一种低功耗真对数放大器研究

庞佑兵 刘登学 杨超 杨帆

摘 要

对数放大器主要用在接收机中压缩输入信号的动态范围，其中真对数放大器能够同时保留输入信号的幅度信息和相位信息，在雷达接收机中得到了广泛应用。本文介绍了一种低功耗高精度真对数放大器。电路采用一种新颖的电路结构进行设计，并采用SMT工艺加工制作。电路具有输入信号动态范围大（≥90dB）、对数精度高（≤1.0dB）、功耗低（≤100mW）、一致性好等优点，可广泛用于雷达、通讯或电子对抗等系统。关键词

对数放大器;真对数放大器;动态范围;限幅放大器

中图分类号： TN722.58                  文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.059

0 引言

对数放大器主要用在接收机中压缩输入信号的动态范围，可以瞬时地把大的输入动态范围压缩为小的输出动态范围，对数放大器的输出动态范围与线性放大器一样（20～30dB）[1]。其中真对数放大器除具有一般对数放大器的特性外，还具有对数精度高、相位变化小、直接处理载波信号的特点[2，3]，因此在接收机中得到广泛应用。

传统的真对数放大器一般采用双增益型电路结构，由若干级双增益单元（TLA）通过级联构成。受其结构限制，传统结构真对数放大器要获得超过60dB的大动态范围时，存在频率低、静态功耗大、体积大、一致性差等问题[4，5]。

文献[4，6]提出了一种并联求和真对数放大器。这种结构虽然较双增益真对数放大器的功耗有所降低，但在每级对数放大器前面均需要一个推动放大器，特别是当级联的对数级数增加后，推动放大器的增益比较高，这时就需要两级、甚至三级放大器来实现。这样整个电路的功耗还是会比较大，实现难度也会增加。

国内有采用新型结构研制的真对数放大器：采用AD8309进行限幅放大和对数检波，然后采用乘法器将限幅放大信号和对数检波信号合成输出真对数放大信号[5]，较好地解决了功耗大的问题，但还是存在功耗偏大的问题，功耗为0.25W。

本文介绍的低功耗真对数，其功耗≤100mW，动态范围≥90dB，对数精度≤1.0dB，可很好满足整机系统需要[8]。

1 电路设计与分析

1.1 电路原理分析

本文介绍了一种低功耗高精度真对数放大器，其原理框图如图1所示。输入信号分成两路：一路进入限幅放大器电路，得到幅度稳定的输出信号，信号频率与输入信号相同，并且保留了输入信号的相位信息（公式1）;另一路信号进入连续检波式对数放大器，得到与输入信号幅度成对数关系的视频信号（公式2）;该视频信号由线性电压电流变换器线性变换换成电流信号（公式3）。然后两路信号由幅度可调放大器线性调幅后得到输出信号幅度与输入信号成对数关系，且输出频率和输入频率相同，并保留输入信号相位信息，电路实现了真对数放大功能（公式3）。

1.2 电路实现及结果分析

整体电路图如图2所示。本电路采用表面贴装工艺加工，并采用小型封装器件以减小电路体积。基板为四层PCB板，背面大面积烧焊在管壳上，保证良好的接地效果及可靠的机械强度。主信号通路设计为50Ω阻抗线，并尽量排列整齐，可以减小寄生参数的影响。

不同结构的真对数放大器测试结果比较如表1所示。

可以看出，本文提出的低功耗真对数放大器的动态范围和对数误差结构的真对数放大器有较大幅度的提高，功耗也较其他类型的真对数放大器有比较大的降低。

3 结论

本文采用一种新拓扑结果，设计了一种低功耗高精度真对数放大器，功耗≤100mW，对数精度≤±1dB，动态范围≥90dB。电路采用表面贴装工艺加工制作。电路的特点是功耗低，对数精度高，输入信号动态范围大，一致性好。

参考文献

[1]R.S.Hughes.Logarithmic Amplification with Application to Radar and EW. Dedham，MA：Artech，1986.

[2]A.K.Oki，M.E.Kim，G.M.Gorman，et al.High performance GaAs hetero junction bipolar transistor monolithic logarithmic IF amplifiers[J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，vol.36，no.12， pp.1958 1965，Dec.1988.

[3]Yu-Ju Chuang，Kurt Cimino，Mark Stuenkel，et al.A Wideband InP DHBT True Logarithmic Amplifier[J].IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES，VOL.54，pp.3843-3847，Nov.2006.

[4]C.D.Holdenried， J.W.Haslett，J.G.McRory，et al.A DC–4 GHz true logarithmic amplifier：Theory and implementation，[J].IEEE J.Solid-State Circuits，vol.37，no.10，pp. 1290  1299，Oct.2002.

[5]A.Woroncow， J.Croney.A true IF logarithmic amplifier using twin-gain stages[J].  Radio Electron. Eng..vol.32.no.3，pp.149-155，Sept.1966.

[6]C.D.Holdenried， J.W.Haslett.ADC 6 GHz，50 dB dynamic range，SiGe HBT true logarithmic amplifier[J].in Proc. Int. Circuits Syst.Symp.，May 2004，vol.4，pp.289  292.

[7]龐佑兵，庞殊杨等.一种新型真对数放大器的研究[J].微电子学，2016年02期.

[8]庞佑兵，刘登学，等.低于100mW低功耗真对数放大器.发明专利.专利号：CN101938255B.2012.9.5.