基于AD8306的寬帶大動態范圍對數放大器設計

袁乙木，馬尚昌

（成都信息工程大學 四川 成都　610225）

基于AD8306的寬帶大動態范圍對數放大器設計

袁乙木，馬尚昌

（成都信息工程大學 四川 成都610225）

對數放大器實實質上就是一種對數變換器，是指輸出信號幅值與輸入信號幅值呈對數函數關系的基本放大電路。在電子測量技術領域之中，某些信號的電壓具有比較寬的動態范圍，例如在雷達、聲納等無線電接受系統中，接收機前端信號動態范圍可以達到120dB甚至更高。一般的線性放大器不能處理這樣寬的動態范圍，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計中，采用大動態范圍對數放大器設計技術。本文介紹了一種核心器件為AD8306的大動態范圍對數放大器的設計，實現了90dB的動態范圍，寬帶頻率，靈敏度高。采用該方法實現的對數放大器動態范圍大，電路簡單易于實現，如果采用多片芯片級聯還可以實現更大動態范圍的對數放大器。實際應用表明，本文給出的設計方法合理有效，具有很高的使用價值。

測量；對數放大器；寬帶；大動態范圍

放大器是能把輸入信號的電壓進行放大的設備，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、自動控制等各種設備中。

實際的對數放大器常常是同時具有線性和對數放大功能的。當輸入信號比較弱的時候，它就是線性放大器，增益較大；當輸入信號比較強的時候，它就會變成對數放大器，增益隨著輸入信號的增強而減小。對數放大器在雷達設備也中有非常重要的作用。它不但能夠保證雷達接收機有非常寬的動態范圍，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，還可歸一化角誤差信號；對于動目標顯示雷達，還可抑制固定目標起伏。

1　對數放大器的基本原理

對數放大器不是采用一個對數放大器的對數特性的，而是用幾個相同的線性放大器級聯來分段線性逼近對數函數［2］。其核心是每一級的限幅放大器。對于N個限幅放大器級聯構成的對數放大器，EMAX是限幅放大器飽和電壓，A是放大倍數，當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，飽和的級數就會越多。當輸入信號值大于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（M≤N）。

2　硬件系統設計

如圖1所示，本設計硬件電路結構主要由電源模塊、信號輸入模塊、信號調理模塊、對數輸出模塊、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。對數輸出模塊經過放大后的電壓值是對數輸出端電壓值的2倍。還可以根據具體的需要對輸出電壓值進行放大。

圖1　硬件系統結構框圖

圖2　AD8306引腳圖

2.1特性指標

AD8306引腳圖如圖2所示，它是一款完整、完全的對數—限幅中頻放大器，它具有較高的動態范圍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，其主要指標如下：

1）100 dB動態范圍：-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對數輸出連接電路

AD8306的對數輸出基本連接電路如圖3所示。

圖3　對數輸出基本連接圖

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載電流供電端；引腳16為對數輸出端。

2.3對數輸出理想模型

對數輸出基本連接如圖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。當引腳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值。電容與電阻組成的網絡能夠使大約600 kHz的高頻率信號通過。轉角頻率應該被設置的越高越好，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，應該讓引腳9處于開路狀態，引腳12，13與引腳15連接，并通過電容與地相連。

AD8306實現對數功能的理想模型如圖4所示。

圖4　輸入信號與輸出電平關系曲線圖

輸出電壓VOUT=0.02V/dB*（VIN-（-108 dBV））。

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

3　測試結果分析

如表1到表3所示，各表中的數據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系。在測試過程中，用的測量工具有萬用表、穩壓電源、頻譜分析儀。萬用表用于測量輸出的電壓值，穩壓電源用于給硬件系統供電，頻譜分析儀用于產生動態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動態范圍。經分析，該設計能夠達到預期的大動態范圍要求。

由表中數據可以分析得到，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　結束語

本文介紹的對數放大器的設計動態范圍大，對數變換精準，對小信號的處理有較高的效應。對數放大器的應用主要不在于信號的放大，而是實現對數變換。本電路設計簡單，易于實現。在本設計以外，還可以設計一些擴展模塊，比如在對數輸出端可以連接一個電壓監測模塊，實現對小信號的監測，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時輸出與輸入的關系

表2　輸入信號頻率為100 MHz時輸出與輸入的關系

表3　輸入信號頻率為400 MHz時輸出與輸入的關系

［1］羅鵬，丁亞生.對數放大器的原理與應用［J］.電子產品世界，2005（4）：127-128.

［2］張寧，錢時祥.基于AD640大動態范圍對數放大器設計［J］.國外電子測量技術，2007（1）：30-34.

［3］丘衛軍，趙波，楊建.一種實用寬帶檢波對數放大器的設計［J］.電子工程師，2005（8）：36-41.

［4］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.

［5］5MHZ-400MHZ 100 Db High Precision Limiting-Logarithmic Amplifier［EB/OL］.1999.http：//www.analog.com.

［6］郭業才，黃友銳.模擬電子技術［M］.北京：清華大學出版社，2011.

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。