大动态连续检波式对数放大器的设计

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

A W ide D ynam ic Range Successive D etection L ogar ithm ic Am pl if ier

L I U J ia2shu

(N ational L aboratory of A nalog Integ rated C ircu its;S ichuan Institu te of S olid2S tate C ircu its,CE T C,Chong qing400060,P1R1Ch ina)　

Abstract:　A successive detecti on logarithm ic amp lifier(SDLA)is described,w ith regard to its operati onal p rin2 ci p le and structu re1A n actual SDLA w ith logarithm ic p recisi on less than1dB and dynam ic range larger than100 dB is designed,and test resu lts are given1T h is logarithm ic amp lifier can be w idely u sed in telecomm un icati on and o ther electron ic system s1

Key words:　L ogarithm ic amp lifier;Successive detecti on logarithm ic amp lifier design;D etecto r

EEACC:　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。

2　电路原理及基本结构

对数放大器的一般关系式:

e ou t=k1lg k2e in

如e inn=e in0R n,则e ou tn=e ou t0+n k1lg R。

由此关系式可知,具有共同比值R的一系列输入对应于具有共同差值的一系列输出∃。这里, ∃=k1lg R

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

。

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。

第34卷第5期2004年10月

微电子学

M icroelectron ics

V o l134,№5

O ct12004

收稿日期:2003212218;　定稿日期:2004201220

SDLA 基本结构单元由限幅器

检波器联接而成。限幅放大器一般由差分放大器构成,它利用差分

E ou t =B tanh (q E in

2Γk t )的限幅特性进行限幅。检波器采用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

。

图2　SDLA

基本结构

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E K 后,输出电压恒为常

数V OU T =A E K 。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S DLA 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

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

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。

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S DLA 的改进结构

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

。

图5　大动态SDLA 的改进结构框图

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