大动态连续检波式对数放大器的设计

2004年10月

微电子学

Microelectronics

Vol134,№5Oct12004

文章编号:100423365(2004)0520575203

大动态连续检波式对数放大器的设计

刘家树

(模拟集成电路国家重点实验室;中国电子科技集团公司　第二十四研究所,重庆　400060)

摘　要:　介绍了大动态连续检波式对数放大器(SDLA)的设计方法、工作原理和结构。设计了一种对数精度小于1dB、动态范围大于100dB的高精度大动态连续检波式对数放大器;给出了实际测试结果。该电路可广泛应用于通讯、雷达、电子对抗等电子设备中。关键词:　对数放大器;连续检波式对数放大器;检波器中图分类号:　TN72215+8　文献标识码:　A　

AWideDynamicRangeSuccessiveDetectionLogarithmicAmplifier

LIUJia2shu

(NationalLaboratoryofAnalogIntegratedCircuits;SichuanInstituteofSolid2StateCircuits,CETC,Chongqing400060,P1R1China)

Abstract:　Asuccessivedetectionlogarithmicamplifier(SDLA)isdescribed,withregardtoitsoperationalprin2

cipleandstructure1AnactualSDLAwithlogarithmicprecisionlessthan1dBanddynamicrangelargerthan100

dBisdesigned,andtestresultsaregiven1Thislogarithmicamplifiercanbewidelyusedintelecommunicationandotherelectronicsystems1

Keywords:　Logarithmicamplifier;Successivedetectionlogarithmicamplifierdesign;DetectorEEACC:　1220

1　引　言

连续检波式对数放大器(SDLA)是一种输入、输出信号幅度呈对数函数关系的瞬时压缩输入动态范围的电路,它输出检波后的信号。其中,大动态连续检波式对数放大器广泛用于通讯、雷达、电子对抗等系统的接收机,它将大动态范围的输入信号压缩到接收机可正常接收的范围,可将70～100dB动态范围的输入信号压缩成20～30dB动态范围的输出信号。大动态SDLA具有易于级联、调试方便、动态范围宽等优点。

本文从SDLA的原理和基本结构出发,介绍大动态SDLA的设计方法和应用等。

入对应于具有共同差值的一系列输出∃。这里,

　　∃=k1lgR

能满足上述关系的一种方法是级联线性限幅放大器求和。它采用分段线性技术,用一系列的连续线性段,近似得到对数曲线。其拟合的对数曲线如图1所示。

2　电路原理及基本结构

对数放大器的一般关系式:　　eout=k1lgk2ein

如einn=ein0Rn,则eoutn=eout0+nk1lgR。

由此关系式可知,具有共同比值R的一系列输

收稿日期:2003212218;　定稿日期:2004201220

图1　分段线性拟合的对数曲线

其输出在线性限幅变换点具有真正的对数响应,在变换点间存在误差,其误差大小与放大器增益有关。误差随增益减小而减小,增益越小,就有越多的线性变换点,对数曲线就拟合得越好。

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　576刘家树:大动态连续检波式对数放大器的设计2004年　

检波器联接而SDLA基本结构单元由限幅器󰃗

成。限幅放大器一般由差分放大器构成,它利用差分

2Γkt)的限幅特性进行限幅。检Eout=Btanh(qEin󰃗

波器采用PN结实现,使用大信号检波,检波器的输入达到PN结的检波电平时,就会输出直流或者检出的视频信号,输出与输入基本呈线性。为了保证级联后的对数放大器取得合理的对数精度,单级增益不宜过高,一般取10～15dB。图2是SDLA的基本结构;限幅放大器的振幅特性如图3所示。

各级限幅󰃗检波器的一致性要好。可实际情况难以做到,可通过调节各级限幅放大器的偏置电压,来调节各级的小信号增益。

图4　大动态SDLA的工作原理框图

由于对数放大器会降低电路的信噪比,随着级数的增加,对数放大器变得不稳定,噪声变大且易自激,对数起点难以做得很低。

由于存在上述缺点,要设计出大于90dB动态

范围的高精度SDLA比较困难。为了克服上述问题,必须改进对数放大器的结构。

图2　SDLA基本结构

利用对数输入动态范围可平移的特性,前置低噪声线性放大器可使对数放大器的动态范围得到进一步扩展。

前置线性放大器既不能增大输出,也不会改变输入对数动态范围的大小,只能改变输入对数动态范围的起点和终点,使输入动态范围的对数特性曲线平移。起放大作用时,输入动态范围向低端移动,平移的多少等同于放大倍数;反之,衰减时,向高端平移。

312　大动态SDLA的改进结构

图3　限幅放大器的振幅特性

限幅放大器在限幅之前是线性的,增益为A;当输入电压V

IN

增至折点电压EK后,输出电压恒为常

利用对数放大器的输入动态范围可平移的特性,将传统对数放大器的单通道分成主、副通道,然后再进行合成。这样的方式既保证了不增加每个通道级联的级数,又增加了总的级数,解决了单通道的级数过多、增益过高且不稳定的问题。大动态SDLA的改进结构如图5所示。

数VOUT=AEK。实现小信号时,高增益放大,而对大

信号进行限幅放大,因此它对基线噪声的压缩小,而对信号和叠加在信号上的噪声的压缩更大。这导致它会降低所放大信号的信噪比。

3　大动态SDLA的设计方法

311　大动态SDLA的原理

大动态SDLA的原理框图如图4所示。大动态SDLA通过多级限幅器级联,各级限幅器的输出经

图5　大动态SDLA的改进结构框图

对应的检波器检波后在相加器相加,再经低通滤波器滤除载波,通过视频放大器放大,最后得到视频输出。输入动态范围由对数放大器的增益和级数决定。理论上,级数越多,得到的输入动态范围就越大。对数精度的最小值由限幅放大器的小信号增益决定。为了获得大输入动态范围和较好的对数精度,要求

选择合适的副通道衰减量,使副通道的对数起点与主通道的对数终点连接起来,则两个通道的对数特性曲线就连接起来了。

输入匹配网络可降低输入电压驻波比,实现功率的有效传输、减小自激发生的可能。低噪声线性放大器使主通道的对数动态范围往低端移动,提高了

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　第5期刘家树:大动态连续检波式对数放大器的设计577　

对数放大器的正切灵敏度,并减小放大器的噪声系数,确保大动态的实现;副通道衰减器使此通道的对数动态范围往高端移动。实际使用时,一般副通道取2、3级即可。

在大动态SDLA的设计中,需要考虑以下问题:因构成SDLA的对数单元内含限幅电路,会产生谐波且易自激,应考虑布局和布线的影响,电源需接去耦电容;要有性能良好的低通滤波器,滤除输出信号中的载波信号;设计各部分间阻抗的匹配,减小输入电压驻波比。313　设计实例

本文设计了一种对数起点低于-90dBm、动态范围大于100dB、对数精度小于±1dB的SDLA,其中,-80dBm～0dBm内的对数精度小于±015dB。电路原理框图如图6所示。

通过实际测试,电路达到的主要参数指标为:输入动态范围:100dB(-90～10dBm);对数精度:±018dB;带宽:15MHz(fO=57MHz);对数精度:-80～0dBm为±0145dB;对数斜率:25mV󰃗dB。

实测输入󰃗输出传输特性及对数精度如图7所示。

图7　输入输出传输特性曲线

从图7可看出,设计的结果满足预期指标。实测的动态范围小于理论上的动态范围,是由于为了避免输入电压超过电路单元可承受的最大输入电压,测试的范围不够宽。另外,前置线性放大器的-1dB压缩点(P-1)不够高,也影响了对数输入动态范围。

图6　实际电路原理框图

从理论可知,单级增益12dB对数放大器的对数误差理论值约为±014dB。达到要求的±015dB的对数误差及大于100dB的输入动态范围,需采用10级单级增益不超过12dB的对数单元级联,其中主通道9级,副通道1级。～A6为限幅放大器,增A21益约为11dB,At为固定衰减器,各级检波器基本一致。

主通道对数单元级联后的输入动态范围为-78～20dBm;低噪声线性放大器Ao的增益为12dB;BPF采用不平衡变压器耦合,源端阻抗508,次端阻抗111k8,插损为-315dB。

BPF的总增益如下:

ABPF=20lg(

4　结　论

在传统SDLA设计的基础上,通过前置低噪声放大器,设计出动态范围大于100dB的高性能对数放大器。随着生产工艺的提高,大动态连续检波式对数放大器将向单片、多用途、多功能和通用等方向发展。参考文献:

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(1100󰃗2)-3.5dB=50)󰃗

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王守祥1一种低噪声高增益宽带视频对数放大器[J]1微电子学,1995,25(6):222261

1315-6-315=4dB

对数起点为-(78+12+4)=-94dBm

输入动态范围为DIR=20lgVImax󰃗V

9

IO

(AOA=20lgVL󰃗

-1

VL󰃗

AOA)=20lgA×10=110

314　电路测试结果

作者简历:刘家树(1972-),男(汉族),工

学学士,主要研究方向为放大器的设计和测试。

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