袁乙木，馬尚昌

（成都信息工程大學(xué) 四川 成都　610225）

基于AD8306的寬帶大動態(tài)范圍對數(shù)放大器設(shè)計

袁乙木，馬尚昌

（成都信息工程大學(xué) 四川 成都610225）

對數(shù)放大器實實質(zhì)上就是一種對數(shù)變換器，是指輸出信號幅值與輸入信號幅值呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系的基本放大電路。在電子測量技術(shù)領(lǐng)域之中，某些信號的電壓具有比較寬的動態(tài)范圍，例如在雷達(dá)、聲納等無線電接受系統(tǒng)中，接收機前端信號動態(tài)范圍可以達(dá)到120dB甚至更高。一般的線性放大器不能處理這樣寬的動態(tài)范圍，為了更加方便的測試和分析這些信號，在線代測量接收機的設(shè)計中，采用大動態(tài)范圍對數(shù)放大器設(shè)計技術(shù)。本文介紹了一種核心器件為AD8306的大動態(tài)范圍對數(shù)放大器的設(shè)計，實現(xiàn)了90dB的動態(tài)范圍，寬帶頻率，靈敏度高。采用該方法實現(xiàn)的對數(shù)放大器動態(tài)范圍大，電路簡單易于實現(xiàn)，如果采用多片芯片級聯(lián)還可以實現(xiàn)更大動態(tài)范圍的對數(shù)放大器。實際應(yīng)用表明，本文給出的設(shè)計方法合理有效，具有很高的使用價值。

測量；對數(shù)放大器；寬帶；大動態(tài)范圍

放大器是能把輸入信號的電壓進行放大的設(shè)備，它是由電子管或晶體管、電源變壓器和其他分立元器件組成。主要用在通訊、自動控制等各種設(shè)備中。

實際的對數(shù)放大器常常是同時具有線性和對數(shù)放大功能的。當(dāng)輸入信號比較弱的時候，它就是線性放大器，增益較大；當(dāng)輸入信號比較強的時候，它就會變成對數(shù)放大器，增益隨著輸入信號的增強而減小。對數(shù)放大器在雷達(dá)設(shè)備也中有非常重要的作用。它不但能夠保證雷達(dá)接收機有非常寬的動態(tài)范圍，而且還能夠限制接收機輸出的雜波干擾電平，對于單脈沖雷達(dá)，還可歸一化角誤差信號；對于動目標(biāo)顯示雷達(dá)，還可抑制固定目標(biāo)起伏。

1　對數(shù)放大器的基本原理

對數(shù)放大器不是采用一個對數(shù)放大器的對數(shù)特性的，而是用幾個相同的線性放大器級聯(lián)來分段線性逼近對數(shù)函數(shù)［2］。其核心是每一級的限幅放大器。對于N個限幅放大器級聯(lián)構(gòu)成的對數(shù)放大器，EMAX是限幅放大器飽和電壓，A是放大倍數(shù)，當(dāng)輸入信號電壓小于臨界值EMAX/AN-1的時候，限幅放大器的每一級都不會達(dá)到飽和，所以，小于EMAX/AN-1的輸入信號都可以得到放大，此時輸出信號幅度值是輸入信號幅度值的AN倍。當(dāng)輸入電壓大于EMAX/AN-1而小于EMAX時，由于各級放大器限幅的原因，輸入信號的幅值越大，飽和的級數(shù)就會越多。當(dāng)輸入信號值大于EK時，輸出則為EK。輸出信號幅度在NAEMAX和EMAX/AN-1之間的信號其總的輸出電壓與輸入電壓幅度可用下式表示：

其中M為飽和的級數(shù)（M≤N）。

2　硬件系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示，本設(shè)計硬件電路結(jié)構(gòu)主要由電源模塊、信號輸入模塊、信號調(diào)理模塊、對數(shù)輸出模塊、限幅輸出模塊組成。AD8306的電源供電為2.7～6.5 V，在設(shè)計中，我們采用5 V供電。輸入信號為交流高頻信號，工作頻率為5～500 MHz。對數(shù)輸出模塊經(jīng)過放大后的電壓值是對數(shù)輸出端電壓值的2倍。還可以根據(jù)具體的需要對輸出電壓值進行放大。

圖1　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2　AD8306引腳圖

2.1特性指標(biāo)

AD8306引腳圖如圖2所示，它是一款完整、完全的對數(shù)—限幅中頻放大器，它具有較高的動態(tài)范圍RSSI縮放不隨溫度和電源電壓而變化，完全差分輸入，單電源供電，對于限幅輸出的增益是可編程的，其主要指標(biāo)如下：

1）100 dB動態(tài)范圍：-91dB～+9dBV；

2）斜率：20 mV/dB，截距：-95 dBm；

3）總增益：90 dB，帶寬：400 MHz；

4）上電時間：500 ns，休眠電流：＜1 mA。

2.2對數(shù)輸出連接電路

AD8306的對數(shù)輸出基本連接電路如圖3所示。

圖3　對數(shù)輸出基本連接圖

引腳1是特別常見的接受信號強度指示器的輸出接口；引腳2為前五個放大器級和主要偏置系統(tǒng)的供電接口；3，6，11，14引腳為接地端；4，5引腳為信號的輸入端，4為正極輸入端，5為負(fù)極輸入端；引腳7為主要常見的連接；引腳8為芯片使能端，高電平有效；引腳9為限幅器驅(qū)動編程接口；引腳10為接受信號強度指示器帶寬減少接口；12，13引腳為限幅輸出信號端，13引腳為正極輸出端，12引腳為負(fù)極輸出端；引腳 15為第六個放大級，限幅放大器，接受信號強度指示器輸出級負(fù)載電流供電端；引腳16為對數(shù)輸出端。

2.3對數(shù)輸出理想模型

對數(shù)輸出基本連接如圖3所示。通過連接引腳8和引腳2，讓芯片使能處于工作狀態(tài)。當(dāng)引腳8與地相連時，芯片將處于睡眠模式。信號輸入端連接兩個電容和一個電阻，在通常情況下，這兩個電容有相同的數(shù)值。電容與電阻組成的網(wǎng)絡(luò)能夠使大約600 kHz的高頻率信號通過。轉(zhuǎn)角頻率應(yīng)該被設(shè)置的越高越好，這是為了使不需要的低頻信號盡可能最小化。

如果限幅輸出不需要的話，應(yīng)該讓引腳9處于開路狀態(tài)，引腳12，13與引腳15連接，并通過電容與地相連。

AD8306實現(xiàn)對數(shù)功能的理想模型如圖4所示。

圖4　輸入信號與輸出電平關(guān)系曲線圖

輸出電壓VOUT=0.02V/dB*（VIN-（-108 dBV））。

例如當(dāng)輸入為-33 dBV時，輸出電壓為 1.5 V。其中-108 dBV是截距電壓。

3　測試結(jié)果分析

如表1到表3所示，各表中的數(shù)據(jù)是在不同頻率的輸入信號情況下，所測得的輸出電壓值與輸入信號的關(guān)系。在測試過程中，用的測量工具有萬用表、穩(wěn)壓電源、頻譜分析儀。萬用表用于測量輸出的電壓值，穩(wěn)壓電源用于給硬件系統(tǒng)供電，頻譜分析儀用于產(chǎn)生動態(tài)范圍變化的輸入信號，表1到表3分別是在輸出信號頻率為10 MHz、100 MHz、400 MHz時測得的。由于頻譜分析儀本身的限制，只能測得60 dB動態(tài)范圍。經(jīng)分析，該設(shè)計能夠達(dá)到預(yù)期的大動態(tài)范圍要求。

由表中數(shù)據(jù)可以分析得到，輸出電壓值還是比較理想的，線性度比較好，輸入信號每變化10 dBm，輸出電壓變化的幅度大約為0.4 V。

4　結(jié)束語

本文介紹的對數(shù)放大器的設(shè)計動態(tài)范圍大，對數(shù)變換精準(zhǔn)，對小信號的處理有較高的效應(yīng)。對數(shù)放大器的應(yīng)用主要不在于信號的放大，而是實現(xiàn)對數(shù)變換。本電路設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)。在本設(shè)計以外，還可以設(shè)計一些擴展模塊，比如在對數(shù)輸出端可以連接一個電壓監(jiān)測模塊，實現(xiàn)對小信號的監(jiān)測，還可以在連接一個限幅輸出編程模塊等。

表1　輸入信號頻率為10 MHz時輸出與輸入的關(guān)系

表2　輸入信號頻率為100 MHz時輸出與輸入的關(guān)系

表3　輸入信號頻率為400 MHz時輸出與輸入的關(guān)系

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The design of log amplifier of broad band high dynamic range based on AD8306

YUAN Yi-mu，MA Shang-chang
（Chengdu University of Information and Technology，Chengdu 610225，China）

Log amplifier is actually a log converter，it is a amplifying circuit that the relationship between the output signal amplitude and the input signal amplitude is a log function.In the field of electronic measurement，some signals have very high dynamic range，such as in the radar system，sonar system and so on，the signal dynamic range in the front of the receiver can be more than 120dB.Linear amplifier cannot handle such a wide dynamic range.In order to measure and analyze these signals expediently，modern measurement receiver used to adopt a design of large dynamic range log amplifier.This paper introduced a design of large dynamic range log amplifier based on AD8306，with 90 dB of dynamic range.Making use of this method，the log amplifier dynamic range is very large，and besides，this circuit is very simple and effective.If we use more than one chips，we can achieve larger dynamic range.This practical applications show that the design method is valid and practical.

measurement；log amplifier；broad band；large dynamic range

TN302

A

1674－6236（2016）06-0061-03

2015-05-13稿件編號：201505114

袁乙木（1989—），男，河北衡水人，碩士。研究方向：信號與信息處理、高速CCD處理技術(shù)。