低功耗真對數放大器的製作方法

2023-05-18 05:05:46 1

專利名稱：低功耗真對數放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種真對數放大器，特別涉及一種大動態、低壓、低功耗真對數放大 器，它直接應用的領域是通訊、雷達、聲納和電子對抗等領域。
背景技術：
傳統的真對 數放大器的實現方式是採用雙增益型電路結構，由若干級雙增益單 元(TLA)通過級聯以獲得高精度、大動態的真對數放大器，如圖1所示。雙增益單元(TLA) 由一個高增益限幅放大器Gh和一單位增益放大器&和輸出級組成。在傳統的真對數放大器電路結構中，為了保證單位增益放大器在整個輸入信號 動態範圍內增益均為1，單元電路的靜態工作電流都比較大(通常為17mA 25mA)，若要獲 得超過SOdB的大對數動態範圍時，通常需要8級單元電路級聯，整個工作電流在136mA 200mA左右，因此功耗較大(一般大於1.5W)；各單元電路間採用交流藕合，很難集成化，造 成整個真對數放大器的體積也比較大；另外，由於級聯級數多，對電路的調試也比較困難。 因此，採用傳統的真對數放大器實現方式和結構，要獲得超過SOdB的大對數動態範圍時， 存在靜態功耗大、體積大、調試困難的問題。專利文獻1的「真對數放大器」 (ZL200710078624. 5)，較好地解決了傳統大動態真 對數放大器靜態功耗大、體積大和調試困難的問題。但對於當今不斷發展的低壓低功耗應 用來說，還是不能很好地解決目前整機的一些低壓低功耗應用要求，如工作電壓2. 7 5V、 功耗< IOOmW的條件要求。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於發明一種新的低功耗真對數放大器，不僅解決傳 統大動態真對數放大器靜態功耗大、體積大和調試困難的問題，而且能夠很好滿足當今大 動態、低壓、低功耗應用，且便於批量生產。本發明解決上述技術問題所採取的技術方案在於本發明的低功耗真對數放大器 包括—個輸入匹配網絡，其輸入端通過第一隔直流電容(Cl)與外部輸入信號的輸入 端相連；一個限幅放大器，其輸入端與所述輸入匹配網絡輸出端相連，它對來自外部的輸 入信號進行放大和限幅後，輸出幅度穩定的、保留外部輸入信號相位特性的信號；一個連續檢波式對數放大器，其輸入端與所述輸入匹配網絡輸出端相連，它對來 自匹配網絡的外部輸入信號進行逐級放大與檢波，輸出與外部輸入信號幅度成對數關係的 視頻信號；一個線性電壓電流變換器其輸入端與連續檢波式對數放大器輸出端相連，將來 自連續檢波式對數放大器的電壓信號線性地變換成電流信號。一個幅度可調放大器其輸入端分別與所述限幅放大器和線性電壓電流變換器輸出端相連，將來自限幅放大器的限幅信號經線性電壓電流變換器輸出的電流信號線性調幅 後，經第二隔直流電容(C3)輸出與外部輸入信號成對數關係、頻率保持、保留輸入信號相 位特性信息的信號。所述輸入匹配網絡由第一電阻(Rl)與第一電容(C2)連接而成，其輸入的阻抗為 40-60歐姆。所述限幅放大器、連續檢波式對數放大器和幅度可調放大器採用其集成一體的美 國 Analog Devices Inc.公司的 AD8309 集成電路(Ul)。所述的線性電壓電流變換器採用常規的低壓單電源運算放大器(U2)和常規電阻 (R3、R4、R5、R6)構成。
有益效果由於本發明的低功耗真對數放大器採用了上述技術方案，通過採用連續檢波式對 數放大器、限幅放大器、線性電壓電流變換器和幅度可調輸出放大器相互級連來實現，取消 了專利文獻1中的乘法器，使真對數放大器能夠在2. 7V 5V的電源電壓下工作，靜態電 流只有18mA，功率僅48. 6mff(2. 7V時)，不僅降低元器件成本，縮小了器件體積，而且大大 拓展了真對數放大器的工作頻率範圍(本發明可以工作在5MHz 500MHz)，動態範圍大於 90dB，對數精度優於士 ldB。與傳統的真對數放大器相比，本發明的低功耗真對數放大器具有以下特點1.本發明的低功耗真對數放大器的體積為15X 10X5mm3，比傳統真對數放大器的 體積縮小96% (採用傳統的實現方式，其體積為70X30X10mm3)；比專利文獻1的體積縮 小80% (專利文獻1的體積為38 X 20 X 5mm3)。2.本發明的低功耗真對數放大器的電源電流18mA/2. 7V 5V，比傳統真對數放大 器的功耗大幅降低98. 84% (採用傳統的實現方式，其電源電流為200mA/12V)；比專利文獻 1的功耗降低87. 85% (專利文獻1的功耗為40mA/士5V)；因此，本發明電路能夠很好地滿 足電壓低功耗應用。3.本發明的低功耗真對數放大器的一致性很好，基本不需要調試，非常便於大批
量生產。


圖1是傳統真對數放大器的電路框圖；圖2是本發明的低功耗真對數放大器的電路框圖；圖3是本發明採用的連續檢波式對數放大器、限幅放大器和幅度可調放大器 (AD8309)電路框圖；圖4是本發明一個實施例的低功耗真對數放大器電路的電原理圖。
具體實施例方式本發明的具體實施方式
不僅限於下面的描述，現結合附圖加以進一步說明。本發明的低功耗真對數放大器的電路框圖如圖2所示，本發明的低功耗真對數放 大器電路包括一個輸入匹配網絡、一個限幅放大器、一個連續檢波式對數放大器、一個線性 電壓電流變換器和幅度可調放大器。
本發明技術方案的工作原理為輸入信號分成兩路一路進入限幅放大器電路，得到幅度穩定的輸出信號，信號頻 率與輸入信號相同，並且保留了輸入信號的相位信息(公式1)；另一路信號進入連續檢波 式對數放大器，得到與輸入信號幅度成對數關係的視頻信號(公式2)；該視頻信號由線性 電壓電流變換器線性變換換成電流信號(公式3)。然後兩路信號由幅 度可調放大器線性調 幅後得到輸出信號幅度與輸入信號成對數關係，且輸出頻率和輸入頻率相同，並保留輸入 信號相位信息，電路實現了真對數放大功能(公式3)。V01 = Acos ( ω 0t+ Δ Φ)(1)公式1中，Vqi是輸出電壓，Δ Φ是相位變化，A為限幅電平(常數)，《Qt是輸入頻率。V02 = VyIog (VIN/VX)(2)公式2中=Vre是輸出電壓，Vy是對數效率，Vin為輸入電壓；VX是對數起點電壓(輸 出為O時的輸出電壓)。Il = KXV02(3)公式3中是線性電壓電流變換器的輸入信號(即連續檢波式對數放大器的輸 出信號)，K是線性電壓電流變換器的變換係數，Il為輸出電流。V0 = V01XR2XIL = R2XKXAXVYXlog(VIN/Vx) Xcos(co0t+A Φ) (4)公式4其實就是真對數放大器的傳輸特性公式，包含了輸入信號的幅度信息、頻 率信息和相位信息。本發明的低功耗真對數放大器的電原理圖如圖4所示。外部輸入信號經輸入 端IN通過一隔直電容(Cl)和輸入匹配網絡進入限幅放大器/連續檢波式對數放大器 AD8309(U1)的INHI端，AD8309的INLO端經一電容(C2)接地，AD8309的LMDR端經一限幅 電流調整電阻R3接線性電壓電流變換器的輸出(即運算放大器U2的輸出)。AD8309的 LMHI接電源，LMLO端通過一電阻(R2)接電源，再經過一隔直電容(C3)接輸出端。AD8309 的VLOG是對數輸出端，通過電阻(R4)與運算放大器(U2)負向輸入端相連，(R5)是調節電 流斜率的電阻，(R6、R7)是調節輸出電流幅度電阻。一個輸入匹配網絡，其輸入端與外部輸入信號的輸入端相連，其輸出端分別連接 一個限幅放大器和一個連續檢波式對數放大器。所述輸入匹配網絡由一電阻(Rl)及一電 容(C2)組成；其輸入的阻抗為40-60歐姆。一個限幅放大器，其輸入端與所述輸入匹配網絡相連，其輸出端與一個幅度可調 放大器相連，它對來自外部的輸入信號進行放大和限幅後，輸出幅度穩定的信號，同時保 留輸入信號的相位特性。對限幅放大器的要求是在整個輸入信號動態範圍內須保持輸 出幅度穩定，且其工作頻率必須覆蓋整個電路要求的範圍。例如，要研製一個動態範圍為 90dB(-90dBm OdBm)的真對數放大器，則要求限幅放大器至少在輸入信號為_90dBm OdBm的動態範圍內輸出幅度基本不變。一個連續檢波式對數放大器，其輸入端與所述輸入匹配網絡相連，其輸出端與一 個線性電源電流變換器相連，它對來自外部的輸入信號進行逐級放大與檢波，輸出與輸入 信號幅度成對數關係的視頻信號；對連續檢波式對數放大器的要求是動態範圍必須能覆 蓋整個真對數放大器的輸入動態範圍，而且其對數精度必須要能保證整個電路的要求，工作頻率能覆蓋整個真對數放大器的工作頻率。本發明中的限幅放大器、檢波式對數放大器和幅度可調放大器模塊採用其集成 一體的美國Analog Devices Inc.公司的AD8309來實現。AD8309的動態範圍90dB ；對 數精度士0. 5dB ；帶寬5MHz 500MHz ；限幅範圍87dB ；相位變化士3°C ；電源電流 16mA/2. 7V 5V，體積16引腳SSOP封裝。能保證真對數放大器的需求。AD8309的主通道由6級差分放大器/限幅單元級聯而成，每級增益為12dB，_3dB 帶寬850MHz，總增益72dB ；幅度可調放大器最大可提供額外的ISdB增益。每個主增益單元 還包含有一個全波檢波器；由寬帶衰減器驅動的四個檢波單元，可將動態範圍的高端擴展 48dB。
一個線性電壓電流變換器，其輸入端與連續檢波式對數放大器輸出端相連，將來 自連續檢波式對數放大器的電壓信號線性地變換成電流信號。其輸出端與幅度可調放大器 相連。—個幅度可調放大器，其輸入端分別與所述限幅放大器和線性電壓電流變換器相 連，它是將限幅放大器的輸出信號由線性電壓電流變換器的電流信號線性調幅後，輸出與 外部輸入信號成對數關係，且頻率保持與輸入信號一致，同時保留輸入信號的相位信息。所 述幅度可調放大器採用美國Analog Devices Inc.公司的AD9309來實現(AD8309同時集 成了連續檢波式對數放大器、限幅放大器和幅度可調放大器)。本發明的低功耗真對數放大器採用常規標準的SMT (Surface Mounting Technology)工藝製造。
權利要求
一種低功耗真對數放大器，其特徵在於它包括一個輸入匹配網絡，其輸入端通過第一隔直流電容(C1)與外部輸入信號的輸入端相連；一個限幅放大器，其輸入端與所述輸入匹配網絡輸出端相連，它對來自外部的輸入信號進行放大和限幅後，輸出幅度穩定的、保留外部輸入信號相位特性的信號；一個連續檢波式對數放大器，其輸入端與所述輸入匹配網絡輸出端相連，它對來自匹配網絡的外部輸入信號進行逐級放大與檢波，輸出與外部輸入信號幅度成對數關係的視頻信號；一個線性電壓電流變換器其輸入端與連續檢波式對數放大器輸出端相連，將來自連續檢波式對數放大器的電壓信號線性地變換成電流信號。一個幅度可調放大器其輸入端分別與所述限幅放大器和線性電壓電流變換器輸出端相連，將來自限幅放大器的限幅信號經線性電壓電流變換器輸出的電流信號線性調幅後，經第二隔直流電容(C3)輸出與外部輸入信號成對數關係、頻率保持、保留輸入信號相位特性信息的信號。
2.根據權利要求1所述的真對數放大器，其特徵在於所述輸入匹配網絡由第一電阻 (Rl)與第一電容(C2)連接而成，其輸入的阻抗為40-60歐姆。
3.根據權利要求1所述的真對數放大器，其特徵在於所述限幅放大器、連續檢波式對 數放大器和幅度可調放大器採用其集成一體的美國Analog Devices Inc.公司的AD8309 集成電路(Ul)。
4.根據權利要求1所述的真對數放大器，其特徵在於所述的線性電壓電流變換器採用 常規的低壓單電源運算放大器(U2)和常規電阻(R3、R4、R5、R6)構成。
全文摘要
本發明涉及一種低功耗真對數放大器，包括一個輸入匹配網絡、一個限幅放大器/連續檢波式對數放大器、一個線性電壓電流變換器和幅度可調放大器。本發明很好地解決了傳統大動態真對數放大器靜態功耗大、體積大和調試困難的技術問題。本發明製造出的低功耗真對數放大器的體積為15×10×5mm3、電源電流18mA、工作電壓2.7V～5V，比傳統的真對數放大器的體積大幅縮小(縮小80％以上)、功耗大幅降低(降低87.85％以上)。本發明電路廣泛應用於通訊、雷達、聲納和電子對抗等領域。
文檔編號H03F1/02GK101938255SQ20101028268
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月16日 優先權日2010年9月16日
發明者劉登學, 龐佑兵, 楊帆, 陳永任, 龍學彬 申請人:中國電子科技集團公司第二十四研究所