集成直流對數放大器

摘要：在對數放大器應用中，直流對數放大器在壓縮傳感器信號動態范圍的應用中仍然占據主導地位，是一種高性價比的解決方案。本文推導了直流對數放大器的傳輸函數，從雙極型晶體管的VBE到IC特性。討論了目前集成直流對數放大器的電路結構以及各種誤差對對數性能的影響，并給出了MAX4206設計范例。最后，還給出了通過校準改善對數放大器性能的方法以及設計細節。

本文還發表于Maxim工程期刊，第56期(PDF, 950kB)。

半個多世紀以來，工程師一直采用對數放大器來壓縮信號和進行計算。盡管在計算應用中，數字IC幾乎全部取代了對數放大器，工程師還是采用對數放大器進行信號壓縮。因此，對數放大器仍舊是許多視頻、光纖、醫療、測試以及無線系統中的關鍵元件。

顧名思義，對數放大器的輸出和輸入之間為對數函數關系(由于對應不同的底，對數函數之間僅差一個常數系數，因此對數的底并不重要)。利用對數函數，您可以壓縮系統信號的動態范圍。將寬動態范圍的信號進行壓縮有多種優點。組合應用對數放大器和低分辨率ADC通常可以節省電路板空間，并降低系統成本。否則，可能需要采用高分辨率ADC。而且，通常當前系統中已經包含低分辨率ADC，或者微控制器已內置這種ADC。轉換成對數參數也有利于很多實際應用，例如以分貝表示測量結果的應用，或者轉換特性為指數或近似指數的傳感器應用。

上世紀90年代，光纖通信領域開始采用對數放大器電路來測量某些光學應用中的光信號強度。在這之前，精密對數放大器IC不但成本高，而且體積也較大；只有少數電子系統能承擔這種高昂的成本。這些IC解決方案的唯一替代方案是采用分立元件構建對數放大器。由分立元件構建對數放大器不但電路板面積更大，而且通常對溫度變化敏感，必須仔細進行設計和布板。還需要各構成元件之間高度匹配，以便在較寬的輸入信號范圍內保證良好的性能。從那以后，半導體制造商開發出了體積更小、價格更低的集成對數放大器產品，其溫度特性較好并且也增加了更多功能。

對數放大器的分類

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

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

最后一類對數放大器是解調對數放大器，或連續檢波對數放大器。這類對數放大器對RF信號進行壓縮和解調，輸出整流信號包絡的對數值。RF收發器普遍采用解調對數放大器，通過測量接收到的RF信號強度來控制發射器輸出功率。

經典的直流對數放大器

在典型的基于pn結的直流對數放大器中，采用雙極型晶體管來產生對數I-V關系。如圖1所示，運算放大器的反饋通路采用了晶體管(BJT)。根據所選的不同晶體管類型(npn或者pnp)，對數放大器分別是電流吸收或者電流源出型(圖1a和1b)。采用負反饋，運算放大器能夠為BJT的基-射結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，懸浮二極管方案會使運放輸出電壓中包含等效輸入失調；基極接地的方法則不會出現這一問題。


圖1a. 直流對數放大器的基本BJT實現方案，具有電流吸收輸入，產生負輸出電壓


圖1b. 將BJT由npn型改為pnp型，對數放大器變為電流源出電路，輸出為正極性。

增加輸入串聯電阻后，直流對數放大器也可以采用電壓輸入。采用運算放大器的虛地作為參考端，輸入電壓通過電阻轉換為成比例的電流。顯然，運算放大器輸入失調必須盡可能小，才能實現精確的電壓-電流轉換。雙極型晶體管實現方案對溫度變化敏感，但采用基準電流和片內溫度補償能夠顯著降低這種敏感性，下文將對此進行討論。

詳細討論

在圖2所示電路中，BJT對數放大器具有兩個輸入：IIN和IREF。如上一節所述，輸入到IIN的電流使運算放大器A1輸出相應的電壓：



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。在后面的等式中，“Log10”表示以10為底的對數)。


圖2. 采用兩個基本BJT輸入結構，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置電阻，使其降至最低。