dentro de uma faixa de entrada de 60 a 80 decibéis (tipicamente), mas em alguns casos pode chegar a 120 dB; Alguns amplificadores logarítmicos chegam até a atingir uma faixa dinâmica de 160 dB. Embora seja chamado de "amplificador", não é um "amplificador" no sentido convencional; Na verdade, é um conversor linear para logarítmico.

　　Figura 1: Amplificador ou conversor logarítmico gera sinais de corrente ou tensão de saída (eixo Y), proporcionais ao sinal logaritmo ou de tensão da corrente de entrada (eixo X); Note que para entradas iguais ou abaixo de zero, ela é indefinida, embora amplificadores logarítmicos tenham métodos que limitam isso.

　　Dada a importância dada aos componentes, colocar deliberadamente componentes não lineares no sistema pode ter efeito contrário. Contorno elétrico e baixa distorção em uma ampla faixa. Amplificadores logarítmicos fazem parte do projeto, mas geralmente não estão diretamente na cadeia de sinal. Em circuitos RF, geralmente faz parte do controle em malha fechada, que ajusta o ganho do canal receptor por meio do controle automático de ganho (AGC), mantém um nível de sinal quase constante (RSSI) no canal medindo a intensidade do sinal de entrada em uma ampla faixa (RSSI — Indicador de Intensidade do Sinal Recebido), Figura 2, e controla a potência transmitida. Em circuitos ópticos, ele é usado para monitorar a corrente do diodo laser e ajustar suas variações de acordo com a temperatura e outros fatores operacionais.

　　Figura 2: Como mostrado no diagrama de blocos de um receptor FM, amplificadores logarítmicos são tipicamente usados no circuito de realimentação AGC do receptor para manter os níveis de sinal. Embora a faixa de intensidade do sinal de entrada seja ampla, ela permanece dentro de uma faixa muito estreita.

　　Embora a função logarítmica não seja definida para parâmetros iguais ou menores que zero, o circuito real possui sinais não positivos. Portanto, os projetistas de amplificadores logarítmicos utilizam várias técnicas para resolver essa limitação. Amplificadores logarítmicos e suas aplicações são divididos em três categorias principais:

　　Amplificadores logarítmicos DC ("DC" é um pouco equívoco) são usados para sinais que mudam lentamente, até 1 MHz. É usado para controle de potência de caminhos ópticos, bem como para instrumentos médicos, químicos e biológicos.

　　Quando um certo tipo de compressão de sinal é necessário, amplificadores logarítmicos de banda base são usados em circuitos de áudio e vídeo, bem como no estágio de FI da cadeia de sinal do receptor e no caminho de processamento de sinal em circuitos ultrassônicos. Para sinais de entrada positivo ou negativo, possui uma saída simétrica, com a saída positiva para entrada positiva e negativa para entrada negativa.

　　Um amplificador logarítmico demodulado comprime e demodula sinais RF, com sua saída sendo o logaritmo do envelope do sinal retificador. Esse amplificador logarítmico é usado em aplicações de transceptores de RF, onde a intensidade do sinal de RF recebida é usada para controlar a potência de saída do transmissor. A saída é baseada no valor absoluto da entrada; seja a entrada positiva ou negativa, ela é positiva.

　　[Nota: O amplificador logarítmico é diferente de outro amplificador analógico não linear, o amplificador limitador. Esse dispositivo às vezes é chamado de amplificador clipper e é linear na maior parte de seu alcance. No entanto, quando a entrada se aproxima do máximo positivo ou negativo, o ganho do amplificador começa a diminuir e se tornar limitado. Portanto, esse amplificador "limita suavemente" e atinge a saída máxima de forma relativamente elegante, em vez de simplesmente saturar a saída intensamente — o que causa distorção severa e pode levar um tempo relativamente longo para o amplificador se recuperar. Quando a entrada retorna à faixa normal, a saída também retorna rapidamente ao modo linear. ] Projeto de amplificador logarítmico

　　O núcleo de um amplificador logarítmico é baseado na conhecida relação logarítmica entre corrente através da junção do diodo PN e tensão (Figura 3 à esquerda), e é usado em combinação com amplificadores operacionais em circuitos reais (Figura 3 à direita). Partindo desse princípio físico básico, amplificadores logarítmicos utilizam muitas topologias e configurações, cada uma oferecendo compensações entre vários atributos de desempenho e prioridades necessárias para precisão e largura de banda. Embora detalhes internos possam não estar diretamente relacionados aos usuários de amplificadores logarítmicos, eles afetam a correspondência entre o amplificador logarítmico e a aplicação. Amplificadores logarítmicos que fornecem funções de transferência de alta precisão — recursos necessários para certas aplicações, mas não exigidos em outras — são comumente chamados de amplificadores logarítmicos "linear dB".

　　Figura 3: A conhecida relação corrente-tensão dos diodos forma a base de quase todos os projetos de amplificadores logarítmicos (à esquerda); Para aproveitar essa relação de diodo, ele é colocado no circuito de realimentação do projeto operacional básico do amplificador operacional (à direita).

　　Para aplicações de RF, amplificadores logarítmicos de compressão contínua utilizam amplificação de múltiplos estágios e limitação progressiva para formar aproximações logarítmicas segmentais. Eles incluem um retificador (detector), cada um com 5 a 10 estágios de baixo ganho (cada um de 8 dB a 12 dB), cujas saídas são somadas para gerar uma tensão de filtro, que é uma medição média de potência em nível de decibéis acima de 100 dB. Outras aplicações de RF usam projetos de ganho exponencial, com uma faixa de ganho mais estreita (cerca de 60 dB), mas maior precisão; Normalmente inclui um detector cuja saída filtrada torna o detector um dispositivo de lei quadrada, com a saída sendo o valor equivalente em potência (RMS) do sinal aplicado.

　　Amplificadores logarítmicos para aplicações ópticas geralmente estão no "estágio DC" porque medem as variações relativamente lentas de corrente relacionadas à potência óptica para controlar a corrente no diodo laser ou o ganho do amplificador de modo óptico. Eles podem precisar completar esse trabalho na faixa de cerca de alguns pin-ampere a alguns miliamperes, totalizando noventa anos (intervalo de 10 9:1).

　　Especificações do amplificador logarítmico

　　A implementação física de um amplificador logarítmico pode ser um circuito integrado (CI) ou um módulo composto por um único chip e componentes discretos. A versão de CI é menor, mais barata, tem menor consumo de energia e oferece outras vantagens, além de oferecer excelente desempenho. Eles geralmente são a primeira escolha. Quando uma única tecnologia de processo de CI ou CI individual não consegue atender totalmente a todos os parâmetros necessários da aplicação (como ruído, largura de banda ou faixa de temperatura), são usadas estruturas híbridas.

　　Amplificadores logarítmicos possuem especificações semelhantes às dos amplificadores tradicionais não logarítmicos, além de algumas especificações únicas devido à natureza do dispositivo. Além disso, diferentes fornecedores podem ter definições legais distintas para certos parâmetros, por isso é crucial verificar informações detalhadas e condições de teste na ficha técnica. Os principais fatores incluem:

　　- Faixa dinâmica ao longo de décadas: geralmente medida em dB, com a maioria dos casos variando de 60 dB a 120 dB (ou mais). Em todos os casos, uma ampla gama pode não ser necessária, e implementá-la pode reduzir os compromissos em outras especificações chave.

　　- Largura de banda: Para as aplicações RF atuais, normalmente é uma faixa de um dígito em GHz, mas alguns dispositivos avançados podem atingir dezenas de GHz.

　　- Precisão: Está perfeitamente em conformidade com a função de transferência linear/logarítmica. Geralmente varia entre 0,1% e 1%, mas também pode variar dependendo de sua posição dentro da faixa de entrada da medição.

　　- Sensibilidade: o menor valor de sinal que um amplificador logarítmico pode processar; Normalmente, varia de 1 nA ou 1 μV, mas pode ser menor; Geralmente é especificado em dBm, tipicamente 50Ω.

　　- Deslocamento: A saída do amplificador logarítmico quando a entrada está em seu mínimo (não em 0, já que logaritarítmica 0 não é definido).

　　- Referências fixas ou ajustáveis: Alguns amplificadores logarítmicos possuem fatores de escala fixos, como 0,25 V/dez vezes (ou 10 mA/dez vezes); Outras referências permitem que os usuários forneçam para determinar o fator proporcional. O fator de escala pode ser ajustado em relação a dB ou decimal, por exemplo, 20 mV/dB ou 400 mV/década.

　　- Entrada e saída unipolar e bipolar: O logaritmo dos números negativos é indefinido, mas muitos sinais do mundo real são sinais bipolares com valores negativos; Para superar essa limitação, amplificadores logarítmicos de banda base e demodulação utilizam técnicas de deslocamento, quadrado ou outras para permitir entradas abaixo de 0 V.

　　As duas questões mais desafiadoras com amplificadores logarítmicos são o ruído e os coeficientes de temperatura. Como amplificadores logarítmicos são usados há décadas, eles podem lidar com sinais na faixa de μV, nV e até pV (ou μA, nA ou pA). No entanto, se o nível do sinal for muito baixo, o ruído interno do amplificador logarítmico pode exceder o sinal. Para muitas aplicações de RF, felizmente, desde que a densidade espectral do ruído seja baixa o suficiente (geralmente na ordem de nV/√Hz), baixo ruído não é tão importante quanto alcance e largura de banda.

　　A Tempco oferece os parâmetros mais desafiadores para projetistas e usuários de amplificadores logarítmicos. Como o núcleo de um amplificador logarítmico se comporta com base na junção semicondutora, ele inevitavelmente muda com a temperatura. Projetistas de amplificadores logarítmicos utilizam várias técnicas de projeto para cancelar, compensar, ajustar ou minimizar o coeficiente de temperatura, mas isso continua sendo um fator que afeta o desempenho geral. Como muitos componentes analógicos, amplificadores logarítmicos oferecem especificações detalhadas adequadas para faixas de temperatura comerciais, industriais e até militares padrão.

　　O exemplo de um amplificador logarítmico mostra a faixa de especificação

　　Muitos fornecedores de circuitos integrados analógicos e mistos oferecem amplificadores logarítmicos. Os fabricantes normalmente fornecem uma visão geral das curvas de consistência de erro, bem como curvas detalhadas mostrando frequências específicas em cada frequência, bem como consistência em baixas, nominais e altas temperaturas.

　　Por exemplo, o AD8318 do ADI é um amplificador logarítmico de demodulação que utiliza tecnologia de compressão progressiva em uma cadeia de amplificadores em cascata, com cada estágio equipado com uma unidade detectora (Figura 4). Ele fornece consistência logarítmica precisa para sinais de 1 MHz a 6 GHz e oferece operações úteis em 8 GHz. A faixa de entrada é tipicamente de 60 dB (impedância de entrada é 50Ω), com erro menor que ±1 dB (Figura 5) e estabilidade de temperatura de ±0,5 dB. Dispositivos de 4 mm × 4 mm, de 16 pinos, têm faixa de temperatura nominal de -40°C a +85°C, alimentados por uma única fonte de alimentação de 5 V.

　　Figura 4: O amplificador logarítmico AD8318 da ADI utiliza cadeias de amplificadores em cascata e tecnologia de compressão progressiva, fornecendo consistência logarítmica precisa para sinais de 1 MHz a 6 GHz, operando na frequência de 8 GHz.

　　Figura 5: Um dos muitos gráficos detalhados de desempenho fornecidos pelo fornecedor para amplificadores logarítmicos, comparando a tensão de saída VOUT do AD8318 (quase uma linha descendente reta) e a consistência logarítmica (a linha "swing"). A amplitude de entrada de 8 GHz também mostra desempenho de +25°C (preto), -40°C (azul) e +85°C (vermelho).

　　A Lingliert oferece o LT5537, um detector de RF/IF de ampla faixa dinâmica que opera na faixa de frequência de 10 MHz a 1 GHz (Figura 6). A 200 MHz, sua faixa dinâmica é de 90 dB, com ±3 dB não linear (entrada de 50Ω), conforme mostrado na Figura 7. A inclinação da tensão de saída do geofone é de 20 mV/dB (valor nominal), o coeficiente de temperatura é de 0,01 dB/°C e C é de 200 MHz (valor típico). A sensibilidade também é medida em 200 MHz, pelo menos -76 dBm. Utiliza uma única fonte de alimentação variando de 2,7 V a 5,25 V, com embalagem de 8 pinos em encapsulamentos de 3 mm × 2 mm.

　　Figura 6: LT5537 fornece uma relação logarítmica entre entrada e saída; O sinal de entrada é amplificado por uma série de estágios limitadores do amplificador; Uma série de unidades detectoras retifica o sinal e gera uma corrente de saída linearmente relacionada à potência de entrada.

　　Figura 7: Esta é uma visão geral ampla da relação entre tensão de saída, erro de linearidade e potência de entrada. A 200 MHz e três temperaturas, o LT5537 de Lingliert é complementado por uma riqueza de diagramas de desempenho mais detalhados.

　　O terceiro exemplo é MAX4003 da Maxim Integrated. Seu amplificador logarítmico de baixa potência MAX4003 é projetado para detectar os níveis de potência de amplificadores de potência de RF (PAs) operando na faixa de frequência de 100 MHz a 2500 MHz (Figura 8). Este amplificador logarítmico possui uma faixa dinâmica típica de 45 dB, adequado para aplicações sem fio, incluindo controle de PA celular, controle de intensidade de sinal do transmissor para dispositivos terminais sem fio e outras medições de potência do transmissor.

　　Figura 8: O amplificador logarítmico MAX4003 de Maxim é um componente de baixa potência que varia de 100 MHz a 2500 MHz, com um alcance de 45 dB; Inclui quatro estágios amplificadores/limitadores de 10 dB, cada um com ganho de sinal pequeno de 10 dB; A saída de cada estágio amplificador/limitador é aplicada ao retificador de onda completa, e o estágio do detector também está localizado antes do primeiro estágio, com um total de cinco detectores.

　　Este dispositivo de medição de tensão é adequado para uma faixa típica de sinal de -58 dBV a -13 dBV, utilizando vários pequenos pacotes, incluindo estágio de chip de 8 bolas, μMAX e pacotes QFN finos. Os fornecedores fornecem gráficos avançados de consistência para diferentes frequências (Figura 9), bem como diagramas de consistência mais detalhados para cada frequência referenciada, incluindo temperatura e até mesmo tipo de embalagem. O dispositivo requer 5,9 mA (fonte de alimentação de 3,0 V) e apenas 13μA quando está desligado. Ele alcança estabilidade térmica em toda a faixa de temperatura, de -40°C a +85°C.

　　Figura 9: A embalagem também afeta o desempenho. Como mostrado na folha técnica do Maxim MAX4003, a consistência VOUT e logarítmica em comparação com a potência de entrada em 2,5 GHz utilizam um encapsulamento μMAX de 8 pinos (à esquerda) e seu encapsulamento de 8 bolas de solda em nível de bola UCSP Shangtai (à direita).

　　Resumo

　　Embora tenham especificações mais complexas e finas do que os amplificadores lineares tradicionais, amplificadores logarítmicos desempenham um papel fundamental em sistemas de RF e ópticos. Amplificadores logarítmicos com resposta em faixa de GHz gerenciam o ganho frontal e a potência transmitida do receptor, enquanto amplificadores logarítmicos de baixa frequência medem a corrente através do diodo laser no enlace de fibra óptica.

　　Existem muitas maneiras de construir amplificadores logarítmicos, a maioria baseada na função única de transferência de tensão/corrente logarítmica do diodo. No entanto, amplificadores logarítmicos completos práticos são muito mais complexos do que diodos independentes e precisam ser adaptados e balanceados com especificações para faixa dinâmica, largura de banda, deriva de temperatura, ruído e outros parâmetros de desempenho. Os amplificadores logarítmicos do tipo CI atuais entregam excelente desempenho em pacotes compactos, de baixo consumo e de baixo custo. Somente em casos relativamente especializados amplificadores logarítmicos híbridos multi-chip serão cada vez mais necessários.