對(duì)數(shù)放大器原理

信號(hào)壓縮

在現(xiàn)實(shí)世界中，一些信號(hào)往往具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。比如雷達(dá)、聲納等無線電系統(tǒng)中，接收機(jī)前端信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120dB以上；光纖接收器前端的電流也可從“pA”級(jí)到“mA”級(jí)。寬動(dòng)態(tài)范圍往往給應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來很多問題。一方面，線性放大器無法處理這樣寬的動(dòng)態(tài)范圍。另一方面，DA變換中，在保證分辨率的情況下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)會(huì)隨動(dòng)態(tài)范圍的增大而增大。因此，在處理寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)時(shí)，常常將其動(dòng)態(tài)范圍壓縮到一個(gè)可以處理的程度。如果一個(gè)系統(tǒng)中阻抗是線性的，信號(hào)的功率與電壓的平方成正比，信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍既可以用電壓表示也可以用功率來表示。

在工程應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)范圍的壓縮分為“線性壓縮”和“非線性壓縮”。線性壓縮是指放大器的增益與信號(hào)的大小無關(guān)，輸出基本保持恒定。線性壓縮的特點(diǎn)使諧波失真小， 其本質(zhì)是一種“壓控放大器”（VCA）。非線性壓縮方面最好的例子就是對(duì)數(shù)放大器。它是輸入輸出信號(hào)成對(duì)數(shù)關(guān)系的器件，它對(duì)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的壓縮不需要像AGC系統(tǒng)那樣提取輸入信號(hào)的電平來控制增益，其增益與信號(hào)的大小成反比，在通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電子測(cè)量中有著廣泛的應(yīng)用。

對(duì)數(shù)放大器的實(shí)質(zhì)

多年來，人們對(duì)對(duì)數(shù)放大器本質(zhì)的認(rèn)識(shí)有一些模糊。通常人們把它看作是一種放大器，反而淡化了其非線性的特性，把它們看作特殊類型的放大器更是不對(duì)。盡管這些電路提供一些放大功能，如在RF和IF放大器中，它對(duì)小信號(hào)呈現(xiàn)出高增益等等，但它們真正的用途是實(shí)現(xiàn)精確的對(duì)數(shù)變換，嚴(yán)格地說，這些電路應(yīng)該叫做“對(duì)數(shù)變換器”。但多年來人們已經(jīng)習(xí)慣了“對(duì)數(shù)放大器”的叫法。IC廠商也不愿因?yàn)楦拿褂脩魧?duì)他們的產(chǎn)品性質(zhì)和用途造成誤解。因此，本文也將沿用“對(duì)數(shù)放大器”這一名稱。

對(duì)數(shù)放大器的分類

在許多文獻(xiàn)中，對(duì)數(shù)放大器的分類也是相當(dāng)混亂的，根據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)依據(jù)的不同,有的將其分為二極管、三極管對(duì)數(shù)放大器和級(jí)聯(lián)對(duì)數(shù)放大器，有的將其分為真對(duì)數(shù)放大器和似對(duì)數(shù)放大器等等。但幾十年來，隨著半導(dǎo)體理論、工藝和模擬集成電路的發(fā)展，許多對(duì)數(shù)放大器實(shí)現(xiàn)的方法已經(jīng)被淘汰，其分類方法也未盡科學(xué)。目前根據(jù)市場(chǎng)上現(xiàn)有的對(duì)數(shù)放大器結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可將對(duì)數(shù)放大器分為三類：基本對(duì)數(shù)放大器、基帶對(duì)數(shù)放大器和解調(diào)對(duì)數(shù)放大器。

基本對(duì)數(shù)放大器也稱跨導(dǎo)線性（Translinear）對(duì)數(shù)放大器，它基于雙極性三極管（BJT）的對(duì)數(shù)特性來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的對(duì)數(shù)變換。這類對(duì)數(shù)放大器可以響應(yīng)緩慢變化的輸入信號(hào)，其特點(diǎn)是具有優(yōu)良的直流精度和非常寬的動(dòng)態(tài)范圍（高達(dá)180dB），缺點(diǎn)是交流特性差。

基帶對(duì)數(shù)放大器也稱視頻對(duì)數(shù)放大器（雖然很少用于視頻顯示相關(guān)的應(yīng)用），它克服了基本對(duì)數(shù)放大器的缺點(diǎn)，能夠響應(yīng)快速變化的輸入。其原理是采用了一種 “逐級(jí)壓縮”的技術(shù)，交流特性好，但動(dòng)態(tài)范圍較小。

解調(diào)對(duì)數(shù)放大器也稱逐級(jí)檢波對(duì)數(shù)放大器，它具有分段線性近似性質(zhì)，形成對(duì)數(shù)級(jí)聯(lián)后，可以得到很好的對(duì)數(shù)傳遞函數(shù)，在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)對(duì)數(shù)精度高，同基帶對(duì)數(shù)放大器相似，也采用多個(gè)級(jí)聯(lián)線性放大器，動(dòng)態(tài)范圍大。

對(duì)數(shù)放大器原理

針對(duì)上述的三種對(duì)數(shù)放大器，我們分別來講述其實(shí)現(xiàn)信號(hào)對(duì)數(shù)變換的原理。

基本對(duì)數(shù)放大器

基本對(duì)數(shù)放大器在IC設(shè)計(jì)中使用了跨導(dǎo)線性電路，因此也稱做跨導(dǎo)線性（Translinear）對(duì)數(shù)放大器。跨導(dǎo)線性電路是電流模電路的主要組成部分，是許多線性和非線性模擬集成電路的理論基礎(chǔ)。跨導(dǎo)線性的概念在1975年由Barrie Gillbert創(chuàng)立，跨導(dǎo)線性對(duì)數(shù)放大器就是基于雙極性（BJT）三極管的對(duì)數(shù)特性。如圖1

若將ic視為激勵(lì)信號(hào)電流，UBE看作響應(yīng)信號(hào)電壓，將輸入偏流為零的隔離放大器接在集電極C與基極B之間以隔離iB的影響。

可以看出，理想BJT的UBE與其ic是理想的對(duì)數(shù)關(guān)系。等式中，Is是BJT的飽和電流，它與溫度密切相關(guān)。此外熱電壓UT也依賴于溫度。在集成的跨導(dǎo)線性對(duì)數(shù)放大器中這種受溫度影響的缺點(diǎn)已被一個(gè)具有同樣溫度變化特性的三極管修正，而且可以確保對(duì)數(shù)斜率的穩(wěn)定性。

UY叫做對(duì)數(shù)斜率，固定電流IZ叫做對(duì)數(shù)截距（有關(guān)對(duì)數(shù)放大器的一些名詞將在后面予以說明）。
基帶對(duì)數(shù)放大器與解調(diào)對(duì)數(shù)放大器

對(duì)于高頻應(yīng)用，常常選擇基帶對(duì)數(shù)放大器或解調(diào)對(duì)數(shù)放大器。盡管這兩種放大器在細(xì)節(jié)上有些不同，但原理是相同的，它不是采用一個(gè)放大器的對(duì)數(shù)特性而是用多個(gè)相同的線性放大器級(jí)聯(lián)來分段線性逼近對(duì)數(shù)函數(shù)。如圖2所示，這里只是一個(gè)理想的通用模型，其核心為一個(gè)限幅放大器，每個(gè)放大單元的傳遞函數(shù)如圖3所示，對(duì)于N個(gè)級(jí)聯(lián)限幅放大器構(gòu)成的對(duì)數(shù)放大器， EK為限幅放大器的飽和電壓，A為放大倍，當(dāng)輸入信號(hào)電壓小于臨界值EK/AN-1時(shí)，限幅放大器的每一級(jí)都不會(huì)飽和，因此，小于EK/AN-1的輸入信號(hào)可以得到充分的放大，此時(shí)輸出信號(hào)幅度是輸入信號(hào)幅度的AN-1倍。當(dāng)輸入電壓大于EK/AN-1小于EK時(shí)，由于各級(jí)限幅的原因，輸入信號(hào)越大，飽和的級(jí)數(shù)越多。當(dāng)輸入大于EK時(shí)，輸出則為NAEK。輸入信號(hào)幅度在EK/AN-1和EK之間的信號(hào)，其總的輸出電壓與輸入電壓的幅度可用下式表示：

VIN= EK/AN-M ，VOUT=，其中M為飽和的級(jí)數(shù)（M≤N）

實(shí)際的電路結(jié)構(gòu)是：對(duì)于小信號(hào)采用增益為A的放大器，而大信號(hào)則采用單位增益放大器，稱之為A/1放大器，如圖4所示，限幅增益放大器和單位增益緩沖器并聯(lián)，輸出送加法器。解調(diào)對(duì)數(shù)放大器與基帶對(duì)數(shù)放大器雖然都采用上述的級(jí)聯(lián)限幅放大器，解調(diào)對(duì)數(shù)放大器不是將輸出直接累加，而是先檢波然后輸出累加，用級(jí)聯(lián)限幅放大器構(gòu)成的對(duì)數(shù)放大器有兩種輸出：對(duì)數(shù)輸出和限幅輸出。許多應(yīng)用中限幅輸出并不需要，但有些應(yīng)用中，兩種輸出都是必須的。解調(diào)對(duì)數(shù)放大器的對(duì)數(shù)輸出一般包括幅度信息，而相位和頻率信息則被丟失。如果采用半波檢波器和延時(shí)補(bǔ)償，相位和頻率信息也可被保留。

圖2 線性放大器級(jí)聯(lián)

圖3 限幅放大器