CN101938255B - 低于100mW低功耗真对数放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低于100mW低功耗真对数放大器，包括一个输入匹配网络、一个限幅放大器/连续检波式对数放大器、一个线性电压电流变换器和幅度可调放大器。本发明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。本发明制造出的低功耗真对数放大器的体积为15×10×5mm³、电源电流18mA、工作电压2.7V～5V，比传统的真对数放大器的体积大幅缩小(缩小80％以上)、功耗大幅降低(降低87.85％以上)。本发明电路广泛应用于通讯、雷达、声纳和电子对抗等领域。

Description

低于100mW低功耗真对数放大器

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、低压、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。

背景技术

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G_H和一单位增益放大器G_L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G_L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，整个工作电流在136mA～200mA左右，因此功耗较大(一般大于1.5W)；各单元电路间采用交流藕合，很难集成化，造成整个真对数放大器的体积也比较大；另外，由于级联级数多，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。

专利文献1的“真对数放大器”(ZL200710078624.5)，较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。但对于当今不断发展的低压低功耗应用来说，还是不能很好地解决目前整机的一些低压低功耗应用要求，如工作电压2.7～5V、功耗＜100mW的条件要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于发明一种新的低功耗真对数放大器，不仅解决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，而且能够很好满足当今大动态、低压、低功耗应用，且便于批量生产。

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低于100mW低功耗真对数放大器包括：

一个输入匹配网络，其输入端通过第一隔直流电容(C1)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；

一个线性电压电流变换器：其输入端与连续检波式对数放大器输出端相连，将来自连续检波式对数放大器的电压信号线性地变换成电流信号，所述的线性电压电流变换器采用2.7V～5V低压单电源运算放大器(U2)和电阻(R3、R4、R5、R6)构成。

一个幅度可调放大器：其输入端分别与所述限幅放大器和线性电压电流变换器输出端相连，将来自限幅放大器的限幅信号经线性电压电流变换器输出的电流信号线性调幅后，经第二隔直流电容(C3)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(R1)与第一电容(C2)连接而成，其输入的阻抗为40-60欧姆。

所述限幅放大器、连续检波式对数放大器和幅度可调放大器采用其集成一体的美国Analog Devices Inc.公司的AD8309集成电路(U1)。

有益效果：

由于本发明的低功耗真对数放大器采用了上述技术方案，通过采用连续检波式对数放大器、限幅放大器、线性电压电流变换器和幅度可调输出放大器相互级连来实现，取消了专利文献1中的乘法器，使真对数放大器能够在2.7V～5V的电源电压下工作，静态电流只有18mA，功率仅48.6mW(2.7V时)，不仅降低元器件成本，缩小了器件体积，而且大大拓展了真对数放大器的工作频率范围(本发明可以工作在5MHz～500MHz)，动态范围大于90dB，对数精度优于±1dB。

与传统的真对数放大器相比，本发明的低功耗真对数放大器具有以下特点：

1.本发明的低功耗真对数放大器的体积为15×10×5mm³，比传统真对数放大器的体积缩小96％(采用传统的实现方式，其体积为70×30×10mm³)；比专利文献1的体积缩小80％(专利文献1的体积为38×20×5mm³)。

2.本发明的低功耗真对数放大器的电源电流18mA/2.7V～5V，比传统真对数放大器的功耗大幅降低98.84％(采用传统的实现方式，其电源电流为200mA/12V)；比专利文献1的功耗降低87.85％(专利文献1的功耗为40mA/±5V)；因此，本发明电路能够很好地满足电压低功耗应用。

3.本发明的低功耗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。

附图说明

图1是传统真对数放大器的电路框图；

图2是本发明的低功耗真对数放大器的电路框图；

图3是本发明采用的连续检波式对数放大器、限幅放大器和幅度可调放大器(AD8309)电路框图；

图4是本发明一个实施例的低功耗真对数放大器电路的电原理图。

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。

本发明的低功耗真对数放大器的电路框图如图2所示，本发明的低功耗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、一个连续检波式对数放大器、一个线性电压电流变换器和幅度可调放大器。

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)；该视频信号由线性电压电流变换器线性变换换成电流信号(公式3)。然后两路信号由幅度可调放大器线性调幅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信息，电路实现了真对数放大功能(公式3)。

V_O1＝A cos(ω₀t+ΔΦ)                    (1)

公式1中，V_O1是输出电压，ΔΦ是相位变化，A为限幅电平(常数)，ω₀t是输入频率。

V_O2＝V_Ylog(V_IN/V_X)                      (2)

公式2中：V_O2是输出电压，V_Y是对数效率，V_IN为输入电压；V_X是对数起点电压(输出为0时的输出电压)。

I_L＝K×V₀₂                               (3)

公式3中：V_O2是线性电压电流变换器的输入信号(即连续检波式对数放大器的输出信号)，K是线性电压电流变换器的变换系数，I_L为输出电流。

V_O＝V₀₁×R2×I_L＝R2×K×A×V_Y×log(V_IN/V_X)×cos(ω₀t+ΔΦ)   (4)

公式4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。

本发明的低功耗真对数放大器的电原理图如图4所示。外部输入信号经输入端IN通过一隔直电容(C1)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(C2)接地，AD8309的LMDR端经一限幅电流调整电阻R3接线性电压电流变换器的输出(即运算放大器U2的输出)。AD8309的LMHI接电源，LMLO端通过一电阻(R2)接电源，再经过一隔直电容(C3)接输出端。AD8309的VLOG是对数输出端，通过电阻(R4)与运算放大器(U2)负向输入端相连，(R5)是调节电流斜率的电阻，(R6、R7)是调节输出电流幅度电阻。

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(R1)及一电容(C2)组成；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，其输出端与一个幅度可调放大器相连，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(一90dBm～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，其输出端与一个线性电源电流变换器相连，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、检波式对数放大器和幅度可调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/2.7V～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；幅度可调放大器最大可提供额外的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。

一个线性电压电流变换器，其输入端与连续检波式对数放大器输出端相连，将来自连续检波式对数放大器的电压信号线性地变换成电流信号。其输出端与幅度可调放大器相连。

一个幅度可调放大器，其输入端分别与所述限幅放大器和线性电压电流变换器相连，它是将限幅放大器的输出信号由线性电压电流变换器的电流信号线性调幅后，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。所述幅度可调放大器采用美国Analog Devices Inc.公司的AD9309来实现(AD8309同时集成了连续检波式对数放大器、限幅放大器和幅度可调放大器)。

本发明的低功耗真对数放大器采用常规标准的SMT(Surface Mounting Technology)工艺制造。

Claims (3)

1.一种低于100mW低功耗真对数放大器，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(C1)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；

一个线性电压电流变换器：其输入端与连续检波式对数放大器输出端相连，将来自连续检波式对数放大器的电压信号线性地变换成电流信号，所述的线性电压电流变换器采用2.7V～5V低压单电源运算放大器(U2)和电阻(R3、R4、R5、R6)构成。

一个幅度可调放大器：其输入端分别与所述限幅放大器和线性电压电流变换器输出端相连，将来自限幅放大器的限幅信号经线性电压电流变换器输出的电流信号线性调幅后，经第二隔直流电容(C3)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所述的低于100mW低功耗真对数放大器，其特征在于所述输入匹配网络由第一电阻(R1)与第一电容(C2)连接而成，其输入的阻抗为40-60欧姆。

3.根据权利要求1所述的低于100mW低功耗真对数放大器，其特征在于所述限幅放大器、连续检波式对数放大器和幅度可调放大器采用其集成一体的美国Analog Devices Inc.公司的AD8309集成电路(U1)。

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