摘 要：從分析連續(xù)檢波式對數(shù)放大器的特性參數(shù)入手，對其傳輸函數(shù)進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)，重點討論了影響其傳輸特性的主要因素，通過Matlab和MatrixX仿真，研究了輸入動態(tài)范圍與級聯(lián)級數(shù)、單級增益和對數(shù)精度的相互關(guān)系，得出了兩點結(jié)論：一是在限定動態(tài)范圍的前提下采用的級數(shù)越多其單級增益越小而精度就會越高，二是采用雙放大鏈結(jié)構(gòu)可以提高對數(shù)起點，從而提高其穩(wěn)定性。最后將結(jié)論應(yīng)用于塔康信標(biāo)接收機實際電路的分析中。

關(guān)鍵詞：對數(shù)放大器；連續(xù)檢波；塔康信標(biāo)；對數(shù)精度

中圖分類號：TN722.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004373X(2008)0318203

Characteristic Study and Simulation Analysis of the Logarithmic Amplifier

YANG Fahong，ZHANG Xiaomei，LUAN Baokuan

(Qingdao Branch，Naval Aeronautical Engineering Academy，Qingdao，266041，China)

Abstract：Started with the analysis of characteristic parameter of the successive detection logarithmic amplifier，mainly discusses the main factor affecting its transfer characteristic by mathematics reasoning to its transfer function，studies the correlative relations of the single stair′s plus，the series with the dynamic range and the logarithmic precision by matlab and MatrixX simulation.So two pieces of conclusion have been reached:one is on condition that the dynamic range is limited，the more the series that is used and the single stair′s plus is less，the higher the logarithmic precision is.The other is that using the double amplifier chain can enhance the logarithm starting point，so its stability is improved.And the conclusion has been applied to the practical circuit′s analysis of the Tacan beaconing receiver.

Keywords：logarithmic amplifier;successive detection;Tacan beaconing;logarithmic precision

對數(shù)放大器是一種輸入輸出信號成對數(shù)關(guān)系的瞬時壓縮動態(tài)范圍的放大器。在雷達(dá)、通信和遙測等系統(tǒng)中，接收機輸入信號的動態(tài)范圍通常很寬，信號幅度常會在很短的時間間隔內(nèi)變化70～120 dB，但輸出信號應(yīng)保持在20～40 dB范圍內(nèi)，對數(shù)放大器正好可以滿足這種要求。軍用塔康信標(biāo)接收機在中頻放大級采用了對數(shù)放大器，他能使弱信號得到高增益放大，對于強信號則自動降低增益，從而使輸出信號幅度相對穩(wěn)定，保證了后續(xù)電路對詢問脈沖的精確定時。

1 功能與結(jié)構(gòu)

對數(shù)放大器有多種形式，常用的有連續(xù)檢波式對數(shù)放大器(SDLA)和雙增益對數(shù)放大器(TLA)。連續(xù)檢波式對數(shù)放大器輸出視頻信號，而雙增益對數(shù)放大器輸出中頻信號。塔康信標(biāo)接收機采用的是連續(xù)檢波式對數(shù)放大器，其工作原理如圖1所示。

由圖1可見，塔康信標(biāo)接收機整個對數(shù)中放由主輔放大器鏈組成。主放大器鏈由七級限幅放大器串聯(lián)組成，輔放大器鏈由兩級組成，隨著輸入信號由小逐漸增大先是主放大鏈由末級向前級逐漸飽和，接著是輔放大鏈中的兩級由后往前依次飽和。兩個放大器鏈中的各級檢波輸出并聯(lián)饋送至加法器將各級檢波信號進(jìn)行幅度相加，其輸出脈沖幅度是隨輸入信號幅度的變化而按對數(shù)規(guī)律壓縮的放大輸出。

圖1 塔康信標(biāo)接收機對數(shù)放大器原理圖

2 特性分析與仿真

2.1 振幅特性

連續(xù)檢波式對數(shù)放大器的對數(shù)振幅特性是用電壓連續(xù)相加法得到的，其單級振幅特性如圖2(a)所示。

當(dāng)輸入電壓較小時放大器工作于線性區(qū)，其增益為K，當(dāng)輸入電壓較大時放大器工作于限幅區(qū)，其限幅電平為uL?？梢宰C明：利用這種電壓連續(xù)相加法得到的振幅特性只能是近似的對數(shù)關(guān)系，所以連續(xù)檢波式對數(shù)放大器也稱為似對數(shù)放大器。其特性曲線如圖2(b)所示。

圖2 對數(shù)放大器的振幅特性

圖2(b)所示的近似對數(shù)特性曲線可以看作是由多段折線所組成的。當(dāng)放大器的輸入電壓ui從0逐漸增大時，最初各級均未進(jìn)入限幅狀態(tài)，這時的輸出電壓波形如圖2(b)中的OP1段，其表達(dá)式為：

uo=KD(Kui+Ku2i+…+Kn-1ui+Knui)

式中，KD為檢波器的電壓傳輸系數(shù)。

當(dāng)輸入電壓增大到ui1時，末級正好達(dá)到限幅電平uL，圖2(b)中點P1的坐標(biāo)值為：

式(3)表示圖2(b)中各折線交點上輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。等式右邊的第一項為對數(shù)項，第二項為非對數(shù)項。

2.2 動態(tài)范圍

對數(shù)放大器的動態(tài)范圍一般是指輸入電壓的動態(tài)范圍。連續(xù)檢波式對數(shù)放大器的輸入動態(tài)范圍為：

Di=[SX(]uin[]ui1[SX)]=[SX(]uL/K[]uL/Kn[SX)]=Kn-1[JY](4)

用對數(shù)表示時為:Di′=20lg Di(dB)

由(4)式可以看出，連續(xù)檢波式對數(shù)放大器的輸入動態(tài)范圍由對數(shù)放大器的單級增益和級數(shù)決定(為了保證級聯(lián)后的對數(shù)放大器取得合理的對數(shù)精度，單級增益不宜過高，一般取10～15 dB)，理論上，級數(shù)越多，得到的輸入動態(tài)范圍就越大。但級數(shù)增加，放大器的穩(wěn)定性就會變差(實用的對數(shù)放大器常用 4～10級限幅放大器組成)。

2.3 對數(shù)精度

對數(shù)放大器的實際特性總是與理想的對放特性有一定的偏差。隨輸入電壓值的不同，會有不同的偏差值。當(dāng)輸入電壓為某值時，其偏差δ為：

δ=[SX(]uoe-uot[]uot[SX)]

式中，uoe表示實際對數(shù)特性曲線上與該輸入電壓對應(yīng)的輸出電壓，uot表示理想對數(shù)特性曲線上與該輸入電壓對應(yīng)的輸出電壓，一般用對數(shù)特性曲線上的最大偏差值δmax來表示對數(shù)特性的精度。在實際應(yīng)用中，通常用測量對數(shù)特性曲線對 “最佳擬合”直線的最大偏移來定義，“最佳擬合”直線是通過線性回歸法對曲線內(nèi)各個測量點進(jìn)行線性擬合計算得來的。當(dāng)n足夠大且單級增益K選得不太大時，對數(shù)特性偏差不大。

2.4 仿真與分析

這里采用基于MatrixX軟件開發(fā)平臺對對數(shù)放大器進(jìn)行特性仿真。若要達(dá)到80 dB的輸入動態(tài)范圍，可采用七級限幅放大器級聯(lián)來實現(xiàn)(單級增益為14 dB)，亦可采用九級來實現(xiàn)(單級增益為10 dB)，其中九級級聯(lián)結(jié)構(gòu)可分為單放大鏈和圖1所示的雙放大鏈兩種形式。七級級聯(lián)對數(shù)放大器的仿真圖如圖3所示。

圖3 七級級聯(lián)對數(shù)放大器仿真結(jié)果

通過對七級級聯(lián)和九級單、雙放大鏈結(jié)構(gòu)3種對數(shù)放大器的仿真(選用相同的單級限幅放大器)，得出了七級級聯(lián)的對數(shù)放大器可以處理-86～-6 dBm的信號，九級單放大鏈結(jié)構(gòu)可以處理-83～-3 dBm的信號，九級雙放大鏈結(jié)構(gòu)可以處理-63～23 dBm的信號，由此可見，3種對數(shù)放大器的動態(tài)范圍相同，但雙放大鏈結(jié)構(gòu)可以提高對數(shù)起點。表1、表2分別列出了七級和九級單放大鏈結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果。

通過matlab軟件對以上仿真結(jié)果進(jìn)行分析，對數(shù)放大器的輸入/輸出傳輸特性及對數(shù)精度如圖4(a)、(b)所示。下面一條曲線是對數(shù)放大器輸出電壓與輸入功率電平的關(guān)系曲線，對“最佳擬合”直線只有很小的偏離。上面一條曲線表示出變換為分貝以后的同一偏移，并以放大的比例畫出。[FL)0][HT2.][HT10.SS]

表1 七級放大器仿真結(jié)果

表2 九級放大器仿真結(jié)果

圖4 對數(shù)傳輸特性曲線圖

從上面的仿真分析中，可以得到以下結(jié)論：

若限定對數(shù)放大器的輸入動態(tài)范圍，采用的級數(shù)越多，相應(yīng)地單級增益就會越小，而能達(dá)到的對數(shù)關(guān)系卻更準(zhǔn)確。由圖4(a)、(b)可以看出，要達(dá)到80 dB的動態(tài)范圍，七級級聯(lián)對數(shù)放大器的單級增益需取14 dB，但對數(shù)精度為±1 dB；而九級級聯(lián)對數(shù)放大器的單級增益可取10 dB，對數(shù)精度卻達(dá)到±0.5 dB。顯然，九級級聯(lián)的對數(shù)精度更高。

3 實際應(yīng)用

由于SDLA具有易于級聯(lián)、調(diào)試方便、動態(tài)范圍寬等優(yōu)點，因此塔康信標(biāo)接收機中也采用了圖1結(jié)構(gòu)的SDLA。其實際電路使用了九級具有統(tǒng)一響應(yīng)特性的限幅放大器SL521C，且單級增益為10 dB，并將每級的輸出分別進(jìn)行檢波再送到加法器進(jìn)行幅度相加。其中七級級聯(lián)作為主放大級，具有60 dB的壓縮范圍，另外兩級作為輔助放大級，用以擴展動態(tài)范圍的上限。輸入信號經(jīng)電阻分壓后加至輔助放大級的輸入端，再經(jīng)兩級檢波后送入加法器，所以在主放大級提供的60 dB動態(tài)范圍的基礎(chǔ)上，能使通道動態(tài)適應(yīng)能力再提高20 dB，從而將對數(shù)放大器總的壓縮范圍提高到80 dB。由以上分析可以看出：首先，在塔康信標(biāo)接收機中采用九級來達(dá)到80 dB的動態(tài)范圍，能夠精確逼近對數(shù)特性；其次，采用雙放大鏈結(jié)構(gòu)，能夠提高對數(shù)起點，從而提高了對數(shù)放大器的信噪比，提高穩(wěn)定性，保證了接收機在整個動態(tài)范圍內(nèi)對信號的精確定時。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

楊法紅 女，1978年出生，山東青島人，海軍航空工程學(xué)院青島分院通信與信息系統(tǒng)碩士研究生。主要研究方向是導(dǎo)航新技術(shù)。

章小梅 女，1963年出生，安徽合肥市人，海軍航空工程學(xué)院青島分院航空電子系副教授、博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向是對空通信導(dǎo)航、微波通信技術(shù)等。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。