Nó có thể đáp ứng các yêu cầu thiết kế cho bộ khuếch đại logarit để đo công suất RF

　　Bộ khuếch đại logarit (thường được gọi là bộ khuếch đại logarit, đôi khi được gọi là máy dò logarit) là một thành phần tương tự được sử dụng trong mạch RF và giao diện điện quang. Chức năng truyền của nó rất đơn giản về mặt khái niệm: điện áp hoặc dòng điện đầu ra tỷ lệ thuận với logarit của điện áp hoặc dòng điện đầu vào (Hình 1). Nó đạt được mối quan hệ đầu vào / đầu ra này trong phạm vi đầu vào từ 60 đến 80 decibel (thông thường), nhưng trong một số trường hợp, nó có thể rộng tới 120 dB; Một số bộ khuếch đại logarit thậm chí còn đạt dải động 160 dB. Mặc dù nó được gọi là "bộ khuếch đại", nhưng nó không phải là "bộ khuếch đại" theo nghĩa thông thường; Nó thực sự là một công cụ chuyển đổi tuyến tính sang logarit.

　　Hình 1: Bộ khuếch đại hoặc bộ chuyển đổi logarit tạo ra tín hiệu dòng điện hoặc điện áp đầu ra (trục Y), tỷ lệ thuận với logarit hoặc tín hiệu điện áp của dòng điện đầu vào (trục X); Lưu ý rằng đối với các đầu vào bằng hoặc dưới không, nó không được xác định, mặc dù bộ khuếch đại logarit có các phương pháp giới hạn điều này.

　　Với tầm quan trọng được đặt vào các thành phần, việc cố tình đặt các thành phần phi tuyến trong hệ thống có thể phản tác dụng. Đường viền điện và độ méo thấp trên một phạm vi rộng. Bộ khuếch đại logarit là một phần của thiết kế, nhưng chúng thường không trực tiếp trong chuỗi tín hiệu. Trong mạch RF, nó thường là một phần của điều khiển vòng kín, điều chỉnh độ lợi của kênh nhận thông qua điều khiển độ lợi tự động (AGC), duy trì mức tín hiệu gần như không đổi (RSSI) trong kênh bằng cách đo cường độ tín hiệu đầu vào trên một phạm vi rộng (RSSI — Chỉ báo cường độ tín hiệu nhận được), Hình 2 và điều khiển công suất truyền. Trong mạch quang, nó được sử dụng để theo dõi dòng điện của diode laser và điều chỉnh sự thay đổi của nó theo nhiệt độ và các yếu tố hoạt động khác.

　　Hình 2: Như thể hiện trong sơ đồ khối của máy thu FM, bộ khuếch đại logarit thường được sử dụng trong vòng phản hồi AGC của máy thu để duy trì mức tín hiệu. Mặc dù phạm vi cường độ tín hiệu đầu vào rộng, nhưng nó vẫn nằm trong một phạm vi rất hẹp.

　　Mặc dù hàm logarit không được xác định cho các tham số bằng hoặc nhỏ hơn không, nhưng mạch thực tế có tín hiệu không dương. Do đó, các nhà thiết kế bộ khuếch đại logarit sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để giải quyết hạn chế này. Bộ khuếch đại logarit và các ứng dụng của chúng được chia thành ba loại chính:

　　Bộ khuếch đại logarit DC ("DC" là một chút sai tên gọi) được sử dụng cho các tín hiệu thay đổi chậm, lên đến 1 MHz. Nó được sử dụng để kiểm soát công suất đường dẫn quang, cũng như các dụng cụ y tế, hóa học và sinh học.

　　Khi cần một loại nén tín hiệu nhất định, bộ khuếch đại logarit băng tần cơ sở được sử dụng trong mạch âm thanh và video, cũng như trong giai đoạn IF của chuỗi tín hiệu máy thu và đường xử lý tín hiệu trong mạch siêu âm. Đối với tín hiệu đầu vào dương hoặc âm, nó có đầu ra đối xứng, với đầu ra dương cho đầu vào dương và âm cho đầu vào âm.

　　Bộ khuếch đại logarit được giải điều chế nén và giải điều chế tín hiệu RF, với đầu ra của nó là logarit của vỏ tín hiệu chỉnh lưu. Bộ khuếch đại logarit này được sử dụng trong các ứng dụng thu phát RF, trong đó cường độ tín hiệu RF nhận được được sử dụng để điều khiển công suất đầu ra của máy phát. Đầu ra dựa trên giá trị tuyệt đối của đầu vào; cho dù đầu vào là dương hay âm, nó là dương.

　　[Lưu ý: Bộ khuếch đại logarit khác với một bộ khuếch đại tương tự phi tuyến khác, bộ khuếch đại giới hạn. Thiết bị này đôi khi được gọi là bộ khuếch đại tông đơ và tuyến tính trong hầu hết phạm vi của nó. Tuy nhiên, khi đầu vào tiếp cận mức cực đại dương hoặc âm, độ lợi của bộ khuếch đại bắt đầu giảm và trở nên hạn chế. Do đó, bộ khuếch đại này "giới hạn một cách nhẹ nhàng" và đạt được đầu ra tối đa một cách tương đối thanh lịch, thay vì chỉ đơn giản là bão hòa đầu ra cứng — điều này gây ra biến dạng nghiêm trọng và có thể mất một thời gian tương đối lâu để bộ khuếch đại phục hồi. Khi đầu vào trở lại phạm vi bình thường, đầu ra cũng nhanh chóng trở về chế độ tuyến tính. ] Thiết kế bộ khuếch đại logarit

　　Lõi của bộ khuếch đại logarit dựa trên mối quan hệ logarit nổi tiếng giữa dòng điện qua mối nối PN của diode và điện áp (Hình 3 bên trái), và được sử dụng kết hợp với bộ khuếch đại hoạt động trong các mạch thực tế (Hình 3 bên phải). Bắt đầu từ nguyên tắc vật lý cơ bản này, bộ khuếch đại logarit sử dụng nhiều cấu trúc liên kết và cấu hình, mỗi cấu hình cung cấp sự đánh đổi giữa các thuộc tính hiệu suất khác nhau và các ưu tiên cần thiết cho độ chính xác và băng thông. Mặc dù các chi tiết bên trong có thể không liên quan trực tiếp đến người dùng bộ khuếch đại logarit, nhưng chúng ảnh hưởng đến sự phù hợp giữa bộ khuếch đại logarit và ứng dụng. Bộ khuếch đại logarit cung cấp các chức năng truyền có độ chính xác cao — các tính năng cần thiết cho một số ứng dụng nhất định nhưng không bắt buộc trong các ứng dụng khác — thường được gọi là bộ khuếch đại logarit "dB tuyến tính".

　　Hình 3: Mối quan hệ dòng điện-điện áp nổi tiếng của điốt tạo thành nền tảng của hầu hết các thiết kế bộ khuếch đại logarit (trái); Để tận dụng lợi thế của mối quan hệ diode này, nó được đặt trong vòng phản hồi của thiết kế bộ khuếch đại hoạt động cơ bản (bên phải).

　　Đối với các ứng dụng RF, bộ khuếch đại logarit nén liên tục sử dụng khuếch đại nhiều giai đoạn và giới hạn lũy tiến để tạo thành các xấp xỉ logarit phân đoạn. Chúng bao gồm một bộ chỉnh lưu (máy dò), mỗi giai đoạn có 5 đến 10 giai đoạn khuếch đại thấp (mỗi giai đoạn 8 dB đến 12 dB), có đầu ra được tổng hợp để tạo ra điện áp bộ lọc, là phép đo công suất mức decibel trung bình trên 100 dB. Các ứng dụng RF khác sử dụng thiết kế khuếch đại theo cấp số nhân, với dải khuếch đại hẹp hơn (khoảng 60 dB) nhưng độ chính xác cao hơn; Nó thường bao gồm một máy dò có đầu ra được lọc làm cho máy dò trở thành một thiết bị định luật bình phương, với đầu ra là giá trị tương đương công suất (RMS) của tín hiệu được áp dụng.

　　Bộ khuếch đại logarit cho các ứng dụng quang học thường ở "giai đoạn DC" vì chúng đo những thay đổi tương đối chậm của dòng điện liên quan đến công suất quang để điều khiển dòng điện trong diode laser hoặc độ lợi của bộ khuếch đại chế độ quang. Họ có thể cần phải hoàn thành công việc này trong phạm vi khoảng vài pin-ampe đến vài miliampe, tổng cộng là chín mươi năm (khoảng 10 9:1).

　　Thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại logarit

　　Việc triển khai vật lý của bộ khuếch đại logarit có thể là một mạch tích hợp (IC) hoặc một mô-đun bao gồm một chip duy nhất và các thành phần rời rạc. Phiên bản IC nhỏ hơn, rẻ hơn, tiêu thụ điện năng thấp hơn và mang lại các ưu điểm khác, đồng thời mang lại hiệu suất tuyệt vời. Chúng thường là sự lựa chọn hàng đầu. Khi một công nghệ quy trình IC đơn lẻ hoặc IC riêng lẻ không thể đáp ứng đầy đủ tất cả các thông số ứng dụng cần thiết (chẳng hạn như tiếng ồn, băng thông hoặc phạm vi nhiệt độ), cấu trúc lai sẽ được sử dụng.

　　Bộ khuếch đại logarit có thông số kỹ thuật tương tự như bộ khuếch đại phi logarit truyền thống, cũng như một số thông số kỹ thuật độc đáo do tính chất của thiết bị. Ngoài ra, các nhà cung cấp khác nhau có thể có các định nghĩa khác nhau về mặt pháp lý cho các thông số nhất định, vì vậy điều quan trọng là phải kiểm tra thông tin chi tiết và điều kiện thử nghiệm trong biểu dữ liệu. Các yếu tố hàng đầu bao gồm:

　　- Dải động trong nhiều thập kỷ: thường được đo bằng dB, với hầu hết các trường hợp dao động từ 60 dB đến 120 dB (hoặc cao hơn). Trong mọi trường hợp, một phạm vi rộng có thể không cần thiết và việc thực hiện nó có thể làm giảm sự đánh đổi trong các thông số kỹ thuật chính khác.

　　- Băng thông: Đối với các ứng dụng RF ngày nay, đây thường là dải GHz một chữ số, nhưng một số thiết bị tiên tiến có thể đạt hàng chục GHz.

　　- Độ chính xác: Hoàn toàn phù hợp với hàm truyền tuyến tính / logarit. Nó thường nằm trong khoảng từ 0,1% đến 1%, nhưng cũng có thể thay đổi tùy thuộc vào vị trí của nó trong phạm vi đầu vào của phép đo.

　　- Độ nhạy: giá trị tín hiệu thấp nhất mà bộ khuếch đại logarit có thể xử lý; Thông thường, nó nằm trong khoảng từ 1 nA hoặc 1 μV, nhưng có thể thấp hơn; Nó thường được chỉ định bằng dBm, thường là 50Ω.

　　- Offset: Đầu ra của bộ khuếch đại logarit khi đầu vào ở mức tối thiểu (không phải 0, vì log 0 không được xác định).

　　- Tham chiếu cố định hoặc có thể điều chỉnh: Một số bộ khuếch đại logarit có hệ số tỷ lệ cố định, chẳng hạn như 0,25 V / mười lần (hoặc 10 mA / mười lần); Các tài liệu tham khảo khác cho phép người dùng cung cấp để xác định hệ số tỷ lệ. Hệ số tỷ lệ có thể được điều chỉnh tương đối với dB hoặc số thập phân, ví dụ:ample, 20 mV / dB hoặc 400 mV / thập kỷ.

　　- Đầu vào và đầu ra đơn cực và lưỡng cực: Logarit của số âm không được xác định, nhưng nhiều tín hiệu trong thế giới thực là tín hiệu lưỡng cực có giá trị âm; Để khắc phục hạn chế này, bộ khuếch đại logarit băng tần cơ sở và giải điều chế sử dụng các kỹ thuật bù đắp, bình phương hoặc các kỹ thuật khác để cho phép đầu vào dưới 0 V.

　　Hai vấn đề khó khăn nhất với bộ khuếch đại logarit là hệ số nhiễu và nhiệt độ. Bởi vì bộ khuếch đại logarit đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ, chúng có thể xử lý các tín hiệu trong dải μV, nV và thậm chí pV (hoặc μA, nA hoặc pA). Tuy nhiên, nếu mức tín hiệu rất thấp, nhiễu bên trong của bộ khuếch đại logarit có thể vượt quá tín hiệu. Đối với nhiều ứng dụng RF, may mắn thay, miễn là mật độ phổ nhiễu đủ thấp (thường theo thứ tự nV / √Hz), nhiễu thấp không quan trọng bằng phạm vi và băng thông.

　　Tempco cung cấp các thông số khó khăn nhất cho các nhà thiết kế và người dùng bộ khuếch đại logarit. Bởi vì lõi của bộ khuếch đại logarit hoạt động dựa trên mối nối bán dẫn, nó chắc chắn thay đổi theo nhiệt độ. Các nhà thiết kế bộ khuếch đại logarit sử dụng các kỹ thuật thiết kế khác nhau để hủy, bù, cắt hoặc giảm thiểu hệ số nhiệt độ, nhưng nó vẫn là một yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể. Giống như nhiều thành phần tương tự, bộ khuếch đại logarit cung cấp các thông số kỹ thuật chi tiết phù hợp với phạm vi nhiệt độ thương mại, công nghiệp và thậm chí cả quân sự tiêu chuẩn.

　　Ví dụ về bộ khuếch đại logarit cho thấy phạm vi thông số kỹ thuật

　　Nhiều nhà cung cấp IC tín hiệu tương tự và hỗn hợp cung cấp bộ khuếch đại logarit. Các nhà sản xuất thường cung cấp tổng quan về các đường cong nhất quán lỗi, cũng như các đường cong chi tiết hiển thị các tần số cụ thể ở mỗi tần số, cũng như tính nhất quán ở nhiệt độ thấp, danh nghĩa và cao.

　　Ví dụ, AD8318 của ADI là bộ khuếch đại logarit giải điều chế sử dụng công nghệ nén lũy tiến trên chuỗi bộ khuếch đại xếp tầng, với mỗi giai đoạn được trang bị một bộ phận dò (Hình 4). Nó cung cấp tính nhất quán logarit chính xác cho các tín hiệu từ 1 MHz đến 6 GHz và cung cấp các hoạt động hữu ích ở 8 GHz. Phạm vi đầu vào thường là 60 dB (trở kháng đầu vào là 50Ω), với sai số nhỏ hơn ±1 dB (Hình 5) và độ ổn định nhiệt độ là ±0.5 dB. Các thiết bị 4 chân 4 mm × 4 mm, 16 chân có phạm vi nhiệt độ định mức từ -40 ° C đến + 85 ° C, được cung cấp bởi một nguồn điện 5 V duy nhất.

　　Hình 4: Bộ khuếch đại logarit AD8318 của ADI sử dụng chuỗi khuếch đại xếp tầng và công nghệ nén lũy tiến, cung cấp tính nhất quán logic chính xác cho tín hiệu từ 1 MHz đến 6 GHz và hoạt động ở tần số 8 GHz.

　　Hình 5: Một trong nhiều biểu đồ hiệu suất chi tiết do nhà cung cấp cung cấp cho bộ khuếch đại logarit, so sánh điện áp đầu ra AD8318 VOUT (gần như một đường thẳng tuyến dưới) và tính nhất quán log (đường "xoay"). Biên độ đầu vào 8 GHz cũng hiển thị hiệu suất + 25 ° C (đen), -40 ° C (xanh lam) và + 85 ° C (đỏ).

　　Lingliert cung cấp LT5537, một máy dò RF / IF dải động rộng hoạt động trong dải tần từ 10 MHz đến 1 GHz (Hình 6). Ở 200 MHz, dải động của nó là 90 dB, với ±3 dB phi tuyến (đầu vào 50Ω), như thể hiện trong Hình 7. Độ dốc điện áp đầu ra geophone là 20 mV / dB (giá trị danh nghĩa), hệ số nhiệt độ là 0,01 dB / ° C và C là 200 MHz (giá trị điển hình). Độ nhạy cũng được đo ở 200 MHz, ít nhất là -76 dBm. Nó sử dụng một nguồn điện duy nhất từ 2.7 V đến 5.25 V, với bao bì 8 chân trong các gói 3 mm × 2 mm.

　　Hình 6: LT5537 cung cấp mối quan hệ log-tuyến tính giữa đầu vào và đầu ra; Tín hiệu đầu vào được khuếch đại bởi một loạt các giai đoạn khuếch đại giới hạn; Một loạt các đơn vị dò chỉnh lưu tín hiệu và tạo ra dòng điện đầu ra tuyến tính liên quan đến công suất đầu vào.

　　Hình 7: Đây là tổng quan về mối quan hệ giữa điện áp đầu ra, sai số tuyến tính và công suất đầu vào. Ở tần số 200 MHz và ba nhiệt độ, LT5537 của Lingliert được bổ sung vô số sơ đồ hiệu suất chi tiết hơn.

　　Ví dụ thứ ba là MAX4003 từ Maxim Integrated. Bộ khuếch đại logarit công suất thấp MAX4003 của chúng được thiết kế để phát hiện mức công suất của bộ khuếch đại công suất RF (PA) hoạt động trong dải tần từ 100 MHz đến 2500 MHz (Hình 8). Bộ khuếch đại logarit này có dải động điển hình là 45 dB, phù hợp với các ứng dụng không dây, bao gồm điều khiển PA di động, điều khiển cường độ tín hiệu máy phát cho các thiết bị đầu cuối không dây và các phép đo công suất máy phát khác.

　　Hình 8: Bộ khuếch đại logarit MAX4003 của Maxim là một thành phần công suất thấp từ 100 MHz đến 2500 MHz, với dải tần 45 dB; Nó bao gồm bốn giai đoạn khuếch đại / giới hạn 10 dB, mỗi giai đoạn có độ lợi tín hiệu nhỏ 10 dB; Đầu ra của mỗi giai đoạn khuếch đại / giới hạn được áp dụng cho bộ chỉnh lưu toàn sóng và giai đoạn máy dò cũng được đặt trước giai đoạn đầu tiên, với tổng cộng năm máy dò.

　　Thiết bị đo điện áp này phù hợp với dải tín hiệu điển hình từ -58 dBV đến -13 dBV, sử dụng nhiều gói nhỏ khác nhau bao gồm giai đoạn chip 8 bóng, μMAX và các gói QFN mỏng. Các nhà cung cấp cung cấp biểu đồ nhất quán tổng quan nâng cao cho các tần số khác nhau (Hình 9), cũng như sơ đồ nhất quán chi tiết hơn cho từng tần số được tham chiếu, bao gồm nhiệt độ và thậm chí cả loại gói. Thiết bị yêu cầu 5.9 mA (nguồn điện 3.0 V) và chỉ 13μA khi thiết bị tắt. Nó đạt được độ ổn định nhiệt độ trên toàn bộ phạm vi nhiệt độ hoạt động, từ -40 ° C đến + 85 ° C.

　　Hình 9: Bao bì cũng ảnh hưởng đến hiệu suất. Như thể hiện trong bảng dữ liệu Maxim MAX4003, VOUT và tính nhất quán logarit so với công suất đầu vào ở 2,5 GHz sử dụng gói μMAX 8 chân (trái) và gói UCSP Shangtai cấp bóng hàn 8 bóng (phải).

　　Tóm tắt

　　Mặc dù chúng có thông số kỹ thuật phức tạp và tốt hơn so với bộ khuếch đại tuyến tính truyền thống, bộ khuếch đại logarit đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống RF và quang học. Bộ khuếch đại logarit với đáp ứng dải GHz quản lý độ lợi đầu cuối và công suất truyền của máy thu, trong khi bộ khuếch đại logarit tần số thấp đo dòng điện qua diode laser trong liên kết sợi quang.

　　Có nhiều cách để xây dựng bộ khuếch đại logarit, hầu hết đều dựa trên chức năng truyền điện áp / dòng điện logarit độc đáo của diode. Tuy nhiên, bộ khuếch đại logarit hoàn chỉnh thực tế phức tạp hơn nhiều so với điốt độc lập và phải được điều chỉnh và cân bằng với các thông số kỹ thuật về dải động, băng thông, độ lệch nhiệt độ, nhiễu và các thông số hiệu suất khác. Bộ khuếch đại logarit loại IC ngày nay mang lại hiệu suất tuyệt vời trong các gói nhỏ gọn, công suất thấp và chi phí thấp. Chỉ trong những trường hợp khá chuyên biệt, bộ khuếch đại logarit đa chip lai mới ngày càng cần thiết.