AD8307型对数放大器及其应用

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摘要：AD8307是一款基于连续压缩技术的完全单片500 MHz解调对数放大器，该对数放大器提供92 dB的动态范围，即使在高达100 MHz的频率下仍能提供误差为±l dB的88 dB动态范围。AD8307输出电压斜率为25 mV／dB(截止点为-84 dBm)。介绍AD8307的基本结构、功能特性及其在超声波回波接收电路中的应用以及相应抗干扰措施。关键词：对数放大器；AD8307；解调；25 mV／dB；超声波回波    信号处理领域中，一些信号具有宽泛的动态范围，比如雷达、声纳等系统中，需处理的信号动态范围达到120 dB以上：超声波回波接收器前端电压也可从“μV”级到“V”级。而宽泛的动态范同往往给应用设计带来诸多问题。实际应用设计都会对所处理信号进行非线性压缩，而大多采用对数放大器实现非线性压缩。该放大器可使输出信号和输入信号的包络成对数比例，并对信号动态范围的压缩无需像AGC系统耶样提取输入信号的电平来控制增益，其增益与信号大小成反比，可广泛应用于通信、雷达、超声、电子对抗等领域。这里给出AD8307型对数放大器及其应用。1 对数放大器AD8307简介    对数放大器的主要功能是计算某个输入信号包络的对数。AD8307是8引脚SOIC_N封装的，基于连续压缩技术的完全单片500 MHz解调对数放大器。该对数放大器能够提供92 dB的动态范围，即使在高达100 MHz的频率下仍能提供88 dB动态范围，其误差为±1 dB，而且电路中无需实质意义的外部元件。AD8307采用2．7～5．5 V、7．5 mA的单电源供电，低功耗，3 V时功耗仪为22．5 mW。

    图l为AD8307的内部功能原理框图，该器件主要由6个放大限幅级组成，每级具有14．3 dB的增益和900 MHz的小信号带宽，总增益量86 dB，-3 dB带宽为500 MHz。整个动态范围由6个放大限幅级及与其相连的gm型全波检波器和置于无源衰减器14．3 dB抽头的3个顶端检测器共同实现。其偏置由两基准提供，一个基准确定增益，另一基准是带隙电路，决定对数斜率和电源及温度变化的稳定性。AD8307通过具有CMOS电平兼容的ENB引脚实现使能和禁止。AD8307的第1放大级具有极低的电压噪声频谱密度。    对9个检波器输m的差分电流求和，然后在输出级转换为单端方式输出。对数输出电压由该电流流经片内12．5 kΩ电阻形成，并在引脚OUT形成斜率为25 mV／dB的输出电压。此电压未经任何缓冲，允许用于各种特定的输出接口。校正最后一级检波器处的对数截止点的温度稳定性，这样在整个电压输出范围均可工作稳定。截止点采用引脚INT调节，可对输出电流分流或补偿一小电流。
                          
                       
                          
                                    最后增益级还包含失调检测单元，当信号增加直流偏置而不平衡时，检测单元产生一双极性的输出电流，该电流由一片内电容充电产生(可在引脚OFS外加一只电容器以增加其充电能力)。电容充电电压用于微调第一级失调输出。由于该电容器不与信号输入引脚相连，因此不会影响失调校正回路的稳定性。    AD8307建立在先进的绝缘隔离双极互补工艺基础上，内部大部分电阻都是薄膜型且具有低温漂和高线性，其绝对误差在±20％内。  AD8307中的内部电容器绝对误差在±15％以内。由于是有源器件和静电防护(ESD)，大多数接口都附加有小容量结电容与其相连。1．1 使能接口    图2为AD8307片选使能接口电路，2个二极管组成的三极管电路控制带隙参考源和偏置发生器的导通和关断。当引脚ENB接+5 V时，最大电流为100μA；该引脚悬空或接小于l V电压时，AD8307处于待机状态(待机电流小于50μA)；该引脚连接电源电压或高于2 V的电压，该器件使能。由于内部偏置电路动作迅速，因此其导通和关断时间均小于100 ns。在对数放大器实现全部动态范围前需一定延迟时间。该延迟时间主要是由输入交流耦合或偏置控制回路引起的。

1．2 输入接口    图3为AD8307信号输入接口电路，CP和CM是输入端对地的寄生电容，CD是差分输入电容(作用于VQl和VQ2上)。大多数应用中输入是交流耦合。当允许时，S开关闭合；禁止时，输入端悬空，偏置电流，IE关断，耦合电容保持充电状态。如果对数放大器长时间禁止，微弱漏电流会使耦合电容放电。如果电容匹配不佳，上电瞬间充电会产生一个反向感应电动势，该电动势限制动态范嗣的较低部分直到此电动势远小于信号。

    大多数应用中为单端信号，可能在引脚l或引脚8输入，而另一输入引脚对地交流耦合。此条件下，工作在3 V电源下的AD8307最大处理输入信号是+10 dBm(等效振幅为±l V的正弦波)，而工作在5 V电源下能处理+16 dBm的信号。使用全平衡驱动，则在2．7 V的低电压下可处理+16 dBm信号，对于高于10 MHz的频率，则用一匹配网络就可实现。该匹配网络是在输入端放置一电感器，以消除感应电动势。某些情况下，直流耦合使用AD8307，要求把升高的共模输入电平提供给对数放大器，这时应使用低噪声、低失调的缓冲放大器。使用±3 V的双电源，电路就可检测到0 V输入信号。
                          
                       
                          
                                1．3 偏置接口    图4为AD8307偏置接口电路，输入直流偏置通过引脚3调零，VQ1和VQ2是第l级输入晶体管，接相应的负载电阻(125 Ω)。VQ3和VQ4产生一小电流，该电流引起信号直流偏置。当引脚OFS电压约1．5 V，两电流相等，通常是16 μA。当引脚OFS接地，VQ4截止并且使流经VQ3的电流产生2 mV的偏置电压，因第1级的增益系数是5。这相当于一个400 μV的输入偏置(INP到INM)。当引脚OFS接高电平时，输入偏置恰好相反，为-400μV。在使用直流耦合时，把输入降至极低，必需将该自动回路禁止，而剩余输入偏置采用手动调节进行消除。

    正常工作时，使用交流耦合的输入信号，引脚OFS应保持开路，任何剩余的输入偏置电压都由反馈回路自动凋零。器件禁止时gm单元关断，任何输出偏置(级联放大器的末端检测)都转换成电流，这个电流给片上电容CHP和GOFS外接电容充电。于是产生误差电压，该电压反馈到输入级，使输出偏置降到零。从小信号来说，该反馈改变放大器的响应，在交流转换功能上等效为零，闭环高通转折频率约700 kHz。    偏置反馈限制在±400μV范嗣内，大于该范围的信号取代偏置控制回路，其回路仅影响非常小的信号。一只外接电容器使高通转折频率降至任意低，采用一只1μF的电容器可使转折频率低于10 Hz。1．4 输出接口    9个检波器输出差分形式的电流，其平均值等于信号输入电平加上2倍的输入信号频率波动，该电流为图5中的LGP和LGM节点之和。这些电流在节点处相加，通过微弱增高零输入时的输出定位对数转折点，并提供温度补偿。由于AD8307不是激光修正的，因此对数斜率和对数转折点都存在可调节的小误差。

    在无信号输入时，所有检波器输出电流均相等。而对于有极性输入信号，其差分值由输出接口电路转换成单极性电流，并由引脚OUT输出。片上12．5 kΩ的电阻R1将此电流转换成25 mV／dB的电压。C1和C2与R1形成低通滤波器，转折频率约5 MHz。该低通滤波器在射频应用中起到平滑滤波作用。在10．7 MHz的2倍频纹波是12．5 mV(相当于±0．5 dB振幅)，在50 MHz时仅0．5 mV(±0．02 dB)。在引脚0UT对地接一只滤波电容CFLT降低转折频率，采用1μF电容器，则纹波小于±O．5 dB，输入频率降至100 Hz。而在低频应用时COFS的容值应与CFLT相等。    由于提高输出响应速度的同时会导致纹波增加，因此在引脚OUT到地之间并联一只负载电阻，以提高低通转折频率，同时改变对数斜率，50 MHz输入信号的纹波振幅保持在0．5 mV，则等效于±O．07 dB。如果无负电源，则引脚OUT应直接连接至外部运算放大器的相加点，该运算放大器则为反相的阻抗变换级。
                          
                       
                          
                                2 AD8307的应用设计    AD8307具有非常高的增益和从DC到l GHz的带宽，此频率下增益仍超过60 dB。因此AD8307对于该宽范围内的信号都非常敏感，这些信号可能进入输入端。重要的是，这些信号难以与有用信号区分开，而且将提高噪声基线。2．1 超声电路接收设计    AD8307可在超声波测量电路中用于检测回波信号，利用AD8307的大动态范围可检测56μV的微弱信号和2．2 V的大信号。如图6所示，采用单端输入，包括对数零点和斜率调节电路，将对数零点设在-84 dBm，设定斜率约20 mV／dB。

    对数放大器后加一级缓冲(AD8031)，可使接收模块输出低阻抗，提高抗干扰能力，并通过这一级的电压增益将对数斜率恢复至25 mV／dB。设计的对数放大器信号输入范围为-72～+10dBm，相应的对数输出电压为0．3-2．35 V，对数动态范围82 dB。    采用信号发生器(正弦波频率固定，50 Ω功率输出)串联一精密步进衰减器作为信号源，使用数字万用表或示波器测量电压，用-64 dBm信号调零点(Rw1)，使对数输出电压为500nV；采用OdBm信号调斜率(Rw2)，使得对数输出电压为2 100 mV，如此反复多次即可调整完毕。调整后还可用于-72～+10 dBm范围内其他电平的信号检验对数一致性精度。2．2 抗干扰设计    在设计电路板时应采取有效屏蔽措施，防止干扰。使用一接地覆铜面，使得各处引脚COM对地具有相对低的阻抗，引脚VPS和信号输出地有耦合电容。但是接地也不是等电位的，两输入端不应直接交流耦合到接地，而应与接地保持隔离，返回至信号源地端连接。这就需把输入连接器的地端隔离，采用一只小的电阻接地。将该电路封装在屏蔽罩中。所有引线(地线和输出信号线除外)均通过穿心电容引出，穿心电容的外极接地可以提高屏蔽效果。3 结束语    实验结果表明超声波接收模块动态范围达82 dB，输出电压斜率为25 mV／dB，抗干扰性能强。该模块还可以用于测量其他大动态范围信号，例如脉冲信号中频放大、网络和频谱分析、天线功率测量、接收信号强度指示(RSSI)、雷达和声纳信号处理等。