真對(duì)數(shù)放大器在接收前端中的應(yīng)用

張宇平，陳 鐳，劉紅兵

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051；2.成都天箭科技有限公司,成都 610041)

真對(duì)數(shù)放大器在接收前端中的應(yīng)用

張宇平1，陳 鐳2，劉紅兵1

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051；2.成都天箭科技有限公司,成都 610041)

分析了真對(duì)數(shù)放大器(TLA)的基本原理，對(duì)真對(duì)數(shù)放大器傳輸函數(shù)進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)，給出了一個(gè)70 dB動(dòng)態(tài)范圍真對(duì)數(shù)放大器應(yīng)用實(shí)例，從其噪聲特性與靈敏度基線關(guān)系入手，分析了在增益不高的接收前端應(yīng)用中真對(duì)數(shù)放大器對(duì)系統(tǒng)噪聲的影響，指出了需要注意的問(wèn)題。

真對(duì)數(shù)放大器；噪聲；動(dòng)態(tài)范圍；帶寬

0 引 言

對(duì)數(shù)放大器是一種常用的擴(kuò)展接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的器件。對(duì)一個(gè)線性接收機(jī)(由線性放大器組成的接收機(jī))而言，其動(dòng)態(tài)達(dá)到60 dB以上就比較困難；但對(duì)一個(gè)對(duì)數(shù)接收機(jī)(由線性放大器和對(duì)數(shù)放大器組成的接收機(jī))而言，其動(dòng)態(tài)達(dá)到80 dB甚至90 dB已成為現(xiàn)實(shí)。對(duì)數(shù)放大器放大增益隨輸入信號(hào)呈對(duì)數(shù)曲線變化，它克服了限幅放大器在大信號(hào)輸入時(shí)對(duì)波形影響較大的缺陷，且在使用時(shí)無(wú)需設(shè)計(jì)另外的控制電路，這就使得對(duì)數(shù)放大器在通信、雷達(dá)以及各種放大和電子測(cè)量設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。

在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，像動(dòng)態(tài)目標(biāo)顯示雷達(dá)接收機(jī)中，雷達(dá)接收機(jī)需要處理的回波信號(hào)起伏大，即輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍寬，因此，為了有效地防止由干擾電壓引起的過(guò)載，將寬輸入動(dòng)態(tài)范圍壓縮成窄的輸出動(dòng)態(tài)范圍，并保留輸入信號(hào)的幅度、頻率、相位信息，常采用瞬時(shí)自動(dòng)增益控制(IAGC)和對(duì)數(shù)放大器。以上2種抗過(guò)載電路中，對(duì)數(shù)放大器具有獨(dú)特的優(yōu)越性，其中中頻輸入、中頻輸出幅度呈對(duì)數(shù)特性，中頻輸出信號(hào)的頻率和相位是輸入信號(hào)的精確再現(xiàn)。采用對(duì)數(shù)放大器的接收機(jī)，對(duì)各種干擾都有較強(qiáng)的抑制作用，而且在強(qiáng)干擾之后，接收機(jī)靈敏度可以立即恢復(fù)而電路沒(méi)有慣性，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[1]。

對(duì)數(shù)放大器分為真對(duì)數(shù)放大器(雙增益對(duì)數(shù)放大器)和連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器。連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器只保留了幅度信息，而損失了相位信息，真對(duì)數(shù)放大器則很好地保留了信號(hào)的相位信息和幅度信息，對(duì)于輸出為中頻信號(hào)的接收前端應(yīng)用比較適合。但是真對(duì)數(shù)放大器的噪聲系數(shù)對(duì)接收前端的影響報(bào)道不多，如何根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要選取合適的真對(duì)數(shù)放大器還是很有必要的，本文的出發(fā)點(diǎn)便在于此。

1 真對(duì)數(shù)放大器的工作原理

真對(duì)數(shù)放大器的原理框圖見(jiàn)圖1。每一級(jí)包括2個(gè)放大器，其中放大器A為通常放大器，在輸入小信號(hào)時(shí)，增益為K，它的增益量很大；而在輸入信號(hào)增大到一定程度時(shí)，放大器就會(huì)飽和。放大器B是增益為1的放大器，它的作用是把前一級(jí)放大器的輸出電壓無(wú)變化地傳送到末級(jí)的負(fù)載上去。

圖1 真對(duì)數(shù)放大器的原理框圖

對(duì)于每一級(jí)放大器而言，它的放大特性為：

(1)

當(dāng)輸入信號(hào)ui由小增大時(shí)，開始放大器各級(jí)都不限幅，輸出uo=(k+1)nui，放大倍數(shù)最大；隨著ui增大，首先第n級(jí)放大器開始限幅，此時(shí)的輸出uo1=uL/k+uL，輸入為ui1=(uL/k+uL)/(k+1)n。隨后(n-1)級(jí)限幅，依次類推，當(dāng)?shù)趉級(jí)開始限幅時(shí)，對(duì)應(yīng)uik、uok分別為:

(2)

由式(2)可得出真對(duì)數(shù)放大器的輸出表達(dá)式為:

(3)

可見(jiàn)這類放大器是服從對(duì)數(shù)率的，即輸入按幾何率增大，輸出按代數(shù)率增大[1]。圖2所示為真對(duì)數(shù)放大器特性曲線。

圖2 真對(duì)數(shù)放大器特性曲線

2 對(duì)數(shù)放大器噪聲與基線靈敏度關(guān)系

表1列出了對(duì)數(shù)放大器輸入端的電壓噪聲譜密度所對(duì)應(yīng)的噪聲系數(shù)(NF)，這里假設(shè)采用了50Ω的信號(hào)源，而且對(duì)數(shù)放大器輸入端上的凈電阻負(fù)載為50Ω。

表1 對(duì)數(shù)放大器的電壓噪聲譜密度(VNSD)與噪聲系數(shù)關(guān)系

這個(gè)“測(cè)量本底“是一個(gè)比NF更為有用的量度，因?yàn)樗砻鳎谶@個(gè)數(shù)值以下的信號(hào)功率測(cè)量將是不精確的。假設(shè)噪聲波形為高斯型，那么，對(duì)于一個(gè)接近-73.46 dBm測(cè)量本底限的實(shí)際單音調(diào)正弦波輸入而言，所給出的指示功率將非常接近同一個(gè)量值。

下面將結(jié)合實(shí)際電路來(lái)驗(yàn)證對(duì)數(shù)放大器的噪聲與靈敏度基線關(guān)系。

3 真對(duì)數(shù)放大器應(yīng)用實(shí)例

設(shè)計(jì)一個(gè)接收前端，要求輸出中頻幅度100 mV～2 V，動(dòng)態(tài)范圍≥55 dB，噪聲系數(shù)≤4 dB。其包含限幅器、開關(guān)、時(shí)間靈敏度控制(STC)衰減器、低噪放、開關(guān)組、移相器、混頻器、中頻放大器、真對(duì)數(shù)放大器等。產(chǎn)品輸出分為2路：一路輸出為一般中頻放大器；另一路輸出為真對(duì)數(shù)放大器，原理框圖如圖3所示。接收前端的輸入電平范圍為-80 ～-25 dBm。增益設(shè)計(jì)80 dB。輸入端有STC衰減器[2]，在大信號(hào)時(shí)衰減，保證前端低噪放不飽和。

圖3 含有真對(duì)數(shù)放大器的接收前端原理框圖

針對(duì)本接收前端的特點(diǎn)，一般AGC模式輸出的電平恒定，無(wú)法實(shí)現(xiàn)輸出電平有一定的動(dòng)態(tài)范圍要求，且輸出要求為中頻信號(hào)，這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍≥70 dB的真對(duì)數(shù)放大器來(lái)保證整個(gè)接收前端的輸入動(dòng)態(tài)范圍和輸出動(dòng)態(tài)范圍。

對(duì)于噪聲系數(shù)指標(biāo)，根據(jù)n級(jí)放大器級(jí)聯(lián)的噪聲系數(shù)公式(4)所示，如果第1級(jí)放大器增益足夠大，后級(jí)放大器的噪聲影響幾乎可以忽略，但如果前級(jí)放大器的增益不夠高，后級(jí)噪聲系數(shù)影響將迅速增大。 設(shè)計(jì)時(shí)，分配限幅開關(guān)插損-1.2 dB，STC開關(guān)-1～-2 dB，低噪放噪聲系數(shù)1.2 dB，增益30 dB，整個(gè)前端估算噪聲系數(shù)4 dB，則：

(4)

式中：Gn為第n級(jí)增益，用比率表示；Fn為第n級(jí)噪聲系數(shù)，用比率表示。

3.1 真對(duì)數(shù)放大器設(shè)計(jì)

真對(duì)數(shù)放大器參數(shù)：對(duì)數(shù)精度≤±0.5 dB；動(dòng)態(tài)范圍≥70 dB(-70 dB～0 dB)；中心頻率60 MHz；帶寬7 MHz。

設(shè)計(jì)采用6級(jí)真對(duì)數(shù)放大器SL531和1級(jí)SL560普通放大器，每級(jí)SL531放大器分配8 dB增益，總增益60 dB，保證動(dòng)態(tài)范圍70 dB[3]。 6級(jí)真對(duì)數(shù)放大器電路原理圖如圖4所示。該電路簡(jiǎn)單、成熟、穩(wěn)定，可以方便調(diào)整每級(jí)放大器增益，已在不少設(shè)計(jì)中廣泛采用。

圖4 6級(jí)真對(duì)數(shù)放大器

3.2 測(cè)試結(jié)果

實(shí)際測(cè)試6級(jí)真對(duì)數(shù)放大器的輸出噪聲系數(shù)為23.596 dB(60 MHz)。噪聲測(cè)試結(jié)果如表2所示，輸入和輸出關(guān)系見(jiàn)圖5。可以看出，在輸入-70～-20 dBm的線性度保持很好，輸入10 dB輸出電平差別在0.3 V左右，對(duì)數(shù)精度基本在±0.5 dB內(nèi)，在2端趨于平緩，對(duì)數(shù)精度較差，詳見(jiàn)圖6[4]。在限定動(dòng)態(tài)范圍的前提下，采取的級(jí)數(shù)越多，單級(jí)增益越低，對(duì)數(shù)精度也就越高。如果采用5級(jí)，每級(jí)放大器的增益就要12 dB，對(duì)數(shù)精度就要差很多。

表2 真對(duì)數(shù)放大器噪聲測(cè)試結(jié)果

圖5 輸入功率-輸出電壓關(guān)系圖

接收前端測(cè)試結(jié)果如下：中頻放大器一路的噪聲系數(shù)5.3 dB。真對(duì)數(shù)放大器一路輸入和輸出電平對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 接收前端輸入和輸出電平對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖6 接收前端輸入輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系及對(duì)數(shù)精度結(jié)果

3.3 結(jié)論分析

為了驗(yàn)證對(duì)數(shù)放大器的噪聲系數(shù)與其工作帶寬和測(cè)量本底功率電平關(guān)系，實(shí)際測(cè)試對(duì)數(shù)放大器實(shí)例的噪聲系數(shù)，結(jié)果是吻合的。雖然真對(duì)數(shù)放大器能夠滿足接收前端的動(dòng)態(tài)范圍和輸出幅度，但單測(cè)接收前端的中頻那一路噪聲系數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)比要求大了不少。

經(jīng)分析原因如下：對(duì)于該接收前端而言，最小輸入信號(hào)-80 dBm，增益80 dB左右，總增益并不高，為了保證真對(duì)數(shù)放大器的輸入動(dòng)態(tài)范圍，也要求輸入前級(jí)增益不能太高(實(shí)際凈增益為20 dB)，否則對(duì)數(shù)放大器的上限會(huì)平緩，對(duì)數(shù)精度誤差變大。真對(duì)數(shù)放大器的噪聲系數(shù)相比一般中頻放大器噪聲系數(shù)還是比較大的，不可忽視。分配噪聲指標(biāo)時(shí)就要考慮對(duì)數(shù)放大器的噪聲系數(shù)影響了，這是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。當(dāng)真對(duì)數(shù)放大器的噪聲按5 dB和24 dB分別考慮時(shí)，根據(jù)級(jí)聯(lián)噪聲公式(4)，整個(gè)接收前端的總噪聲系數(shù)差別就會(huì)很大，差別有2 dB左右，原因就是前面放大器增益不夠高所致。所以在前面沒(méi)有足夠的增益來(lái)壓制對(duì)數(shù)放大器對(duì)總噪聲系數(shù)影響時(shí)，就要選取靈敏度更高或動(dòng)態(tài)范圍更大的對(duì)數(shù)放大器來(lái)保證。

將前級(jí)放大器增益提高3 dB，接收前端噪聲系數(shù)由5.3 dB變?yōu)? dB，改進(jìn)非常明顯。相應(yīng)改變真對(duì)數(shù)放大器的總增益，使真對(duì)數(shù)放大器對(duì)數(shù)精度滿足要求。另外降低STC衰減器的輸入損耗，也減小了整個(gè)前端的噪聲系數(shù)，最終噪聲系數(shù)滿足整個(gè)接收前端要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例及噪聲分析，給出了采用對(duì)數(shù)放大器體制的接收機(jī)分配噪聲指標(biāo)需要注意的問(wèn)題，即選用真對(duì)數(shù)放大器僅僅選擇其動(dòng)態(tài)范圍滿足要求是不夠的，其噪聲系數(shù)也是必須要考慮的問(wèn)題。該前端的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)于采用對(duì)數(shù)放大器的接收機(jī)應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

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[3] 唐麗均，周熙，易文翠.一種高頻真對(duì)數(shù)放大器的設(shè)計(jì)[J].重慶郵電學(xué)院學(xué)報(bào)(自然版)，2006,18(6)：683- 685.

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Application of True Logarithm Amplifier to Receiver Front-end

ZHANG Yu-ping1,CHEN Lei2，LIU Hong-bing1

(1.The 13th Research Institute，CETC，Shijiazhuang 050051，China；2.Chengdu Tianjian Technology Co.Ltd,Chengdu 610041,China)

This paper analyzes the basic principle of true logarithm amplifier (TLA),performs the mathematic deduction to transmission function of TLA,gives an application example of TLA with 70 dB dynamic range,starting from the relationship between the noise characteristic and sensitivity baseline,analyzes the influence of TLA on system noise in the application of receiver front-end with lower gain,points out the problems need to be noticed.

true logarithm amplifier;noise;dynamic range;bandwidth

2016-04-15

TN722.58

A

CN32-1413(2016)06-0108-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.06.023