Он может соответствовать требованиям по проекту логарифмических усилителей для измерения мощности РЧ

　　Логарифмический усилитель (обычно называемый логарифмическим усилителем, иногда называемый логарифмическим детектором) — это аналоговый компонент, используемый в радиочастотных схемах и электрооптических интерфейсах. Её передаточная функция концептуально проста: выходное напряжение или ток пропорциональны логарифму входного напряжения или тока (см. рисунок 1). Он достигает такого входно-выходного соотношения в пределах входного диапазона от 60 до 80 децибел (обычно), но в некоторых случаях диапазон может достигать 120 дБ; Некоторые логарифмические усилители даже достигают динамического диапазона 160 дБ. Хотя его называют «усилителем», он не является «усилителем» в традиционном смысле; На самом деле это линейно-логарифмический преобразователь.

　　Рисунок 1: Логарифмический усилитель или преобразователь генерирует выходные сигналы тока или напряжения (ось Y), пропорциональные логарифму или сигналу напряжения входного тока (ось X); Обратите внимание, что для входов, равных нулю или ниже, он не определён, хотя логарифмические усилители имеют методы, ограничивающие это.

　　Учитывая важное значение компонентов, преднамеренное размещение нелинейных компонентов в системе может обернуться против них. Электрическая контурность и низкие искажения в широком диапазоне. Логарифмические усилители входят в конструкцию, но обычно они не находятся непосредственно в цепочке сигнала. В радиочастотных цепях он обычно является частью замкнутого контура, который регулирует усиление приёмного канала с помощью автоматического контроля усиления (AGC), поддерживает почти постоянный уровень сигнала (RSSI) в канале, измеряя силу входного сигнала в широком диапазоне (RSSI — индикатор силы принятого сигнала), см. рисунок 2, и регулирует передаваемую мощность. В оптических схемах он используется для мониторинга тока лазерного диода и регулировки его изменений в зависимости от температуры и других рабочих факторов.

　　Рисунок 2: Как показано на блочной схеме FM-приёмника, логарифмические усилители обычно используются в петле обратной связи AGC приёмника для поддержания уровня сигнала. Хотя диапазон мощности входного сигнала широк, он остаётся в очень узком диапазоне.

　　Хотя логарифмическая функция не определяется для параметров, равных или меньше нуля, в самой схеме есть неположительные сигналы. Поэтому конструкторы логарифмических усилителей используют различные методы для решения этого ограничения. Логарифмические усилители и их применение делятся на три основные категории:

　　Логарифмические усилители постоянного тока («DC» немного неверно) используются для медленно меняющихся сигналов до 1 МГц. Он используется для управления оптическим питанием, а также для медицинских, химических и биологических приборов.

　　Когда требуется определённый тип сжатия сигнала, в аудио- и видеосхемах применяются усилители с базовым полосным логарифмом, а также в IF-стадии цепи сигналов приёмника и на пути обработки сигнала в ультразвуковых схемах. Для положительных или отрицательных входных сигналов он имеет симметричный выход, при этом выход положительный для положительного входа и отрицательный вход.

　　Демодулированный логарифмический усилитель сжимает и демодулирует радиочастотные сигналы, при этом его выход является логарифмом огибающей сигнала выпрямляющего. Этот логарифмический усилитель используется в радиочастотных трансиверах, где сила принятого РЧ-сигнала используется для управления выходной мощностью передатчика. Выход основан на абсолютном значении входа; независимо от того, положительный или отрицательный вход — он положительный.

　　[Примечание: логарифмический усилитель отличается от другого нелинейного аналогового усилителя — предельного усилителя. Это устройство иногда называют клиппер-усилителем и на большей части своего диапазона является линейным. Однако, когда вход приближается к положительному или отрицательному максимуму, усиление усилителя начинает уменьшаться и становиться ограниченным. Таким образом, этот усилитель «мягко ограничивает» и относительно элегантно достигает максимального выхода, а не просто сильно насыщает выход — что вызывает сильные искажения и может занять относительно много времени на восстановление усилителя. Когда вход возвращается в нормальный диапазон, выход также быстро возвращается в линейный режим. ] Проектирование логарифмического усилителя

　　Ядро логарифмического усилителя основано на хорошо известном логарифмическом соотношении между током, проходящим через диодный PN-переход и напряжением (см. рисунок 3 слева), и используется в сочетании с операционными усилителями в реальных схемах (рисунок 3 справа). Исходя из этого базового физического принципа, логарифмические усилители используют множество топологий и конфигураций, каждая из которых предлагает компромиссы между различными характеристиками производительности и приоритетами, необходимыми для точности и пропускной способности. Хотя внутренние детали могут быть напрямую не связаны с пользователями логарифмических усилителей, они влияют на соответствие логарифмического усилителя с приложением. Логарифмические усилители, обеспечивающие высокоточные передаточные функции — характеристики, необходимые для определённых приложений, но не обязательные для других, — обычно называют «линейными дБ» логарифмическими усилителями.

　　Рисунок 3: Хорошо известная связь тока и напряжения диодов лежит в основе почти всех конструкций логарифмических усилителей (слева); Чтобы использовать эту диодную связь, она помещается в обратную связь базовой конструкции операционного усилителя (справа).

　　Для радиочастотных приложений логарифмические усилители с непрерывным сжатием используют многоступенчатое усиление и постепенное ограничение для формирования сегментных логарифмических приближений. Среди них — выпрямитель (детектор), каждый из которых содержит от 5 до 10 каскадов низкого усиления (каждый от 8 дБ до 12 дБ), выходы которых суммируются для генерации напряжения фильтра — среднего измерения мощности на уровне децибел выше 100 дБ. Другие радиочастотные приложения используют экспоненциальное усиление с более узким диапазоном усиления (около 60 дБ), но с более высокой точностью; Обычно он включает детектор, фильтрованный выход которого делает детектор квадратным законом, а выход — эквивалент мощности (RMS) приложенного сигнала.

　　Логарифмические усилители для оптических приложений обычно находятся на «постоянном токе», поскольку они измеряют относительно медленные изменения тока, связанные с оптической мощностью, для управления током в лазерном диоде или усилением усилителя оптического режима. Возможно, им потребуется выполнить эту работу в диапазоне от нескольких пин-ампер до нескольких миллиампер, всего девяносто лет (диапазон 10 9:1).

　　Характеристики логарифмического усилителя

　　Физическая реализация логарифмического усилителя может представлять собой интегральную схему (ИС) или модуль, состоящий из одного чипа и отдельных компонентов. Версия с ИС меньше, дешевле, имеет меньшее энергопотребление и обладает другими преимуществами, а также обеспечивает отличную производительность. Обычно они — первый выбор. Когда одна технологическая технология или отдельная ИС не может полностью соответствовать всем необходимым параметрам применения (таким как шум, полоса пропускания или температурный диапазон), используются гибридные структуры.

　　Логарифмические усилители имеют характеристики, схожие с традиционными нелогарифмическими усилителями, а также некоторые уникальные характеристики, обусловленные особенностями устройства. Кроме того, разные поставщики могут иметь юридически разные определения для определённых параметров, поэтому крайне важно проверять подробную информацию и условия тестирования в техническом листе. Основные факторы включают:

　　- Динамический диапазон на протяжении десятилетий: обычно измеряется в дБ, в большинстве случаев диапазон от 60 дБ до 120 дБ (и выше). Во всех случаях широкий диапазон может не потребоваться, и его реализация может снизить компромиссы в других ключевых спецификациях.

　　- Пропускная способность: Для современных радиочастотных приложений это обычно однозначный диапазон ГГц, но некоторые продвинутые устройства могут достигать десятков ГГц.

　　- Точность: Идеально соответствует линейной/логарифмической передаточной функции. Обычно он колеблется от 0,1% до 1%, но также может варьироваться в зависимости от положения в диапазоне входных измерений.

　　- Чувствительность: минимальное значение сигнала, которое может обработать логарифмический усилитель; Обычно он варьируется от 1 nA до 1 μV, но может быть и ниже; Обычно он указывается в дБм, обычно 50Ω.

　　- Смещение: выход логарифмического усилителя, когда вход достиг минимума (не 0, так как log 0 не определен).

　　- Фиксированные или регулируемые референсы: некоторые логарифмические усилители имеют фиксированные коэффициенты масштабирования, такие как 0,25 В/десять раз (или 10 мА/десять); Другие ссылки позволяют пользователям указывать пропорциональный множитель. Коэффициент масштаба можно корректировать относительно дБ или десятичной, например, 20 мВ/дБ или 400 мВ/декада.

　　- Однополярный и биполярный вход и выход: логарифм отрицательных чисел не определён, но многие реальные сигналы являются биполярными с отрицательными значениями; Для преодоления этого ограничения логарифмические усилители с базовой полосой и демодуляцией используют смещенные, квадратные или другие методы, позволяющие использовать входы ниже 0 В.

　　Две самые сложные проблемы логарифмических усилителей — это коэффициенты шума и температуры. Поскольку логарифмические усилители используются уже десятилетиями, они могут обрабатывать сигналы в диапазоне μV, nV и даже pV (μA, nA или pA). Однако если уровень сигнала очень низкий, внутренний шум логарифмического усилителя может превысить сигнал. Для многих радиочастотных приложений, к счастью, при условии, что плотность спектра шума достаточно низкая (обычно порядка nV/√Hz), низкий шум не так важен, как дальность и полоса пропускания.

　　Tempco предлагает самые сложные параметры для разработчиков и пользователей логарифмических усилителей. Поскольку ядро логарифмического усилителя ведёт себя в зависимости от полупроводникового перехода, оно неизбежно меняется с температурой. Проектировщики логарифмических усилителей используют различные методы проектирования для отмены, компенсации, обрезания или минимизации температурного коэффициента, но это всё равно влияет на общую производительность. Как и многие аналоговые компоненты, логарифмические усилители предлагают подробные характеристики, подходящие для стандартных коммерческих, промышленных и даже военных температурных диапазонов.

　　Пример логарифмического усилителя показывает диапазон спецификаций

　　Многие поставщики аналоговых и смешанных сигналов предлагают логарифмические усилители. Производители обычно предоставляют обзор кривых согласованности ошибок, а также подробные кривые, показывающие конкретные частоты на каждой частоте, а также согласованность при низких, номинальных и высоких температурах.

　　Например, AD8318 ADI — это логарифмический усилитель демодуляции, использующий технологию прогрессивного сжатия на каскадной цепочке усилителей, при этом каждая ступень оснащена детектором (см. рисунок 4). Он обеспечивает точную логарифмическую согласованность для сигналов от 1 МГц до 6 ГГц и обеспечивает полезные операции на 8 ГГц. Входной диапазон обычно составляет 60 дБ (входное сопротивление 50 Ом), с ошибкой менее ±1 дБ (рисунок 5), а температурная стабильность — ±0,5 дБ. 4 мм × 4 мм 16-контактные устройства имеют номинальный температурный диапазон от -40°C до +85°C, питаются от одного блока питания 5 В.

　　Рисунок 4: Логарифмический усилитель AD8318 ADI использует каскадные цепочки усилителя и технологию прогрессивного сжатия, обеспечивая точную логическую согласованность сигналов от 1 МГц до 6 ГГц и работая на частоте 8 ГГц.

　　Рисунок 5: Одна из многих подробных таблиц производительности, предоставленных поставщиком логарифмических усилителей, сравнивающих выходное напряжение AD8318 VOUT (почти прямая нижняя линия) и лог-согласованность (линия «свинг»). Амплитуда входа 8 ГГц также показывает производительность +25°C (чёрный), -40°C (синий) и +85°C (красный).

　　Lingliert предлагает LT5537 — детектор широкого динамического диапазона RF/IF, работающий в диапазоне частот от 10 МГц до 1 ГГц (см. рисунок 6). При частоте 200 МГц его динамический диапазон составляет 90 дБ, при этом ±3 дБ нелинейные (вход 50Ом), как показано на рисунке 7. Наклон выходного напряжения геофона — 20 мВ/дБ (номинальное значение), температурный коэффициент — 0,01 дБ/°C, C — 200 МГц (типичное значение). Чувствительность также измеряется на 200 МГц, не менее -76 дБм. Он использует один блок питания от 2,7 В до 5,25 В, с 8-контактной упаковкой в корпусах 3 мм × 2 мм.

　　Рисунок 6: LT5537 предоставляет логарифмично-линейную связь между входом и выходом; Входной сигнал усиливается серией ограничительных каскадов усилителя; Серия детекторных блоков выпрямляет сигнал и генерирует выходной ток, линейно пропорциональный входной мощности.

　　Рисунок 7: Это общий обзор взаимосвязи между выходным напряжением, ошибкой линейности и входной мощностью. При 200 МГц и при трёх температурах LT5537 Линглиерта дополняется множеством более подробных диаграмм производительности.

　　Третий пример — MAX4003 из Maxim Integrated. Их MAX4003 низкомощный логарифмический усилитель предназначен для обнаружения уровней мощности радиочастотных усилителей мощности (PA), работающих в диапазоне частот от 100 МГц до 2500 МГц (см. рисунок 8). Этот логарифмический усилитель имеет типичный динамический диапазон 45 дБ, подходящий для беспроводных приложений, включая управление сотовой PA, управление силой сигнала передатчика для беспроводных терминалов и другие измерения мощности передатчика.

　　Рисунок 8: Логарифмический усилитель MAX4003 Максима — это маломощный компонент в диапазоне от 100 МГц до 2500 МГц с диапазоном 45 дБ; Он включает четыре усилителя/ограничителя по 10 дБ, каждый с коэффициентом усиления малого сигнала 10 дБ; Выход каждого усилителя/ограничителя подаётся на полноволновый выпрямитель, а детекторная ступень также расположена перед первой ступенью, всего пять детекторов.

　　Это устройство для измерения напряжения подходит для типичного диапазона сигналов от -58 дБВ до -13 дБВ, используя различные небольшие корпуса, включая 8-шариковую ступень чипов, μMAX и тонкие корпуса QFN. Поставщики предоставляют расширенные обзорные диаграммы согласованности для различных частот (рисунок 9), а также более подробные диаграммы согласованности для каждой указанной частоты, включая температуру и даже тип упаковки. Устройство требует 5,9 мА (блок питания 3,0 В) и только 13 мкА, когда устройство выключено. Он достигает температурной стабильности во всем рабочем диапазоне — от -40°C до +85°C.

　　Рисунок 9: Упаковка также влияет на производительность. Как показано в техническом описании Maxim MAX4003, VOUT и логарифмическая согласованность по сравнению с входной мощностью на 2,5 ГГц используют 8-контактный μMAX корпус (слева) и 8-шаровый паяльный пакет UCSP Shangtai (справа).

　　Краткое содержание

　　Хотя они имеют более сложные и тонкие характеристики, чем традиционные линейные усилители, логарифмические усилители играют ключевую роль в радиочастотных и оптических системах. Логарифмические усилители с откликом в диапазоне ГГц управляют передним усилением и передаваемой мощностью приёмника, тогда как низкочастотные логарифмические усилители измеряют ток через лазерный диод в волоконно-оптической линии.

　　Существует множество способов создания логарифмических усилителей, большинство из которых основаны на уникальной логарифмической передаче напряжения/тока диода. Однако практические полные логарифмические усилители гораздо сложнее, чем автономные диоды, и должны быть адаптированы и сбалансированы с учётом спецификаций по динамическому диапазону, полосе пропускания, дрейфу температуры, шуму и другим параметрам производительности. Современные логарифмические усилители типа IC обеспечивают отличную производительность в компактных, энергозатратных и недорогих корпусах. Только в довольно специализированных случаях гибридные многочиповые логарифмические усилители будут всё чаще необходимы.