集成直流對數(shù)放大器

摘要：在對數(shù)放大器應(yīng)用中，直流對數(shù)放大器在壓縮傳感器信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，是一種高性價(jià)比的解決方案。本文推導(dǎo)了直流對數(shù)放大器的傳輸函數(shù)，從雙極型晶體管的VBE到IC特性。討論了目前集成直流對數(shù)放大器的電路結(jié)構(gòu)以及各種誤差對對數(shù)性能的影響，并給出了MAX4206設(shè)計(jì)范例。最后，還給出了通過校準(zhǔn)改善對數(shù)放大器性能的方法以及設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

本文還發(fā)表于Maxim工程期刊，第56期(PDF, 950kB)。

半個(gè)多世紀(jì)以來，工程師一直采用對數(shù)放大器來壓縮信號(hào)和進(jìn)行計(jì)算。盡管在計(jì)算應(yīng)用中，數(shù)字IC幾乎全部取代了對數(shù)放大器，工程師還是采用對數(shù)放大器進(jìn)行信號(hào)壓縮。因此，對數(shù)放大器仍舊是許多視頻、光纖、醫(yī)療、測試以及無線系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。

顧名思義，對數(shù)放大器的輸出和輸入之間為對數(shù)函數(shù)關(guān)系(由于對應(yīng)不同的底，對數(shù)函數(shù)之間僅差一個(gè)常數(shù)系數(shù)，因此對數(shù)的底并不重要)。利用對數(shù)函數(shù)，您可以壓縮系統(tǒng)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。將寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)進(jìn)行壓縮有多種優(yōu)點(diǎn)。組合應(yīng)用對數(shù)放大器和低分辨率ADC通?？梢怨?jié)省電路板空間，并降低系統(tǒng)成本。否則，可能需要采用高分辨率ADC。而且，通常當(dāng)前系統(tǒng)中已經(jīng)包含低分辨率ADC，或者微控制器已內(nèi)置這種ADC。轉(zhuǎn)換成對數(shù)參數(shù)也有利于很多實(shí)際應(yīng)用，例如以分貝表示測量結(jié)果的應(yīng)用，或者轉(zhuǎn)換特性為指數(shù)或近似指數(shù)的傳感器應(yīng)用。

上世紀(jì)90年代，光纖通信領(lǐng)域開始采用對數(shù)放大器電路來測量某些光學(xué)應(yīng)用中的光信號(hào)強(qiáng)度。在這之前，精密對數(shù)放大器IC不但成本高，而且體積也較大；只有少數(shù)電子系統(tǒng)能承擔(dān)這種高昂的成本。這些IC解決方案的唯一替代方案是采用分立元件構(gòu)建對數(shù)放大器。由分立元件構(gòu)建對數(shù)放大器不但電路板面積更大，而且通常對溫度變化敏感，必須仔細(xì)進(jìn)行設(shè)計(jì)和布板。還需要各構(gòu)成元件之間高度匹配，以便在較寬的輸入信號(hào)范圍內(nèi)保證良好的性能。從那以后，半導(dǎo)體制造商開發(fā)出了體積更小、價(jià)格更低的集成對數(shù)放大器產(chǎn)品，其溫度特性較好并且也增加了更多功能。

對數(shù)放大器的分類

對數(shù)放大器主要分為3類。第一類是直流對數(shù)放大器，一般處理變化較慢的直流信號(hào)，帶寬可達(dá)到1MHz。毫無疑問，最普遍的實(shí)現(xiàn)方法是利用pn結(jié)固有的對數(shù)I-V傳輸特性。這些直流對數(shù)放大器采用單極性輸入(電流或者電壓)，通常是指二極管、跨二級(jí)管、線性跨導(dǎo)和跨阻對數(shù)放大器等。由于采用電流輸入，直流對數(shù)放大器通常用于監(jiān)視寬動(dòng)態(tài)范圍的單極性光電二極管電流—值或者比例值。不但光纖通信設(shè)備需要光電二極管電流監(jiān)視功能，化學(xué)和生物樣品處理設(shè)備中也可以找到這種電路。也有其它類型的直流對數(shù)放大器，例如基于RC電路時(shí)間-電壓對數(shù)關(guān)系的對數(shù)放大器。但是這種電路一般比較復(fù)雜，彼此差異較大，分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間與信號(hào)有關(guān)，并且對溫度變化比較敏感。

第二類對數(shù)放大器是基帶對數(shù)放大器。這類電路處理快速變化的基帶信號(hào)，適用于需要對交流信號(hào)進(jìn)行壓縮的應(yīng)用(通常是某些音頻和視頻電路)。放大器輸出與瞬時(shí)輸入信號(hào)的對數(shù)成正比。一種特殊的基帶對數(shù)放大器是“真對數(shù)放大器”，其輸入雙極性信號(hào)，并輸出與輸入極性一致的壓縮電壓信號(hào)。真對數(shù)放大器可用于動(dòng)態(tài)范圍壓縮，例如射頻IF級(jí)和醫(yī)療超聲波接收器電路等。

最后一類對數(shù)放大器是解調(diào)對數(shù)放大器，或連續(xù)檢波對數(shù)放大器。這類對數(shù)放大器對RF信號(hào)進(jìn)行壓縮和解調(diào)，輸出整流信號(hào)包絡(luò)的對數(shù)值。RF收發(fā)器普遍采用解調(diào)對數(shù)放大器，通過測量接收到的RF信號(hào)強(qiáng)度來控制發(fā)射器輸出功率。

經(jīng)典的直流對數(shù)放大器

在典型的基于pn結(jié)的直流對數(shù)放大器中，采用雙極型晶體管來產(chǎn)生對數(shù)I-V關(guān)系。如圖1所示，運(yùn)算放大器的反饋通路采用了晶體管(BJT)。根據(jù)所選的不同晶體管類型(npn或者pnp)，對數(shù)放大器分別是電流吸收或者電流源出型(圖1a和1b)。采用負(fù)反饋，運(yùn)算放大器能夠?yàn)锽JT的基-射結(jié)提供足夠的輸出電壓，可確保所有輸入電流由器件的集電極吸入。注意，懸浮二極管方案會(huì)使運(yùn)放輸出電壓中包含等效輸入失調(diào)；基極接地的方法則不會(huì)出現(xiàn)這一問題。


圖1a. 直流對數(shù)放大器的基本BJT實(shí)現(xiàn)方案，具有電流吸收輸入，產(chǎn)生負(fù)輸出電壓


圖1b. 將BJT由npn型改為pnp型，對數(shù)放大器變?yōu)殡娏髟闯鲭娐?，輸出為正極性。

增加輸入串聯(lián)電阻后，直流對數(shù)放大器也可以采用電壓輸入。采用運(yùn)算放大器的虛地作為參考端，輸入電壓通過電阻轉(zhuǎn)換為成比例的電流。顯然，運(yùn)算放大器輸入失調(diào)必須盡可能小，才能實(shí)現(xiàn)精確的電壓-電流轉(zhuǎn)換。雙極型晶體管實(shí)現(xiàn)方案對溫度變化敏感，但采用基準(zhǔn)電流和片內(nèi)溫度補(bǔ)償能夠顯著降低這種敏感性，下文將對此進(jìn)行討論。

詳細(xì)討論

在圖2所示電路中，BJT對數(shù)放大器具有兩個(gè)輸入：IIN和IREF。如上一節(jié)所述，輸入到IIN的電流使運(yùn)算放大器A1輸出相應(yīng)的電壓：



其中：
k = 1.381 x 10-23 J/°K
T = 絕對溫度(°K)
q = 1.602 x 10-19°C
IC = 集電極電流(mA或與IIN和IS的單位相同)
IIN = 對數(shù)放大器輸入電流(mA或與IC和IS的單位相同)
IS = 反向飽和電流(mA或與IIN和IC的單位相同)

(在等式1中，“ln”表示自然對數(shù)。在后面的等式中，“Log10”表示以10為底的對數(shù))。


圖2. 采用兩個(gè)基本BJT輸入結(jié)構(gòu)，并從VOUT1中減去VOUT2，可在輸出端消除IS的溫度影響。剩余的“PTAT”影響，可通過選擇合適的RTD (電阻溫度探測器)以及差分放大器的增益設(shè)置電阻，使其降至最低。