Digi-Key Electronics
Avtor: Rich Miron
2019_274_13

Signali visokega dinamičnega obsega razvijalcem običajno povzročajo velike težave. Kako lahko signale, katerih amplitude presegajo 100 decibelov (dB), uporabimo za linearne ojačevalnike ali analogno-digitalne pretvornike (ADC) s tipičnimi dinamičnimi obsegi od 60 dB do 100 dB? Takšni signali se pojavljajo v napravah za merjenje odmeva, kot so radarji in sonarji, komunikacijski sistemi in sistemi optičnih vlaken. V takih sistemih je za signale z nizko amplitudo potrebno visoko ojačenje, za signale z visoko amplitudo pa je potrebno nizko ojačenje.

Ali obstaja način za dinamično uravnoteženje teh signalov, s čimer bi preprečili izgubo signala pri nižjih frekvencah in omejili ali prirezali najvišje amplitude območja?

Logaritemski ojačevalnik, logaritemski pretvornik ali preprosteje log amp rešuje to težavo z zagotavljanjem visokega ojačenja za signale z nizko frekvenco in postopnim nižanjem ojačenja za signale z višjo frekvenco.

Kaj delujejo logaritemski ojačevalniki
Logaritemski ojačevalniki so nelinearni analogni ojačevalniki, katerih izhod je logaritem vhodnega signala ali ovojnica signala. Vhodne signale z visokim dinamičnim obsegom stisnejo v izhodne signale s fiksnim amplitudnim območjem. To se doseže z zagotavljanjem visokega ojačenja vhodnih signalov nizke ravni in postopnim nižanjem ojačenja signalov višje ravni (slika 1).

Vhodni signal (zgornja sled) je amplitudno moduliran nosilec. Moduliran signal je linearna rampa. Izhod logaritemskega ojačevalnika (srednja sled) zagotavlja večje ojačenje za signale z nizko frekvenco in postopno nižanje ojačenja, ko se raven signala povečuje, kar proizvaja logaritemsko uravnotežen izhodni signal. Spodnja sled je ovojnica izhoda logaritemskega ojačevalnika, ki je izhodna možnost za detektorski logaritemski ojačevalnik. Logaritemski ojačevalnik, uporabljen pred analogno digitalnim pretvornikom (ADC), stisne vhodni signal, da se prilega fiksnemu vhodnemu obsegu ADC-ja.

Topologije logaritemskega ojačevalnika
Obstajata dve različni topologiji logaritemskega ojačevalnika: večstopenjski logaritemski ojačevalnik in enostopenjski logaritemski ojačevalnik. Večstopenjski logaritemski ojačevalnik je odvisen od zaporednega omejevanja v seriji ojačevalnikov. Ta topologija se najpogosteje uporablja z visokofrekvenčnimi signali do nekaj gigahercev, ki so značilni za radarske in komunikacijske aplikacije.

Enostopenjski logaritemski ojačevalnik uporablja diodo ali tranzistor, ki je priključen na diodo, v povratni zanki operacijskega ojačevalnika (op amp). Ta vrsta logaritemskega ojačevalnika je omejena na frekvence pod 20 megahercev (MHz). Logaritemski ojačevalniki s to tehnologijo se običajno uporabljajo s senzorji v krmilnih aplikacijah.

Večstopenjski logaritemski ojačevalnik
Pri večstopenjskih logaritemskih ojačevalnikih se doseže logaritemski odziv amplitude z nizom linearnih ojačevalnikov z dobrimi omejitvenimi karakteristikami preobremenitve, pri čemer izhod vsakega poganja naslednjo stopnjo kot tudi seštevalnik (slika 2).

Ojačevalni niz, ki je prikazan na sliki 2, uporablja štiri ojačevalnike, od katerih ima vsak isto ojačenje A. Signali z nizko amplitudo – pod ravnjo, ki povzroča omejitev v kateri koli fazi – imajo ojačenje N × A ali v tem primeru 4 × A. Ta je prikazana v funkciji prenosa na spodnjem delu slike, kjer ima levi (rdeči) segment ojačenje, enako N × A kot kaže naklon odseka črte za amplitude med nič in VMAX / A4, pri čemer je VMAX največja vhodna napetost.

Ko se vhodna raven povečuje, se v nekem trenutku ojačenje zadnjega ojačevalnika (faza 4) začne omejevati. Skupno ojačenje pade na (N – 1) × A, ali 3 × A. Naklon zelenega segmenta, med vhodno ravnjo VMAX / A3 in VMAX / A4, predstavlja to območje ojačenja. Ko vhodna raven še naprej narašča, se ojačenje ojačevalnikov prejšnjih faz zaporedoma omejuje. Temno modri segment ima ojačenje (N – 2) × A, vijolični segment (N – 3) × A in svetlo moder segment (N – 4) × A ali nič.
Ta konceptualni model pomaga razložiti, kako se z zaporedjem ojačevalnikov razvije logaritemski odziv, vendar pa ima pomanjkljivost. Za vse faze ojačevalnika je značilna zakasnitev širjenja signala. Komponente signala iz prve faze dosežejo seštevalnik pred tistimi v poznejših fazah, kar izkrivlja izhodno valovno obliko. To se lahko popravi s spremembo osnovnega vezja (slika 3).

Ta topologija nadomešča enostopenjske ojačevalnike s pari ojačevalnikov. Vsak par sestavljata omejevalni ojačevalnik, ki zagotavlja ojačenje, kadar je to potrebno, in sledilnik napetosti, če ojačenje ni potrebno. Seštevek se pojavi v vsaki fazi, kar odpravlja zakasnitev, do katere pride pri uporabi enega seštevalnika. Pri majhnih signalih omejevalniki zagotavljajo prevladujočo pot. Ko se amplituda signala poveča, se zadnja faza začne omejevati, kar sledilniku napetosti v tej fazi omogoča, da postane prevladujoči vhod seštevalnika. Povečanje vhodne ravni nadalje povzroči zaporedno omejevanje prejšnjih faz, kar povzroči splošno znižanje ojačenja.

Različica topologije serije ojačevalnikov je logaritemski ojačevalnik z zaporednim zaznavanjem (slika 4).

Logaritemski ojačevalnik z zaporednim zaznavanjem uporablja isto omejevalno verigo ojačitve, ki je bila opisana prej, vendar dodaja vršno zaznavanje po vsaki stopnji. Ti izhodi se seštejejo, da se ustvari ovojnica amplitude izhoda logaritemskega ojačevalnika. Nekatere različice oddajajo tudi logaritemsko ojačene signale. Detektorji so lahko polvalni ali polnovalni usmerniki, odvisno od zasnove vezja. Logaritemska ovojnica je uporabna v primerih, ko je treba izločiti zaznano raven signala. Takšni primeri vključujejo samodejne krmilnike ojačenja in kazalnike jakosti sprejemnega signala (RSSI).Dober primer komercialnega večstopenjskega demodulacijskega logaritemskega ojačevalnika je Analog DevicesAD8310ARMZ-REEL7 (slika 5).

AD8310 ima diferencialni vhod z dinamičnim razponom 95 dB prek pasovne širine 440 MHz z linearnostjo ± 0,4 dB. Ima šest ojačevalnikov, od katerih ima vsak nominalno ojačenje 14,3 dB (ojačenje 5,2) in pasovno širino 900 MHz. Vsak ojačevalnik poganja detektor s tokovnim izhodom, ki se pretvori v napetost z vmesnim ojačevalnikom in nato v izhod.

Enostopenjski logaritemski ojačevalnik
Kot smo že omenili, je alternativna topologija z enosmernim logaritemskim ojačevalnikom. Ta uporablja diodo ali tranzistor, ki je priključen na diodo, v povratni poti operacijskega ojačevalnika. Najpogosteje uporabljena konfiguracija je tranzistor, priključen na diodo (slika 6A). Napetost na tranzistorskem izhodnem stiku je sorazmerna z logaritmom toka skozi njega. Če imamo tranzistor, ki je priključen na diodo, v povratni poti operacijskega ojačevalnika, dobimo izhodno napetost, ki je sorazmerna z logaritmom razmerja vhodnega toka in nasičenostjo toka oddajnika (IES).

Omejitev preproste konfiguracije, prikazane na sliki 6(A), je v tem, da je njen izhod odvisen od temperature, kot je prikazano v enačbi, kjer je T temperatura v stopinjah Kelvina, in od nasičenosti toka oddajnika, IES. S konfiguriranjem dveh takšnih ojačevalnikov v obliki diferencialnega para, kot je prikazano na sliki 6(B), se lahko ta odvisnost močno zmanjša. Diferencialna različica je transimpedančni ojačevalnik, ki izračuna logaritem razmerja IIN 2 / IIN 1 in ima napetostni izhod. IIN 1 je običajno nastavljen kot fiksni referenčni tok.

Izdelek Texas InstrumentsLOG114AIRGVT je enostopenjski logaritemski ojačevalnik, ki ima dinamični obseg do osem dekad s pasovno širino 5 MHz. Konfiguriramo ga lahko kot logaritemski ojačevalnik ali ojačevalnik z logaritemskim razmerjem. Poleg temperaturno kompenziranega ojačevalnika vključuje tudi dva operacijska ojačevalnika in 2,5-voltni referenčni vir napetosti (slika 7).

Texas Instruments ponuja model vezja za LOG114, ki oblikovalcem omogoča simuliranje njihovih modelov na simulatorju vezij TINA-TI Texas Instruments (slika 8).

To vezje uporablja vgrajeno referenčno napetost 2,5 volta za vzpostavitev referenčnega toka I1 pri 1 mikroamperu (µA). Spremljevalna funkcija prenosa kaže linearni odziv v sedmih dekadah od 100 pikoamperov (pA) do 1 miliampera (mA) v tokovnem razponu 140 dB. Izhod logaritemskega ojačevalnika se prilagodi z uporabo enega od dveh dodatnih operacijskih ojačevalnikov, s čimer ustvarimo enačbo funkcije prenosa: Vout = -0,249 x log (I1 / I2) + 1,5 volta.

Zaključek
Z logaritemskimi ojačevalniki lahko razvijalec obdeluje signale širokega dinamičnega obsega bodisi v osnovnem pasu ali VF. Ti ojačevalniki stisnejo signal širokega dinamičnega obsega v fiksno izhodno območje, kar preprečuje prekoračitev in prirezovanje signala v naslednjih fazah. Rešitve logaritemskih ojačevalnikov so v prodaji pogosto podprte celo s spletnimi orodji za simulacijo, ki pomagajo pri procesu oblikovanja

www.digikey.com