具有6個(gè)十倍程動(dòng)態(tài)范圍的對(duì)數(shù)比率放大器

　　在光纖通信系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)總性能，需要進(jìn)行光功率監(jiān)視。對(duì)數(shù)信號(hào)處理技術(shù)可以在很寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)保持精確的測(cè)量。寬動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮之后，使用較低分辨率的測(cè)量系統(tǒng)便可節(jié)省成本。作為這種技術(shù)的一個(gè)實(shí)例，考慮用一只響應(yīng)度為 0.5A/W 的光電二極管來(lái)將光能量轉(zhuǎn)換為 100 nA～1mA 的電流。如果動(dòng)態(tài)范圍為40倍，誤差為1%，則所要求的測(cè)量分辨率是 0.01×10^-4 ，即 1 ppm。這種測(cè)量需要一個(gè) 20 位 ADC。作為一種替代方法，你可以采用對(duì)數(shù)比率放大器將這種輸入壓縮到 0～4V 的范圍內(nèi)，然后使用一個(gè) 10 位 ADC，從而可大大降低系統(tǒng)成本。對(duì)基準(zhǔn)電流編程可以使輸出電壓改變至所需的電平。在涉及到將動(dòng)態(tài)范圍、輸入信號(hào)（如電壓或電流）、極性、比例或?qū)?shù)積和對(duì)數(shù)比率之類的運(yùn)算等不尋常地組合在一起的應(yīng)用場(chǎng)合，你可以定制和使用圖 1 所示的電路。對(duì)數(shù)比率放大器應(yīng)用于寬動(dòng)態(tài)范圍輻射測(cè)量領(lǐng)域，輻射測(cè)量方法是比照一個(gè)可變電流基準(zhǔn)來(lái)測(cè)量未知信號(hào)的。圖 1 所示電路的傳遞函數(shù)為：
 
　　式中，K為輸出比例因子，I_IN為光電二極管產(chǎn)生的電流，V_T 為一個(gè)與溫度有關(guān)的電壓項(xiàng)（在 25°C 下典型值為 26 mV，并與絕對(duì)溫度成正比），I_REF 則為基準(zhǔn)電流。當(dāng) I_IN=I_REF 時(shí)，V_OUT=0。工作正常時(shí)，I_IN/I_REF 應(yīng)該始終大于 0。這一對(duì)數(shù)比率電路的輸出可以為正，可以為負(fù)，也可以是雙極性的，視I_IN/I_REF比值而定。ADC 的 4V 滿刻度輸入范圍可設(shè)定 4mA 的滿刻度輸入電流范圍。對(duì) I_REF 可按 40~600 μA 之間的某一值編程，使輸出位于測(cè)量范圍的中間。

　　圖1中的元件給出的輸出比例因子為-1。該電路的輸出定義覆蓋的范圍是，信號(hào)電流I_IN 為4.5個(gè)十倍程，而基準(zhǔn)電流I_REF為1.5個(gè)十倍程（由于基準(zhǔn)負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力的限制，只有 6 個(gè)十倍程的范圍）。大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)只需要使用全部 6 個(gè)十倍程范圍的一部分。只要確定預(yù)期的輸入信號(hào)范圍并計(jì)算其比率，你就可以利用上述公式來(lái)預(yù)測(cè)預(yù)期的輸出電壓范圍。為了使器件性能與電流范圍匹配，你可以指定I_REF和I_IN，但應(yīng)該注意極性。

　　對(duì)數(shù)放大器通常取決于一只晶體管的非線性傳遞函數(shù)。對(duì)數(shù)放大器的普通傳遞函數(shù)與I_S 和V_T有關(guān)，而I_S和V_T則與溫度有關(guān)。I_S 是晶體管的集電極飽和電流，而 V_T 是晶體管的“熱電壓”。為了克服這種與溫度的相關(guān)性，本設(shè)計(jì)采用了兩只匹配的 MAT02 晶體管來(lái)消除 I_S 的溫度漂移，并使用一個(gè)對(duì)溫度敏感的電阻分壓器來(lái)補(bǔ)償 V_T 的溫度系數(shù)。I_REF 發(fā)生器的核心部件是 REF191。你可以用AD5201數(shù)字電位器來(lái)調(diào)節(jié)REF191的輸出。這樣的改進(jìn)就能使你按 33 級(jí)對(duì)40~600μA的基準(zhǔn)電流進(jìn)行編程設(shè)定。

　　REF191 和 AD5201 相組合而成為一個(gè)不隨時(shí)間和溫度變化的電流源。為獲得更高的分辨率，你可以使用 1024 個(gè)分度的 AD5231。AD8626 是一個(gè)雙精密 JFET 輸入放大器，由26V 單電源供電。它功耗低，具有滿擺幅輸出特性，因而具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。其輸出不隨大于500 pF 的容性負(fù)載變化而變化。圖 2 和圖 3 示出了 ADC 輸入端的對(duì)數(shù)比率放大器的傳遞函數(shù)。對(duì)數(shù)放大器輸出限制在 0～4V之內(nèi)，以便與 AD7810 型ADC 的單極性輸入電壓范圍匹配。