RF güç ölçümü için logaritmik amplifikatörlerin tasarım gereksinimlerini karşılayabilir

　　Logaritmik amplifikatör (genellikle logaritmik amplifikatör olarak adlandırılır, bazen logaritmik dedektör olarak da adlandırılır), RF devrelerinde ve elektro-optik arayüzlerde kullanılan analog bir bileşendir. Transfer fonksiyonu kavramsal olarak basittir: çıkış voltajı veya akım, giriş voltajı veya akımının logaritmasına orantılıdır (Şekil 1). Bu giriş/çıkış ilişkisini genellikle 60 ila 80 desibel aralığında elde eder, ancak bazı durumlarda 120 dB kadar geniş olabilir; Bazı logaritmik amplifikatörler hatta 160 dB dinamik aralığa ulaşır. "Amplifikatör" olarak adlandırılsa da, geleneksel anlamda "amplifikatör" değildir; Aslında doğrusaldan logaritmik bir dönüştürücüdür.

　　Şekil 1: Logaritmik amplifikatör veya dönüştürücü, giriş akımının logaritması veya gerilim sinyali (X-ekseni) orantılı olarak çıkış akımı veya gerilim sinyalleri (Y ekseni) üretir; Sıfıra eşit veya altında olan girişler için tanımsız olduğunu unutmayın, ancak logaritmik amplifikatörlerin bunu sınırlayan yöntemleri vardır.

　　Bileşenlere verilen önem göz önüne alındığında, sisteme kasıtlı olarak doğrusal olmayan bileşenlerin yerleştirilmesi ters tepebilir. Elektriksel kontur ve geniş bir aralıkta düşük bozulma. Logaritmik amplifikatörler tasarımın bir parçasıdır, ancak genellikle doğrudan sinyal zincirinde yer almazlar. RF devrelerinde, genellikle kapalı döngü kontrolünün bir parçasıdır; alıcı kanalın kazancını otomatik kazanç kontrolü (AGC) ile ayarlar, giriş sinyal gücünü geniş bir aralıkta ölçerek kanalda neredeyse sabit sinyal seviyesini (RSSI) korur (RSSI), Şekil 2, ve iletilen gücü kontrol eder. Optik devrelerde, lazer diyotun akımını izlemek ve sıcaklık ile diğer operasyonel faktörlere göre değişikliklerini ayarlamak için kullanılır.

　　Şekil 2: FM alıcısının blok diyagramında gösterildiği gibi, logaritmik amplifikatorlar genellikle alıcının AGC geri besleme döngüsünde sinyal seviyelerini korumak için kullanılır. Giriş sinyal güç aralığı geniş olsa da, çok dar bir aralık içinde kalır.

　　Logaritmik fonksiyon sıfıra eşit veya daha küçük parametreler için tanımlanmamış olsa da, gerçek devre pozitif olmayan sinyallere sahiptir. Bu nedenle, logaritmik amplifikatör tasarımcıları bu sınırlamayı ele almak için çeşitli teknikler kullanır. Logaritmik amplifikatörler ve uygulamaları üç ana kategoriye ayrılır:

　　DC logaritmik amplifikatörler ("DC" biraz yanlış bir isimdir) sinyalleri yavaş değiştirmek için kullanılır, 1 MHz'e kadar. Optik yol güç kontrolü ile tıbbi, kimyasal ve biyolojik aletlerde kullanılır.

　　Belirli bir sinyal sıkıştırma türü gerektiğinde, temel bant logaritmik amplifikatorlar ses ve video devrelerinde, alıcı sinyal zincirinin IF aşamasında ve ultrasonik devrelerdeki sinyal işleme yolunda kullanılır. Pozitif veya negatif giriş sinyalleri için simetrik bir çıkış vardır; çıktı pozitif girdi, negatif giriş için negatif.

　　Demodüle edilmiş logaritmik amplifikatörü, RF sinyallerini sıkıştırır ve demodüle eder; çıkışı ise doğrultucu sinyal zarfının logaritmasıdır. Bu logaritmik amplifikatör, alınan RF sinyal gücünün vericinin çıkış gücünü kontrol etmek için kullanıldığı RF verici verici uygulamalarında kullanılır. Çıktı, girdinin mutlak değerine bağlıdır; girdi pozitif ya da negatif olursa olsun, pozitiftir.

　　[Not: Logaritmik amplifikatör, başka bir doğrusal olmayan analog amplifikatordan, yani sınırlayıcı amplifikatordan farklıdır. Bu cihaz bazen klipper amplifikatörü olarak adlandırılır ve menzilinin çoğu doğrusal olarak kullanılabilir. Ancak, giriş pozitif veya negatif maksimuma yaklaştığında, amplifikatör kazancı azalmaya ve sınırlı hale gelir. Bu nedenle, bu amplifikatör "yumuşakça sınırlar" ve nispeten zarif bir şekilde maksimum çıkışa ulaşır; sadece çıkışı sert doygunlaştırmak yerine—bu da ciddi bozulmaya yol açar ve amplifikatörün toparlanması nispeten uzun sürebilir. Giriş normal aralığa döndüğünde, çıkış da hızla doğrusal moda döner. ] Logaritmik amplifikatör tasarımı

　　Logaritmik amplifikatorun çekirdeği, diyot PN bağlantısından geçen akım ile gerilim arasındaki bilinen logaritmik ilişkiye dayanır (Şekil 3 solda) ve gerçek devrelerde operasyonel amplifikatörlerle birlikte kullanılır (sağda Şekil 3). Bu temel fiziksel ilkeden başlayarak, logaritmik amplifikatörler birçok topoloji ve yapılandırma kullanır; her biri hassasiyet ve bant genişliği için gereken çeşitli performans özellikleri ve öncelikler arasında tavans sunar. Dahili detaylar logaritmik amplifikatör kullanıcılarıyla doğrudan ilgili olmasa da, logaritmik amplifikatör ile uygulama arasındaki eşleşmeyi etkiler. Yüksek hassasiyetli aktarım fonksiyonları sağlayan logaritmik amplifikatörler—bazı uygulamalar için gerekli olan ancak diğerlerinde gerekmeyen özellikler—genellikle "lineer dB" logaritmik amplifikatörler olarak adlandırılır.

　　Şekil 3: Diyotların bilinen akım-gerilim ilişkisi, neredeyse tüm logaritmik amplifikatör tasarımlarının temelini oluşturur (solda); Bu diyot ilişkisinden faydalanmak için, temel operasyonel amplifikatör tasarımının geri besleme döngüsüne yerleştirilir (sağ).

　　RF uygulamaları için, sürekli sıkıştırma logaritmik amplifikatörler, segmental logaritmik yaklaşımlar oluşturmak için çok aşamalı amplifikasyon ve ilerici sınırlama kullanır. Bunlar arasında, her biri 5 ila 10 düşük kazançlı aşamaya (her biri 8 dB-den 12 dB'ye kadar) sahip bir doğrultucu (dedektör) bulunur; bu aşamaların çıkışları toplanarak bir filtre voltajı üretilir; bu, ortalama desibel seviyesinde 100 dB'nin üzerinde bir güç ölçümüdür. Diğer RF uygulamaları, daha dar bir kazanç aralığı (yaklaşık 60 dB) ama daha yüksek doğruluğa sahip üstel kazanç tasarımları kullanır; Genellikle filtrelenmiş çıkışı dedektörü kare yasası cihazı haline getiren bir dedektör içerir; çıkış ise uygulanan sinyalin güç eşdeğeri (RMS) değeridir.

　　Optik uygulamalar için logaritmik amplifikatörler genellikle "DC aşamasındadır" çünkü lazer diyotundaki akımı veya optik mod amplifikatörünün kazancını kontrol etmek için optik güçle ilişkili akımdaki nispeten yavaş değişimleri ölçerler. Bu çalışmayı yaklaşık birkaç pin-amper ile birkaç miliamper arasında tamamlamaları gerekebilir, toplamda doksan yıl (aralık 10 9:1).

　　Logaritmik amplifikatör özellikleri

　　Logaritmik amplifikatorun fiziksel uygulaması, entegre devre (IC) veya tek bir çip ve ayrık bileşenlerden oluşan bir modül olabilir. IC versiyonu daha küçük, daha ucuz, daha düşük güç tüketimine sahiptir ve diğer avantajlar sunarken, aynı zamanda mükemmel performans sunar. Genellikle ilk tercih onlar olur. Tek bir IC işlem teknolojisi veya bireysel IC tüm gerekli uygulama parametrelerini (gürültü, bant genişliği veya sıcaklık aralığı gibi) tam olarak karşılayamazsa, hibrit yapılar kullanılır.

　　Logaritmik amplifikatörler, geleneksel logaritmik olmayan amplifikatörlere benzer özelliklere sahiptir ve cihazın doğası gereği bazı benzersiz özelliklere sahiptir. Ayrıca, farklı satıcıların belirli parametreler için yasal olarak farklı tanımları olabilir, bu nedenle veri sayfasında detaylı bilgileri ve test koşullarını kontrol etmek çok önemlidir. En önemli faktörler şunlardır:

　　- On yıllar boyunca dinamik aralık: genellikle dB ile ölçülür, çoğu vaka 60 dB ile 120 dB (veya daha üzerinde) arasında değişir. Her durumda, geniş bir aralık gerekmeyebilir ve uygulanması diğer önemli özelliklerdeki tavizleri azaltabilir.

　　- Bant genişliği: Günümüz RF uygulamaları için bu genellikle tek haneli GHz aralığıdır, ancak bazı gelişmiş cihazlar onlarca GHz'e ulaşabilir.

　　- Doğruluk: Doğrusal/logaritmik transfer fonksiyonuna mükemmel şekilde uyumludur. Genellikle %0,1 ile %1 arasında değişir, ancak ölçüm giriş aralığındaki konumuna göre de değişebilir.

　　- Hassasiyet: logaritmik amplifikatorun işleyebildiği en düşük sinyal değeri; Genellikle, 1 nA veya 1 μV arasında değişir, ancak daha düşük olabilir; Genellikle dBm ile belirtilir, genellikle 50Ω.

　　- Ofset: Giriş minimumda olduğunda logaritmik amplifikatorun çıkışı (log 0 tanımlanmadığı için 0 değil).

　　- Sabit veya ayarlanabilir referanslar: Bazı logaritmik amplifikatörlerin sabit ölçekleme faktörleri vardır; örneğin 0.25 V/on kat (veya 10 mA/on katı); Diğer kaynaklar, kullanıcıların orantılı faktörü belirlemesini sağlar. Ölçek faktörü dB veya ondalık olarak ayarlanabilir, örneğin 20 mV/dB veya 400 mV/on yıl gibi.

　　- Tek kutuplu ve bipolar giriş ve çıkış: Negatif sayıların logaritması tanımlanmamıştır, ancak birçok gerçek sinyal negatif değerlere sahip bipolar sinyallerdir; Bu sınırlamayı aşmak için, bazbant ve demodülasyon logaritmik amplifikatorları, 0 V'un altında girişlere izin vermek için ofset, kare veya diğer teknikler kullanır.

　　Logaritmik amplifikatörlerle ilgili en zor iki sorun gürültü ve sıcaklık katsayılarıdır. Logaritmik amplifikatörler onlarca yıldır kullanıldığı için, μV, nV ve hatta pV (veya μA, nA veya pA) sinyallerini işleyebilmektedirler. Ancak, sinyal seviyesi çok düşükse, logaritmik amplifikatörün iç gürültüsü sinyali aşabilir. Neyse ki, birçok RF uygulaması için, gürültü spektral yoğunluğu yeterince düşük olduğu sürece (genellikle nV/√Hz civarında), düşük gürültü menzil ve bant genişliği kadar önemli değildir.

　　Tempco, logaritmik amplifikatör tasarımcıları ve kullanıcıları için en zorlu parametreleri sunar. Logaritmik amplifikatorun çekirdeği yarı iletken birleşimine göre davrandığı için, kaçınılmaz olarak sıcaklıkla değişir. Logaritmik amplifikatör tasarımcıları, sıcaklık katsayısını iptal etmek, telafi etmek, azaltmak veya minimize etmek için çeşitli tasarım teknikleri kullanır, ancak bu genel performansı etkileyen bir faktör olmaya devam eder. Birçok analog bileşen gibi, logaritmik amplifikatorlar standart ticari, endüstriyel ve hatta askeri sıcaklık aralıklarına uygun ayrıntılı özellikler sunar.

　　Logaritmik amplifikatör örneği, spesifikasyon aralığını gösterir

　　Birçok analog ve karışık sinyal IC tedarikçisi logaritmik amplifikatörler sunar. Üreticiler genellikle hata tutarlılığı eğrilerinin genel bir özetini sunar; ayrıca her frekansta belirli frekansları ve düşük, nominal ve yüksek sıcaklıklardaki tutarlılığı gösteren ayrıntılı eğriler sunar.

　　Örneğin, ADI'nin AD8318'i, her aşamada bir dedektör ünitesi bulunan ve her aşamada bir dedektör ünitesi bulunan bir zincirli yükseltme zinciri üzerinde ilerleyici sıkıştırma teknolojisi kullanan demodülasyon logaritmik bir amplifikatordur (Şekil 4). 1 MHz ile 6 GHz arasındaki sinyaller için doğru logaritmik tutarlılık sağlar ve 8 GHz'de faydalı işlemler sunar. Giriş aralığı genellikle 60 dB'dir (giriş empedansı 50Ω'dur), hata ±1 dB'den daha küçüktür (Şekil 5), sıcaklık kararlılığı ±0,5 dB'dir. 4 mm × 4 mm 16 pinli cihazlar, tek bir 5 V güç kaynağı ile -40°C ile +85°C arasında nominal sıcaklık aralığına sahiptir.

　　Şekil 4: ADI'nin AD8318 logaritmik amplifikatörü, zincirli amplifikatör zincirleri ve ilerici sıkıştırma teknolojisi kullanır; 1 MHz'den 6 GHz'e kadar olan sinyaller için hassas log-tutarlılık sağlar ve 8 GHz frekansında çalışır.

　　Şekil 5: Logaritmik amplifikatörler için tedarikçi tarafından sağlanan birçok ayrıntılı performans grafikinden biri; AD8318 çıkış voltajı VOUT (neredeyse düz bir alt çizgi) ile log-tutarlılığı ("salıncak" çizgisi) karşılaştırılır. 8 GHz giriş genliği ayrıca +25°C (siyah), -40°C (mavi) ve +85°C (kırmızı) performansı gösterir.

　　Lingliert, 10 MHz ile 1 GHz frekans aralığında çalışan geniş dinamik aralıklı RF/IF dedektörü olan LT5537'yi sunmaktadır (Şekil 6). 200 MHz'de dinamik aralığı 90 dB'dir ve Şekil 7'de gösterildiği gibi doğrusal olmayan (50Ω giriş) ±3 dB'dir. Jeofon çıkış voltaj eğimi 20 mV/dB (nominal değer), sıcaklık katsayısı 0.01 dB/°C ve C 200 MHz'dir (tipik değer). Hassasiyet de 200 MHz'de, en az -76 dBm'de ölçülür. 2.7 V'dan 5.25 V'a kadar değişen tek bir güç kaynağı kullanır ve 3 mm × 2 mm ambalajlarda 8 pinli ambalaj bulunur.

　　Şekil 6: LT5537, giriş ve çıkış arasında log-lineer bir ilişki sağlar; Giriş sinyali, bir dizi kısıtlayıcı amplifikatör aşaması ile güçlendirilir; Bir dizi dedektör ünitesi sinyali doğruldur ve giriş gücüne bağlı doğrusal bir çıkış akımı üretir.

　　Şekil 7: Bu, çıkış voltajı, doğrusal hata ve giriş gücü arasındaki ilişkiye genel bir genel bakış sunmaktadır. 200 MHz ve üç sıcaklıkta, Lingliert'in LT5537 modeli, daha ayrıntılı performans diyagramlarıyla desteklenmektedir.

　　Üçüncü örnek Maxim Integrated'dan MAX4003. MAX4003 düşük güçlü logaritmik amplifikatörleri, 100 MHz ile 2500 MHz frekans aralığında çalışan RF güç amplifikatörlerinin (PA) güç seviyelerini algılamak için tasarlanmıştır (Şekil 8). Bu logaritmik amplifikatörün tipik dinamik aralığı 45 dB'dir; kablosuz uygulamalar için uygundur; hücresel PA kontrolü, kablosuz terminal cihazları için verici sinyal gücü kontrolü ve diğer verici güç ölçümleri dahildir.

　　Şekil 8: Maxim'in MAX4003 logaritmik amplifikatörü, 100 MHz ile 2500 MHz arasında değişen düşük güçlü bir bileşendir ve 45 dB aralığına sahiptir; Her biri 10 dB küçük sinyal kazancına sahip dört adet 10 dB amplifikator/limiter aşaması içerir; Her amplifikatörü/sınırlayıcı aşamasının çıkışı tam dalga doğrultucuya uygulanır ve dedektör aşaması da birinci aşamanın önünde yer alır; toplamda beş dedektör bulunur.

　　Bu gerilim ölçüm cihazı, 8-ball chip stage, μMAX ve ince QFN paketleri dahil olmak üzere çeşitli küçük paketler kullanılarak -58 dBV ile -13 dBV arasındaki tipik sinyal aralığı için uygundur. Satıcılar, farklı frekanslar için gelişmiş genel tutarlılık grafikleri (Şekil 9) ve her referans frekansı için sıcaklık ve hatta paket tipi dahil olmak üzere daha ayrıntılı tutarlılık diyagramları sağlar. Cihaz 5.9 mA (3.0 V güç kaynağı) gerektirir ve cihaz kapalıyken sadece 13μA gerekir. Tüm çalışma sıcaklığı aralığında, -40°C'den +85°C'ye kadar olan tüm sıcaklık kararlılığını sağlar.

　　Şekil 9: Ambalaj da performansı etkiler. Maxim MAX4003 veri sayfasında gösterildiği gibi, VOUT ve logaritmik tutarlılık, 2.5 GHz'deki giriş gücüne kıyasla 8 pinli μMAX paketi (solda) ve 8 küreli lehim topu seviyesinde UCSP Shangtai paketi (sağda) kullanılır.

　　Özet

　　Geleneksel lineer amplifikatörlerden daha karmaşık ve ince özelliklere sahip olmalarına rağmen, logaritmik amplifikatörler RF ve optik sistemlerde önemli bir rol oynar. GHz aralığında yanıtlı logaritmik amplifikatörler, alıcının ön uç kazancını ve iletim gücünü yönetirken, düşük frekanslı logaritmik amplifikatörler fiber optik bağlantıdaki lazer diyotundan akımı ölçür.

　　Logaritmik amplifikatorlar inşa etmenin birçok yolu vardır; bunların çoğu diyotun benzersiz logaritmik gerilim/akım aktarım fonksiyonuna dayanır. Ancak, pratik tam logaritmik amplifikatörler, bağımsız diyotlardan çok daha karmaşıktır ve dinamik aralık, bant genişliği, sıcaklık kayması, gürültü ve diğer performans parametreleri için uyarlanıp dengelenmelidir. Günümüzün IC tipi logaritmik amplifikatörleri, kompakt, düşük güç ve düşük maliyetli paketlerde mükemmel performans sunar. Yalnızca oldukça özel durumlarda hibrit çoklu çipli logaritmik amplifikatörlere giderek daha fazla ihtiyaç duyulmaya başlanır.