对数放大器

什么叫对数放大器?对数放大器原理

输出信号幅度与输入信号幅度呈对数函数关系的放大电路。实际的对数放大器总是兼具线性和对数放大功能,它的输入-输出幅度特性如图1。输入信号弱时,它是一个线性放大器,增益较大；输入信号强时,它变成对数放大器,增益随输入信号的增加而减小。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。

对数放大器的主要性能常用输入动态范围D1和输出动态范围D2来表示

式中分别是放大特性由线性变到对数形式和进入饱和状态时的输入电压，应的输出电压。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视频放大器，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。

对数放大器在雷达设备中有特别重要的作用。它不仅可以保证雷达接收机有很宽的动态范围，而且可以限制接收机输出的杂波干扰电平，达到恒虚警的效果。对于单脉冲雷达（见跟踪雷达），还可归一化角误差信号；对于动目标显示雷达，还可抑制固定目标起伏。

对数放大器的主要应用(作用)

对数放大器的主要应用(作用)

宽动态范围放大器

对数放大器的特点是在提供大动态范围同时能突出成本优势。在移动通信系统中,CDMA 和GSM都需要调节基站的功率输出,以匹配目标手机和本地基站对通讯距离的要求。近可能的减少基站近处手机过载的可能性。同样,基站也需要调节接收信道的增益,从而加大信噪比,降低误码率。此类大量的对数放大器应用于RSSI（接收信号的强度指示）和发射功率控制场合。在某些无线电接收通道中的中频放大器设计,也可

采用对数放大器。例如单片 AD8307可完成信号接收解调功能,前端进行适当的频率比配后动态范围可达92dBm。若前端配合低噪声X-AMP(r)技术的放大器,动态范围更可高达120dBｍ,无须外部温度补偿,元件少,电路非常简洁。值得注意的是由于对数放大器的实质时完成输入输出信号的对数变换。并不强调其放大器的放大器能力,因此对数放大器的检波输出电压一般不能满足后续处理电路的门限电压要求,通常采用高带宽增益积的运放对经过对数变换后的信号做进一步的放大。对于标称的10%—90%电压上升时间是否可调的问题,应当说如果输出不带缓冲,则上升时间可通过外部电路来调节。若输出信号已经是经过缓冲以后的信号,则10%—90%电压上升时间是不可调的。如图5所示

图5 不带缓冲输出的对数放大器输出端

另外对数放大器输入输出呈对数关系,对于大信号而言无须类似AGC的外部控制电路,使得对数放大器在光光纤通信方面有着可喜的前景。例如光通信系统应用中的功率*,包括激光控制电路、光开关、衰减器、放大器等场合,传统解决方案要求采用成本较高的带切换增益互阻放大器前端的数字信号处理电路。如采用双对数变换器ADL5310则大大简化了掺铒光纤放大器(EDFA)、可变光衰减器(VOA)和光分插复用器(OADM)的控制环路的设计,ADL5310包含两个独立的信号通道以便与光电二极管相连,允许为每个通道独立配置传递函数常数(斜率和截距)。其对数变换能力允许对差分信号进行测量以便计算增益或吸收率。

数据压缩

对数放大器输入输出呈对数关系,输入信号的动态范围可以很大,这个特点非常适用数据压缩。假设输入信号范围从1V-10V,要求在1V时的分辨率为1%,为保证精度则在10V时分辨率就是0.1%。为保证分辨率,要求使用10位数模转器。如果分辨率不变,而输入范围为10Mv-10V,至少需要16位模数转换器。现在用对数放大器,其输入动态范围为3个数量级,信号的分辨率保持1%,则模数转换器用12位足矣。因此在数据压缩方面对数放大器有着很重要的作用,经常在数据采集的前端要经过对数放大器,然后将信号送入采集卡的模拟输入端,经电平转换后送入ADC进行转化。