对数放大器原理

在雷达、通信和遥测等系统中，接收机输入信号的动态范围通常很宽，信号幅度常会在很短时间间隔内从几微伏变化到几伏，但输出信号应保持在几十毫伏到几伏范围内。采用对数放大器可以满足这种要求，它能使弱信号得到高增益放大，对于强信号则自动降低增益，避免饱和。 设计良好的对数放大器能达到D1超过100分贝而D2在30分贝以下。除动态范围外，对数放大器的主要指标还包括对数关系的准确度和频率响应。

对数中频放大器和对数射频放大器，可用相同的方法获得对数特性。

晶体二极管的PN结电压(见固态电子器件)是结电流的对数函数，用它作为放大电路的负载或反馈元件可以使放大器具有对数幅度特性。使用这种方法虽然电路简单，但通常只能达到小于50分贝的输入动态范围，而且放大器的频带受PN结电容的限制，不能太宽。利用多级放大器串联或并联相加形成近似对数放大特 性，可以获得较好的结果。图2是多级串联相加对数放大器的框图，其中每级都是一个线性-限幅放大器。当输入信号弱时,放大器各级均不饱和，总增益最高。随着输入信号幅度的增大，从末级起各级放大器依次进入饱和状态，总增益随之降低。实用的对数放大器常用 4~10级限幅放大器组成。若规定放大器的动态范围，较多的级数能达到的对数关系也较准确。

针对上述的三种对数放大器，我们分别来讲述其实现信号对数变换的原理。

基本对数放大器在IC设计中使用了跨导线性电路，因此也称做跨导线性(Translinear)对数放大器。跨导线性电路是电流模电路的主要组成部分，是许多线性和非线性模拟集成电路的理论基础。跨导线性的概念在1975年由Barrie Gillbert创立，跨导线性对数放大器就是基于双极性(BJT)三极管的对数特性。

若将ic视为激励信号电流，UBE看作响应信号电压，将输入偏流为零的隔离放大器接在集电极C与基极B之间以隔离iB的影响。

可以看出，理想BJT的UBE与其ic是理想的对数关系。等式中，Is是BJT的饱和电流，它与温度密切相关。此外热电压UT也依赖于温度。在集成的跨导线性对数放大器中这种受温度影响的缺点已被一个具有同样温度变化特性的三极管修正，而且可以确保对数斜率的稳定性。

UY叫做对数斜率，固定电流IZ叫做对数截距(有关对数放大器的一些名词将在后面予以说明)。

基带对数放大器与解调对数放大器

对于高频应用，常常选择基带对数放大器或解调对数放大器。尽管这两种放大器在细节上有些不同，但原理是相同的，它不是采用一个放大器的对数特性而是用多个相同的线性放大器级联来分段线性逼近对数函数。如图2所示，这里只是一个理想的通用模型，其核心为一个限幅放大器，每个放大单元的传递函数如图3所示，对于N个级联限幅放大器构成的对数放大器， EK为限幅放大器的饱和电压，A为放大倍，当输入信号电压小于临界值EK/AN-1时，限幅放大器的每一级都不会饱和，因此，小于EK/AN-1的输入信号可以得到充分的放大，此时输出信号幅度是输入信号幅度的AN-1倍。当输入电压大于EK/AN-1小于EK时，由于各级限幅的原因，输入信号越大，饱和的级数越多。当输入大于EK时，输出则为NAEK。输入信号幅度在EK/AN-1和EK之间的信号，其总的输出电压与输入电压的幅度可用下式表示:

VIN= EK/AN-M ，VOUT=，其中M为饱和的级数(M≤N)

实际的电路结构是:对于小信号采用增益为A的放大器，而大信号则采用单位增益放大器，称之为A/1放大器，如图4所示，限幅增益放大器和单位增益缓冲器并联，输出送加法器。解调对数放大器与基带对数放大器虽然都采用上述的级联限幅放大器，解调对数放大器不是将输出直接累加，而是先检波然后输出累加，用级联限幅放大器构成的对数放大器有两种输出:对数输出和限幅输出。许多应用中限幅输出并不需要，但有些应用中，两种输出都是必须的。解调对数放大器的对数输出一般包括幅度信息，而相位和频率信息则被丢失。如果采用半波检波器和延时补偿，相位和频率信息也可被保留。

在许多文献中，对数放大器的分类也是相当混乱的，根据实现对数函数依据的不同,有的将其分为二极管、三极管对数放大器和级联对数放大器，有的将其分为真对数放大器和似对数放大器等等。但几十年来，随着半导体理论、工艺和模拟集成电路的发展，许多对数放大器实现的方法已经被淘汰，其分类方法也未尽科学。目前根据市场上现有的对数放大器结构和应用领域的不同，可将对数放大器分为三类:基本对数放大器、基带对数放大器和解调对数放大器。

基本对数放大器也称跨导线性(Translinear)对数放大器，它基于双极性三极管(BJT)的对数特性来实现信号的对数变换。这类对数放大器可以响应缓慢变化的输入信号，其特点是具有优良的直流精度和非常宽的动态范围(高达180dB)，缺点是交流特性差。

基带对数放大器也称视频对数放大器(虽然很少用于视频显示相关的应用)，它克服了基本对数放大器的缺点，能够响应快速变化的输入。其原理是采用了一种 "逐级压缩"的技术，交流特性好，但动态范围较小。

解调对数放大器也称逐级检波对数放大器，它具有分段线性近似性质，形成对数级联后，可以得到很好的对数传递函数，在整个动态范围内对数精度高，同基带对数放大器相似，也采用多个级联线性放大器，动态范围大。