CN100578918C - 真对数放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种真对数放大器，包括一个输入匹配网络、一个限幅放大器、一个带通滤波器、一个限幅放大器/连续检波式对数放大器和一个乘法器。本发明设计的一种新型结构的真对数放大器，很好地解决了传统大动态真对数放大器静态功耗大、体积大和调试困难的技术问题。本发明制造出的真对数放大器的体积为38×20×5mm3、电源电流40mA/±5V，它比传统的真对数放大器的体积大幅缩小、功耗大幅降低。本发明制造的一种大动态、高精度、低功耗真对数放大器，能广泛应用于通讯、雷达、声纳和电子对抗等领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种真对数放大器，特别涉及一种大动态、高精度、低功耗真对数放大器，它直接应用的领域是通讯、雷达、声纳和电子对抗等领域。
(二)背景技术
目前传统的真对数放大器的实现方式是：采用双增益型电路结构，由若干级双增益单元(TLA)通过级联以获得高精度、大动态的真对数放大器，如图1所示。双增益单元(TLA)由一个高增益限幅放大器和一单位增益放大器GL和输出级组成。
在传统的真对数放大器电路结构中，为了保证单位增益放大器GL在整个输入信号动态范围内增益均为1，单元电路的静态工作电流都比较大(通常为17mA～25mA)，若要获得超过80dB的大对数动态范围时，通常需要8级单元电路级联，整个工作电流就在136mA～200mA左右，因此功耗较大；各单元电路间采用交流藕合，很难集成化，造成整个放大器的体积也比较大；另外，级联级数多，对电路的调试也比较困难。因此，采用传统的真对数放大器实现方式和结构，要获得超过80dB的大对数动态范围时，存在静态功耗大、体积大、调试困难的问题。
(三)发明内容
本发明所要解决的技术问题在于发明一种结构新颖的真对数放大器结构，它通过采用连续检波式对数放大器、限幅放大器和乘法器相互级连来实现，很好地解决了传统大动态真对数放大器静态功耗大、体积大和调试困难的问题。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案在于本发明的真对数放大器包包括：
一个输入匹配网络，其输入端通过第一隔直流电容C12与外部输入信号的输入端相连；
一个限幅放大器，其输入端与所述输入匹配网络输出端相连，它对来自外部的输入信号进行放大和限幅后，输出幅度稳定的、保留外部输入信号相位特性的信号；
一个带通滤波器，其输入端与所述限幅放大器输出端相连，对限幅放大器进行滤波；
一个连续检波式对数放大器，其输入端与所述输入匹配网络输出端相连，它对来自匹配网络的外部输入信号进行逐级放大与检波，输出与外部输入信号幅度成对数关系的视频信号；
一个乘法器，其输入端分别与所述带通滤波器和连续检波式对数放大器输出端相连，将来自带通滤波器和连续检波式对数放大器的信号相乘后，经第二隔直流电容C11，输出与外部输入信号成对数关系、频率保持、保留输入信号相位特性信息的信号。
所述输入匹配网络由第一电阻R3与第二电阻R5及第一电容C5连接而成，其输入的阻抗为40-60欧姆。
所述限幅放大器和连续检波式对数放大器采用其集成一体的美国AnalogDevices Inc.公司的AD8309集成电路。
所述乘法器采用美国Analog Devices Inc.公司的AD835集成电路。
所述带通滤波器由第三电阻R11与第四电阻R12、第二电容C1及一电感L2相互连接而成。
所述带通滤波器输入端与所述限幅放大器输出端之间接有第三隔直流电容C7、第四隔直流电容C8。
有益效果：
由于本发明采用了上述技术方案，本发明介绍的一种新型的真对数放大器结构，很好地解决了传统大动态真对数放大器静态功耗大、体积大和调试困难的技术问题。本发明的真对数放大器采用了美国Analog Devices Inc.公司的AD8309来实现连续检波式对数放大器和限幅放大器的功能，并将其与美国AnalogDevices Inc.公司的AD835来相连接，实现了高性能的真对数放大器。
1.本发明的真对数放大器的体积为38×20×5mm3，比传统真对数放大器的体积大幅缩小(采用传统的实现方式，其体积为70×30×10mm3)；
2.本发明的真对数放大器的电源电流40mA/±5V，比传统真对数放大器的功耗大幅降低(采用传统的实现方式，其电源电流为200mA/12V)；
3.本发明的真对数放大器的一致性很好，基本不需要调试，非常便于大批量生产。
(四)附图说明
图1是传统真对数放大器的电路框图；
图2是本发明的电路框图；
图3是本发明采用的连续检波式对数放大器/限幅放大器(AD8309)电路框图；
图4是本发明采用的乘法器(AD835)的电路框图；
图5是本发明一个实施例的真对数放大器电路的电原理图。
(五)具体实施方式
本发明的具体实施方式不仅限于下面的描述，现结合附图加以进一步说明。
本发明的电路框图如图2所示，本发明的真对数放大器电路包括一个输入匹配网络、一个限幅放大器、一个带通滤波器、一个限幅放大器/连续检波式对数放大器和一个乘法器。
本发明技术方案的工作原理为：
输入信号分成两路：一路进入限幅放大器电路，得到幅度稳定的输出信号，信号频率与输入信号相同，并且保留了输入信号的相位信息(公式1)；另一路信号进入连续检波式对数放大器，得到与输入信号幅度成对数关系的视频信号(公式2)。然后两路信号由乘法器相乘后得到输出信号幅度与输入信号成对数关系，且输出频率和输入频率相同，并保留输入信号相位，电路实现了真对数放大功能(公式3)。
VO1＝Acos(ω0t+ΔФ) (1)
公式1中，VO1是输出电压，ΔФ是相位变化，A为限幅电平(常数)，ω0t是输入频率。
VO2＝VYlog(VIN/VX) (2)
公式2中：VO2是输出电压，VY是对数效率，VIN为输入电压；VX是对数起点电压(输出为0时的输出电压)。
VO＝V01×V02＝A×VY×log(VIN/VX)×cos(ω0t+ΔФ) (3)
公式3其实就是真对数放大器的传输特性公式，包含了输入信号的幅度信息、频率信息和相位信息。
本发明的电路原理图如图5所示。外部输入信号经输入端IN通过一个隔直电容C12和输入匹配网络进入限幅放大器/连续检波式对数放大器AD8309(U1)的INHI端，AD8309的INLO端经一电容C5接地，AD8309的LMDR端经一限幅电流调整电阻R8接地。AD8309的LMHI和LMLO端是差分限幅输出端，分别通过一个隔直电路和一个带通滤波器与乘法器AD835(U2)的Y1和Y2端相连。AD8309的VLOG是对数输出端，通过电阻R23与AD835的X2端相连，X1端接地。信号通过AD835相乘后，由AD835的W端通过一隔直流电容C11输出，R18、R19是调节输出幅度电阻。图5中，VCC是正电源，VEE是负电源，R9、R10是限幅输出电阻，R13、R17是直流电平调整电阻。
一个输入匹配网络，其输入端与外部输入信号的输入端相连，其输出端分别连接一个限幅放大器和一个连续检波式对数放大器。所述输入匹配网络由一电阻R3与一电阻R5及一电容C5并联而成；输入匹配网络可以是通用电阻网络，也可以采用LC匹配网络，其输入的阻抗为40-60欧姆。
一个限幅放大器，其输入端与所述输入匹配网络相连，其输出端与一个带通滤波器相连，它对来自外部的输入信号进行放大和限幅后，输出幅度稳定的信号，同时保留输入信号的相位特性。对限幅放大器的要求是：在整个输入信号动态范围内须保持输出幅度稳定，且其工作频率必须覆盖整个电路要求的范围。例如，要研制一个动态范围为90dB(-90dBm～0dBm)的真对数放大器，则要求限幅放大器至少在输入信号为-90dBm～0dBm的动态范围内输出幅度基本不变。
一个连续检波式对数放大器，其输入端与所述输入匹配网络相连，其输出端与一个乘法器相连，它对来自外部的输入信号进行逐级放大与检波，输出与输入信号幅度成对数关系的视频信号；对连续检波式对数放大器的要求是：动态范围必须能覆盖整个真对数放大器的输入动态范围，而且其对数精度必须要能保证整个电路的要求，工作频率能覆盖整个真对数放大器的工作频率。
本发明中的限幅放大器和检波式对数放大器模块采用其集成一体的美国Analog Devices Inc.公司的AD8309来实现。AD8309的动态范围：90dB；对数精度：±0.5dB；带宽：5MHz～500MHz；限幅范围：87dB；相位变化：±3℃；电源电流：16mA/5V，体积：16引脚SSOP封装。能保证真对数放大器的需求。
AD8309的主通道由6级差分放大器/限幅单元级联而成，每级增益为12dB，-3dB带宽850MHz，总增益72dB；可编程的输出级提供额外的18dB增益。每个主增益单元还包含有一个全波检波器；由宽带衰减器驱动的四个检波单元，可将动态范围的高端扩展48dB。
本发明的限幅放大器和检波式对数放大器模块还可采用美国Analog DevicesInc.公司的AD608集成电路。
一个带通滤波器：其输入端与所述限幅放大器相连，其输出端与一个乘法器相连，对限幅放大器进行滤波，其由一电阻R11与一电阻R12、一电容C1及一电感L2相互连接而成。
一个乘法器，其输入端分别与所述带通滤波器和连续检波式对数放大器相连，它是将限幅放大器和连续检波式对数放大器的输出信号相乘后，输出与外部输入信号成对数关系，且频率保持与输入信号一致，同时保留输入信号的相位信息。所述乘法器采用美国Analog Devices Inc.公司的AD835来实现。对乘法器的要求是：工作频率范围要能够覆盖整个真对数放大器的工作范围，且在整个范围连续检波式对数放大器的视频输出信号范围内要保持高的线性度，以保证相乘后的对数精度。本发明用的乘法器采用AD公司的AD835。AD835的主要参数指标：-3dB带宽：250MHz；差分输入信号范围：±1V；差分误差：0.3％(X输入端)，0.1％(Y输入端)；静态电流：16mA；电源电压：±5V。
本发明的乘法器还可采用美国Analog Devices Inc.公司的AD834集成电路。
所述带通滤波器输入端与所述限幅放大器输出端之间有一隔直电路，隔直电路由电容C7、C8构成。
本发明的真对数放大器采用标准的SMT(Surface Mounting Technology)工艺制造。
Claims (6)
1.一种真对数放大器，其特征在于它包括：
一个输入匹配网络，其输入端通过第一隔直流电容(C12)与外部输入信号的输入端相连；
一个限幅放大器，其输入端与所述输入匹配网络输出端相连，它对来自外部的输入信号进行放大和限幅后，输出幅度稳定的、保留外部输入信号相位特性的信号；
一个带通滤波器，其输入端与所述限幅放大器输出端相连，对限幅放大器进行滤波；
一个连续检波式对数放大器，其输入端与所述输入匹配网络输出端相连，它对来自匹配网络的外部输入信号进行逐级放大与检波，输出与外部输入信号幅度成对数关系的视频信号；
一个乘法器，其输入端分别与所述带通滤波器和连续检波式对数放大器输出端相连，将来自带通滤波器和连续检波式对数放大器的信号相乘后，经第二隔直流电容(C11)，输出与外部输入信号成对数关系、频率保持、保留输入信号相位特性信息的信号。
2.根据权利要求1所述的真对数放大器，其特征在于所述输入匹配网络由第一电阻(R3)与第二电阻(R5)及第一电容(C5)连接而成，其输入的阻抗为40-60欧姆。
3.根据权利要求1所述的真对数放大器，其特征在于所述限幅放大器和连续检波式对数放大器采用其集成一体的美国Analog Devices Inc.公司的AD8309集成电路。
4.根据权利要求1所述的真对数放大器，其特征在于所述乘法器采用美国Analog Devices Inc.公司的AD835集成电路。
5.根据权利要求1所述的真对数放大器，其特征在于所述带通滤波器由第三电阻(R11)与第四电阻(R12)、第二电容(C1)及一电感(L2)相互连接而成。
6.根据权利要求1所述的真对数放大器，其特征在于所述带通滤波器输入端与所述限幅放大器输出端之间接有第三隔直流电容(C7)、第四隔直流电容(C8)。
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