真對數(shù)放大器在接收前端中的應用

張宇平，陳 鐳，劉紅兵

(1.中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051；2.成都天箭科技有限公司,成都 610041)

真對數(shù)放大器在接收前端中的應用

張宇平1，陳 鐳2，劉紅兵1

(1.中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051；2.成都天箭科技有限公司,成都 610041)

分析了真對數(shù)放大器(TLA)的基本原理，對真對數(shù)放大器傳輸函數(shù)進行了數(shù)學推導，給出了一個70 dB動態(tài)范圍真對數(shù)放大器應用實例，從其噪聲特性與靈敏度基線關系入手，分析了在增益不高的接收前端應用中真對數(shù)放大器對系統(tǒng)噪聲的影響，指出了需要注意的問題。

真對數(shù)放大器；噪聲；動態(tài)范圍；帶寬

0 引 言

對數(shù)放大器是一種常用的擴展接收機動態(tài)范圍的器件。對一個線性接收機(由線性放大器組成的接收機)而言，其動態(tài)達到60 dB以上就比較困難；但對一個對數(shù)接收機(由線性放大器和對數(shù)放大器組成的接收機)而言，其動態(tài)達到80 dB甚至90 dB已成為現(xiàn)實。對數(shù)放大器放大增益隨輸入信號呈對數(shù)曲線變化，它克服了限幅放大器在大信號輸入時對波形影響較大的缺陷，且在使用時無需設計另外的控制電路，這就使得對數(shù)放大器在通信、雷達以及各種放大和電子測量設備中得到了廣泛的應用。

在一些特殊應用場合，像動態(tài)目標顯示雷達接收機中，雷達接收機需要處理的回波信號起伏大，即輸入信號動態(tài)范圍寬，因此，為了有效地防止由干擾電壓引起的過載，將寬輸入動態(tài)范圍壓縮成窄的輸出動態(tài)范圍，并保留輸入信號的幅度、頻率、相位信息，常采用瞬時自動增益控制(IAGC)和對數(shù)放大器。以上2種抗過載電路中，對數(shù)放大器具有獨特的優(yōu)越性，其中中頻輸入、中頻輸出幅度呈對數(shù)特性，中頻輸出信號的頻率和相位是輸入信號的精確再現(xiàn)。采用對數(shù)放大器的接收機，對各種干擾都有較強的抑制作用，而且在強干擾之后，接收機靈敏度可以立即恢復而電路沒有慣性，具有較快的動態(tài)響應[1]。

對數(shù)放大器分為真對數(shù)放大器(雙增益對數(shù)放大器)和連續(xù)檢波對數(shù)放大器。連續(xù)檢波對數(shù)放大器只保留了幅度信息，而損失了相位信息，真對數(shù)放大器則很好地保留了信號的相位信息和幅度信息，對于輸出為中頻信號的接收前端應用比較適合。但是真對數(shù)放大器的噪聲系數(shù)對接收前端的影響報道不多，如何根據(jù)系統(tǒng)實際需要選取合適的真對數(shù)放大器還是很有必要的，本文的出發(fā)點便在于此。

1 真對數(shù)放大器的工作原理

真對數(shù)放大器的原理框圖見圖1。每一級包括2個放大器，其中放大器A為通常放大器，在輸入小信號時，增益為K，它的增益量很大；而在輸入信號增大到一定程度時，放大器就會飽和。放大器B是增益為1的放大器，它的作用是把前一級放大器的輸出電壓無變化地傳送到末級的負載上去。

圖1 真對數(shù)放大器的原理框圖

對于每一級放大器而言，它的放大特性為：

(1)

當輸入信號ui由小增大時，開始放大器各級都不限幅，輸出uo=(k+1)nui，放大倍數(shù)最大；隨著ui增大，首先第n級放大器開始限幅，此時的輸出uo1=uL/k+uL，輸入為ui1=(uL/k+uL)/(k+1)n。隨后(n-1)級限幅，依次類推，當?shù)趉級開始限幅時，對應uik、uok分別為:

(2)

由式(2)可得出真對數(shù)放大器的輸出表達式為:

(3)

可見這類放大器是服從對數(shù)率的，即輸入按幾何率增大，輸出按代數(shù)率增大[1]。圖2所示為真對數(shù)放大器特性曲線。

圖2 真對數(shù)放大器特性曲線

2 對數(shù)放大器噪聲與基線靈敏度關系

表1列出了對數(shù)放大器輸入端的電壓噪聲譜密度所對應的噪聲系數(shù)(NF)，這里假設采用了50Ω的信號源，而且對數(shù)放大器輸入端上的凈電阻負載為50Ω。

表1 對數(shù)放大器的電壓噪聲譜密度(VNSD)與噪聲系數(shù)關系

這個“測量本底“是一個比NF更為有用的量度，因為它表明，在這個數(shù)值以下的信號功率測量將是不精確的。假設噪聲波形為高斯型，那么，對于一個接近-73.46 dBm測量本底限的實際單音調正弦波輸入而言，所給出的指示功率將非常接近同一個量值。

下面將結合實際電路來驗證對數(shù)放大器的噪聲與靈敏度基線關系。

3 真對數(shù)放大器應用實例

設計一個接收前端，要求輸出中頻幅度100 mV～2 V，動態(tài)范圍≥55 dB，噪聲系數(shù)≤4 dB。其包含限幅器、開關、時間靈敏度控制(STC)衰減器、低噪放、開關組、移相器、混頻器、中頻放大器、真對數(shù)放大器等。產(chǎn)品輸出分為2路：一路輸出為一般中頻放大器；另一路輸出為真對數(shù)放大器，原理框圖如圖3所示。接收前端的輸入電平范圍為-80 ～-25 dBm。增益設計80 dB。輸入端有STC衰減器[2]，在大信號時衰減，保證前端低噪放不飽和。

圖3 含有真對數(shù)放大器的接收前端原理框圖

針對本接收前端的特點，一般AGC模式輸出的電平恒定，無法實現(xiàn)輸出電平有一定的動態(tài)范圍要求，且輸出要求為中頻信號，這就需要設計一個動態(tài)范圍≥70 dB的真對數(shù)放大器來保證整個接收前端的輸入動態(tài)范圍和輸出動態(tài)范圍。

對于噪聲系數(shù)指標，根據(jù)n級放大器級聯(lián)的噪聲系數(shù)公式(4)所示，如果第1級放大器增益足夠大，后級放大器的噪聲影響幾乎可以忽略，但如果前級放大器的增益不夠高，后級噪聲系數(shù)影響將迅速增大。 設計時，分配限幅開關插損-1.2 dB，STC開關-1～-2 dB，低噪放噪聲系數(shù)1.2 dB，增益30 dB，整個前端估算噪聲系數(shù)4 dB，則：

(4)

式中：Gn為第n級增益，用比率表示；Fn為第n級噪聲系數(shù)，用比率表示。

3.1 真對數(shù)放大器設計

真對數(shù)放大器參數(shù)：對數(shù)精度≤±0.5 dB；動態(tài)范圍≥70 dB(-70 dB～0 dB)；中心頻率60 MHz；帶寬7 MHz。

設計采用6級真對數(shù)放大器SL531和1級SL560普通放大器，每級SL531放大器分配8 dB增益，總增益60 dB，保證動態(tài)范圍70 dB[3]。 6級真對數(shù)放大器電路原理圖如圖4所示。該電路簡單、成熟、穩(wěn)定，可以方便調整每級放大器增益，已在不少設計中廣泛采用。

圖4 6級真對數(shù)放大器

3.2 測試結果

實際測試6級真對數(shù)放大器的輸出噪聲系數(shù)為23.596 dB(60 MHz)。噪聲測試結果如表2所示，輸入和輸出關系見圖5?？梢钥闯觯谳斎?70～-20 dBm的線性度保持很好，輸入10 dB輸出電平差別在0.3 V左右，對數(shù)精度基本在±0.5 dB內，在2端趨于平緩，對數(shù)精度較差，詳見圖6[4]。在限定動態(tài)范圍的前提下，采取的級數(shù)越多，單級增益越低，對數(shù)精度也就越高。如果采用5級，每級放大器的增益就要12 dB，對數(shù)精度就要差很多。

表2 真對數(shù)放大器噪聲測試結果

圖5 輸入功率-輸出電壓關系圖

接收前端測試結果如下：中頻放大器一路的噪聲系數(shù)5.3 dB。真對數(shù)放大器一路輸入和輸出電平對應關系如表3所示。

表3 接收前端輸入和輸出電平對應關系

圖6 接收前端輸入輸出對應關系及對數(shù)精度結果

3.3 結論分析

為了驗證對數(shù)放大器的噪聲系數(shù)與其工作帶寬和測量本底功率電平關系，實際測試對數(shù)放大器實例的噪聲系數(shù)，結果是吻合的。雖然真對數(shù)放大器能夠滿足接收前端的動態(tài)范圍和輸出幅度，但單測接收前端的中頻那一路噪聲系數(shù)時發(fā)現(xiàn)比要求大了不少。

經(jīng)分析原因如下：對于該接收前端而言，最小輸入信號-80 dBm，增益80 dB左右，總增益并不高，為了保證真對數(shù)放大器的輸入動態(tài)范圍，也要求輸入前級增益不能太高(實際凈增益為20 dB)，否則對數(shù)放大器的上限會平緩，對數(shù)精度誤差變大。真對數(shù)放大器的噪聲系數(shù)相比一般中頻放大器噪聲系數(shù)還是比較大的，不可忽視。分配噪聲指標時就要考慮對數(shù)放大器的噪聲系數(shù)影響了，這是設計的難點所在。當真對數(shù)放大器的噪聲按5 dB和24 dB分別考慮時，根據(jù)級聯(lián)噪聲公式(4)，整個接收前端的總噪聲系數(shù)差別就會很大，差別有2 dB左右，原因就是前面放大器增益不夠高所致。所以在前面沒有足夠的增益來壓制對數(shù)放大器對總噪聲系數(shù)影響時，就要選取靈敏度更高或動態(tài)范圍更大的對數(shù)放大器來保證。

將前級放大器增益提高3 dB，接收前端噪聲系數(shù)由5.3 dB變?yōu)? dB，改進非常明顯。相應改變真對數(shù)放大器的總增益，使真對數(shù)放大器對數(shù)精度滿足要求。另外降低STC衰減器的輸入損耗，也減小了整個前端的噪聲系數(shù)，最終噪聲系數(shù)滿足整個接收前端要求。

4 結束語

本文通過設計實例及噪聲分析，給出了采用對數(shù)放大器體制的接收機分配噪聲指標需要注意的問題，即選用真對數(shù)放大器僅僅選擇其動態(tài)范圍滿足要求是不夠的，其噪聲系數(shù)也是必須要考慮的問題。該前端的設計經(jīng)驗對于采用對數(shù)放大器的接收機應用具有一定的指導作用。

[1] 戈穩(wěn).雷達接收機技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 聞鑫.艦載雷達接收機的抗過載[J].艦船電子對抗，2008,31(5)：89-91.

[3] 唐麗均，周熙，易文翠.一種高頻真對數(shù)放大器的設計[J].重慶郵電學院學報(自然版)，2006,18(6)：683- 685.

[4] 彭衛(wèi)東，左繼章.真對數(shù)放大器在短波擴頻通信中的應用[J].微電子學，2003,33(3)：266-268.

Application of True Logarithm Amplifier to Receiver Front-end

ZHANG Yu-ping1,CHEN Lei2，LIU Hong-bing1

(1.The 13th Research Institute，CETC，Shijiazhuang 050051，China；2.Chengdu Tianjian Technology Co.Ltd,Chengdu 610041,China)

This paper analyzes the basic principle of true logarithm amplifier (TLA),performs the mathematic deduction to transmission function of TLA,gives an application example of TLA with 70 dB dynamic range,starting from the relationship between the noise characteristic and sensitivity baseline,analyzes the influence of TLA on system noise in the application of receiver front-end with lower gain,points out the problems need to be noticed.

true logarithm amplifier;noise;dynamic range;bandwidth

2016-04-15

TN722.58

A

CN32-1413(2016)06-0108-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.06.023