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對數放大器

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對數放大器,是指輸出信號幅度與輸入信號幅度呈對數函數關係的放大電路。主要將信號轉換成其等效對數值涉及到一種非線性運算放大器。
中文名
對數放大器
外文名
logarithmic amplifier
性    質
放大電路
特    點
兼具線性和對數放大功能
適用於
雷達通信遙測等系統

對數放大器相關信息

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實際的對數放大器總是兼具線性和對數放大功能,輸入信號弱時,它是一個線性放大器,增益較大;輸入信號強時,它變成對數放大器,增益隨輸入信號的增加而減小。對數放大器在雷達設備中有特別重要的作用。它不僅可以保證雷達接收機有很寬的動態範圍,而且可以限制接收機輸出的雜波干擾電平,達到恆虛警的效果。對於單脈衝雷達(見跟蹤雷達),還可歸一化角誤差信號;對於動目標顯示雷達,還可抑制固定目標起伏。

對數放大器分類

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在許多文獻中,對數放大器的分類也是相當混亂的,根據實現對數函數依據的不同,有的將其分為二極管、三極管對數放大器和級聯對數放大器,有的將其分為真對數放大器和似對數放大器等等。但幾十年來,隨着半導體理論、工藝和模擬集成電路的發展,許多對數放大器實現的方法已經被淘汰,其分類方法也未盡科學。根據市場上現有的對數放大器結構和應用領域的不同,可將對數放大器分為三類:基本對數放大器、基帶對數放大器和解調對數放大器。
基本對數放大器也稱跨導線性(Translinear)對數放大器,它基於雙極性三極管(BJT)的對數特性來實現信號的對數變換。這類對數放大器可以響應緩慢變化的輸入信號,其特點是具有優良的直流精度和非常寬的動態範圍(高達180dB),缺點是交流特性差。
基帶對數放大器也稱視頻對數放大器(雖然很少用於視頻顯示相關的應用),它克服了基本對數放大器的缺點,能夠響應快速變化的輸入。其原理是採用了一種 “逐級壓縮”的技術,交流特性好,但動態範圍較小。
解調對數放大器也稱逐級檢波對數放大器,它具有分段線性近似性質,形成對數級聯後,可以得到很好的對數傳遞函數,在整個動態範圍內對數精度高,同基帶對數放大器相似,也採用多個級聯線性放大器,動態範圍大。

對數放大器原理

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雷達、通信和遙測等系統中,接收機輸入信號的動態範圍通常很寬,信號幅度常會在很短時間間隔內從幾微伏變化到幾伏,但輸出信號應保持在幾十毫伏到幾伏範圍內。採用對數放大器可以滿足這種要求,它能使弱信號得到高增益放大,對於強信號則自動降低增益,避免飽和。 設計良好的對數放大器能達到D1超過100分貝而D2在30分貝以下。除動態範圍外,對數放大器的主要指標還包括對數關係的準確度和頻率響應。
對數中頻放大器和對數射頻放大器,可用相同的方法獲得對數特性。
圖2 圖2
晶體二極管的PN結電壓(見固態電子器件)是結電流的對數函數,用它作為放大電路的負載或反饋元件可以使放大器具有對數幅度特性。使用這種方法雖然電路簡單,但通常只能達到小於50分貝的輸入動態範圍,而且放大器的頻帶受PN結電容的限制,不能太寬。利用多級放大器串聯或並聯相加形成近似對數放大特性,可以獲得較好的結果。圖2是多級串聯相加對數放大器的框圖,其中每級都是一個線性-限幅放大器。當輸入信號弱時,放大器各級均不飽和,總增益最高。隨着輸入信號幅度的增大,從末級起各級放大器依次進入飽和狀態,總增益隨之降低。實用的對數放大器常用 4~10級限幅放大器組成。若規定放大器的動態範圍,較多的級數能達到的對數關係也較準確 [1] 

對數放大器技術指標

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噪聲
所有信號處理系統都受到隨機噪聲的限制,這便對最小信號設置了可被檢測或識別的門限。隨機噪聲和信號輸入端的帶寬密切相關,隨機噪聲常用“噪聲頻譜密度(SND)”來定義,總的噪聲功率與系統的噪聲帶寬BN(用Hz來表示)成正比。在線性系統中,輸出噪聲功率N與系統的帶寬有關,這裏的帶寬通常是指3dB帶寬,對於理想低通系統而言,3dB帶寬就是系統的等效噪聲帶寬。而在非線性系統中例如對數放大器,情況就不同了,即使輸入端很小的噪聲都會引起放大器末級的過載現象。因此對數放大器的主要缺點是會降低大信號的信噪比。
動態範圍
系統的動態範圍的下端在能夠保證測量精度的範圍內受噪聲的限制,而信號範圍的上端受放大器非線性方面的影響。
對數一致性誤差
在消除了參考電流誤差和失調分量後,對數放大器輸出端呈現的實際電壓值與傳輸特性方程所算出的理想值的差值稱為對數一致性誤差。它與器件的動態範圍、頻率特性和温度密切相關 [2] 
參考資料
  • 1.    陸一,何衞國.真對數放大器原理及特性分析[J].微電子學,2011,41(01):48-52
  • 2.    楊法紅,章小梅,欒寶寬.對數放大器特性研究與應用分析[J].現代電子技術,2008(03):182-184