對數放大器特性研究與應用分析

摘 要：從分析連續檢波式對數放大器的特性參數入手，對其傳輸函數進行了數學推導，重點討論了影響其傳輸特性的主要因素，通過Matlab和MatrixX仿真，研究了輸入動態范圍與級聯級數、單級增益和對數精度的相互關系，得出了兩點結論：一是在限定動態范圍的前提下采用的級數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構可以提高對數起點，從而提高其穩定性。最后將結論應用于塔康信標接收機實際電路的分析中。

關鍵詞：對數放大器；連續檢波；塔康信標；對數精度

中圖分類號：TN722.5 文獻標識碼：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

對數放大器是一種輸入輸出信號成對數關系的瞬時壓縮動態范圍的放大器。在雷達、通信和遙測等系統中，接收機輸入信號的動態范圍通常很寬，信號幅度常會在很短的時間間隔內變化70～120 dB，但輸出信號應保持在20～40 dB范圍內，對數放大器正好可以滿足這種要求。軍用塔康信標接收機在中頻放大級采用了對數放大器，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定，保證了后續電路對詢問脈沖的精確定時。

1 功能與結構

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

由圖1可見，塔康信標接收機整個對數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饋送至加法器將各級檢波信號進行幅度相加，其輸出脈沖幅度是隨輸入信號幅度的變化而按對數規律壓縮的放大輸出。

圖1 塔康信標接收機對數放大器原理圖

2 特性分析與仿真

2.1 振幅特性

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

當輸入電壓較小時放大器工作于線性區，其增益為K，當輸入電壓較大時放大器工作于限幅區，其限幅電平為uL。可以證明：利用這種電壓連續相加法得到的振幅特性只能是近似的對數關系，所以連續檢波式對數放大器也稱為似對數放大器。其特性曲線如圖2(b)所示。

圖2 對數放大器的振幅特性

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

uo=KD(Kui+Ku2i+…+Kn-1ui+Knui)

式中，KD為檢波器的電壓傳輸系數。

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

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系。等式右邊的第一項為對數項，第二項為非對數項。

2.2 動態范圍

對數放大器的動態范圍一般是指輸入電壓的動態范圍。連續檢波式對數放大器的輸入動態范圍為：

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

用對數表示時為:Di′=20lg Di(dB)

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

2.3 對數精度

對數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表示實際對數特性曲線上與該輸入電壓對應的輸出電壓，uot表示理想對數特性曲線上與該輸入電壓對應的輸出電壓，一般用對數特性曲線上的最大偏差值δmax來表示對數特性的精度。在實際應用中，通常用測量對數特性曲線對 “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各個測量點進行線性擬合計算得來的。當n足夠大且單級增益K選得不太大時，對數特性偏差不大。

2.4 仿真與分析

這里采用基于MatrixX軟件開發平臺對對數放大器進行特性仿真。若要達到80 dB的輸入動態范圍，可采用七級限幅放大器級聯來實現(單級增益為14 dB)，亦可采用九級來實現(單級增益為10 dB)，其中九級級聯結構可分為單放大鏈和圖1所示的雙放大鏈兩種形式。七級級聯對數放大器的仿真圖如圖3所示。

圖3 七級級聯對數放大器仿真結果

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

通過matlab軟件對以上仿真結果進行分析，對數放大器的輸入/輸出傳輸特性及對數精度如圖4(a)、(b)所示。下面一條曲線是對數放大器輸出電壓與輸入功率電平的關系曲線，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 七級放大器仿真結果

表2 九級放大器仿真結果

圖4 對數傳輸特性曲線圖

從上面的仿真分析中，可以得到以下結論：

若限定對數放大器的輸入動態范圍，采用的級數越多，相應地單級增益就會越小，而能達到的對數關系卻更準確。由圖4(a)、(b)可以看出，要達到80 dB的動態范圍，七級級聯對數放大器的單級增益需取14 dB，但對數精度為±1 dB；而九級級聯對數放大器的單級增益可取10 dB，對數精度卻達到±0.5 dB。顯然，九級級聯的對數精度更高。

3 實際應用

由于SDLA具有易于級聯、調試方便、動態范圍寬等優點，因此塔康信標接收機中也采用了圖1結構的SDLA。其實際電路使用了九級具有統一響應特性的限幅放大器SL521C，且單級增益為10 dB，并將每級的輸出分別進行檢波再送到加法器進行幅度相加。其中七級級聯作為主放大級，具有60 dB的壓縮范圍，另外兩級作為輔助放大級，用以擴展動態范圍的上限。輸入信號經電阻分壓后加至輔助放大級的輸入端，再經兩級檢波后送入加法器，所以在主放大級提供的60 dB動態范圍的基礎上，能使通道動態適應能力再提高20 dB，從而將對數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，在塔康信標接收機中采用九級來達到80 dB的動態范圍，能夠精確逼近對數特性；其次，采用雙放大鏈結構，能夠提高對數起點，從而提高了對數放大器的信噪比，提高穩定性，保證了接收機在整個動態范圍內對信號的精確定時。

參考文獻

[1]劉家樹.大動態連續檢波式對數放大器的設計[J].微電子學，2004，34(5):575—577.

[2]弋穩.雷達接收機技術[M].北京:電子工業出版社，2005.

[3]龐佑兵，梁偉.一種低噪聲大動態連續檢波式對數放大器的設計[J].微電子學，2001，31(4):282—285.

作者簡介

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

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

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。