Логарифмические усилители


PDF версия

В статье описано несколько видов логарифмических усилителей, предназначенных для различных частотных диапазонов. Приведены типичные характеристики и области применения.

Введение

Сигналы с широким динамическим диапазоном требуют особого внимания. Действительно, непростой задачей является подача сигнала, амплитудные изменения которого превышают 100 дБ, на вход линейного усилителя или АЦП с динамическим диапазоном 60–100 дБ. Такие сигналы широко используются в эхолокации, например в радарах, системах связи, а также в оптоволоконных системах.

Для усиления сигналов с малой амплитудой используется высокий коэффициент усиления, а для сигналов с большой амплитудой – низкий коэффициент усиления. Соответственно, необходим метод динамического масштабирования, чтобы не допустить ни потерь при малом сигнале, ни срезания амплитуды при большом.

Логарифмические усилители (ЛУ) решают эту проблему, обеспечивая разные коэффициенты усиления в зависимости от уровня входного сигнала.

 

Принцип работы

Логарифмические усилители являются нелинейными аналоговыми усилителями, выходной сигнал которых представляет собой логарифм входного сигнала. Они позволяют сжать входной сигнал, имеющий большой динамический диапазон, в выходной сигнал с фиксированным диапазоном амплитуды. Как упоминалось, это достигается за счет изменения коэффициента усиления: он высок при малом входном сигнале и низок при большом (см. рис. 1). Сверху показан входной сигнал с амплитудной модуляцией несущей. Модулирующий сигнал представляет собой линейную функцию. В середине показан выходной логарифмический сигнал. Ниже расположена огибающая выходного сигнала. Такую форму может иметь сигнал детектирующего логарифмического усилителя. В АЦП, расположенный на выходе ЛУ, поступает уже сжатый сигнал, находящийся внутри фиксированного входного диапазона АЦП.

Сжимание сигнала в логарифмическом усилителе: входной сигнал (сверху), логарифм входного сигнала (в середине), огибающая выходного логарифмического сигнала
Рис. 1. Сжимание сигнала в логарифмическом усилителе: входной сигнал (сверху), логарифм входного сигнала (в середине), огибающая выходного логарифмического сигнала

 

Разновидности

Существуют два типа ЛУ: многокаскадные и с диодом в цепи ОС.

В многокаскадных усилителях применяется последовательное ограничение сигнала цепью усилителей. Эта топология, как правило, подходит для ВЧ-сигналов с частотой до нескольких ГГц и обычно применяется в радарах, а также в системах связи.

Усилители с диодом в цепи ОС основаны на использовании диодов или транзисторов в диодном включении в контуре обратной связи, охватывающей ОУ. Усилители этого типа имеют ограниченный частотный диапазон 20 МГц и широко применяются для усиления сигналов с датчиков в управляющих системах.

 

Многокаскадные усилители

В многокаскадных логарифмических усилителях используется последовательность линейных усилителей. Выходной сигнал каждого усилителя подается на вход последующего каскада и на вход сумматора. На рисунке 2 показан четырехкаскадный (N = 4) усилитель, каждая ступень которого имеет один и тот же коэффициент усиления А. При малых входных сигналах ниже порогового значения, при котором начинается ограничение амплитуды на каком-либо из каскадов, коэффициент усиления равен N∙A, или 4A в нашем случае, что видно на передаточной характеристике на рисунке 2.

Принцип работы и передаточная характеристика четырехкаскадного ЛУ
Рис. 2. Принцип работы и передаточная характеристика четырехкаскадного ЛУ

На сегменте слева, выделенном красным, наклон характеристики наиболее крутой, коэффициент усиления равен N∙A. Амплитуда выходного сигнала находится в диапазоне от нуля до VMAX/A4, где VMAX – максимальное входное напряжение. По мере увеличения входного сигнала усилитель в последнем каскаде в какой-то момент насыщается. Общий коэффициент усиления уменьшается до (N–1)∙A, или 3A. Наклон на зеленом участке между уровнями входного сигнала VMAX/A3 и VMAX/A4 представляет этот диапазон усиления. Аналогично, когда уровень входного смещения продолжает увеличиваться, один за одним переходят в насыщение усилители на предыдущих каскадах. Синим показан участок с коэффициентом усиления (N–2)∙A, на сиреневом КУ=(N–3)∙A, на голубом КУ=(N–4)∙A, или 0.

Улучшенная схема с суммированием в каждом каскаде
Рис. 3. Улучшенная схема с суммированием в каждом каскаде

Описанная модель полезна при объяснении принципа получения логарифмического отклика, однако в ней есть одно упущение: не учтена задержка распространения сигнала, вносимая каждым каскадом. Составляющая сигнала с первого каскада достигает сумматор перед появлением сигнала с других каскадов, что приводит к искажению выходного сигнала. Для коррекции этого эффекта следует внести изменения в базовую схему. На рисунке 3 показана схема, в которой каскады содержат по два усилителя. В каждой паре один усилитель обеспечивает требуемый коэффициент усиления, второй является буферным с единичным коэффициентом усиления, если не требуется дополнительное усиление. Суммирование производится в каждом каскаде. Малые сигналы проходят через ограничивающие усилители. По мере увеличения амплитуды сигнала последний каскад начинает насыщаться; при этом доминирующим усилителем становится усилитель единичного усиления. По мере роста амплитуды сигнала насыщение происходит на все более ранних стадиях. В итоге общий коэффициент усиления уменьшается. Разновидность каскадной схемы для последовательного детектирующего ЛУ показана на рисунке 4.

Схема последовательного обнаружения с обнаружением пика после каждого каскада
Рис. 4. Схема последовательного обнаружения с обнаружением пика после каждого каскада

Последовательный детектирующий ЛУ построен на основе цепи из ограничивающих усилителей, которую мы уже описали, однако к ней добавлена функция обнаружения пика после каждого каскада. Выходы с детекторов суммируются и образуют огибающую выходного сигнала ЛУ. Детекторы могут быть полуволновыми или волновыми в зависимости от схемы. Огибающая используется в случаях, когда необходимо выделить уровень обнаруженного сигнала. Например, при автоматическом управлении коэффициентом усиления в индикаторах принятого сигнала.

Общая схема AD8310
Рис. 5. Общая схема AD8310

Для иллюстрации коммерческого многокаскадного демодулирующего ЛУ рассмотрим AD8310ARMZ-REEL7 от Analog Devices (см. рис. 5). В нем имеется дифференциальный вход с динамическим диапазоном 95 дБ, полоса равна 440 МГц, логарифмическая линейность составляет ±0,4 дБ. Имеются шесть усилительных каскадов с номинальным усилением 14,3 дБ каждый (коэффициент усиления 5,2) и полосой 900 МГц. Выходной сигнал с усилителей поступает в детектор, токовый выход которого преобразуется в напряжение во внутреннем буферном усилителе и поступает на выход.

 

Усилитель с диодом

Рассмотрим ЛУ второго типа. Они построены на использовании диодов или транзисторов в диодном включении в петле ОС операционного усилителя. Транзисторы используются чаще (см. рис. 6а). Напряжение перехода база–эмиттер транзистора пропорционально логарифму протекающего тока. Таким образом, выходной сигнал ОУ пропорционален логарифму отношения входного тока к току насыщения эмиттера IES.

ЛУ на транзисторах в диодном включении и его зависимость от температуры; два усилителя в дифференциальном включении
Рис. 6.
а) ЛУ на транзисторах в диодном включении и его зависимость от температуры;
б) два усилителя в дифференциальном включении

В простой конфигурации на рисунке 6а имеется ограничение, заключающееся в том, что выходной сигнал зависит от температуры:

VBE = (kT/q) ∙ ln (IC/IES),

где Т – температура, К.

На рисунке 6б показана схема с двумя такими усилителями, включенными как дифференциальная пара. В таком включении эта зависимость намного слабее.

Дифференциальная версия является трансимпедансным усилителем, который рассчитывает логарифм выражения IIN2/IIN1 и имеет выходной сигнал в виде напряжения. Как правило, IIN1 представляет собой фиксированный опорный источник тока.

Динамический диапазон логарифмического усилителя LOG114AIRGVT от Texas Instruments покрывает восемь декад, а полосу пропускания усилителя составляет 5 МГц. Его можно сконфигурировать как ЛУ, вычисляющий логарифм отношения. Помимо ЛУ с температурной компенсацией в состав LOG114AIRGVT входят два масштабирующих усилителя и опорный источник напряжения 2,5 В (см. рис. 7).

Функциональная схема с внешними компонентами усилителя LOG114
Рис. 7. Функциональная схема с внешними компонентами усилителя LOG114

Для упрощения проектирования компания Texas Instruments предлагает симулятор TINA-TI (см. рис. 8). В схеме используется встроенный источник напряжения 2,5 В для установки опорного тока I1 = 1 мкА. На передаточной характеристике видно, что выходной сигнал имеет линейную форму на семи декадах, нарастая cо 100 пА до 1 мА, что соответствует диапазону 140 дБ. Выходной сигнал масштабируется с помощью одного или двух ОУ для получения характеристики:

VOUT = –0,249lg (I1/I2) + 1,5 [В].

Моделирование усилителя LOG114 в TINA-TI. Линейность усилителя наблюдается на семи декадах входного тока
Рис. 8. Моделирование усилителя LOG114 в TINA-TI. Линейность усилителя наблюдается на семи декадах входного тока

 

Выводы

Логарифмические усилители предоставляют возможность обрабатывать сигналы с очень широким динамическим диапазоном, сжимая их в выходной сигнал с фиксированным диапазоном, не допуская перегрузки в последующих каскадах. Для готовых ЛУ часто предлагаются средства моделирования, что ускоряет процесс разработки.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *