Q：我刚刚看到了一些最近发布的设备日志放大器的数据表，我仍然有点困惑，日志放大器到底是做什么的。

答：你并不孤单。多年来，我不得不处理许多关于对数放大器功能的变化和不同设计概念的询问。让我先问你，你希望看到一个原木放大器的输出是什么?

Q：嗯，我想我会期望看到一个与输入电压或电流的对数成比例的输出，就像你在非线性电路手册和线性设计研讨会笔记中描述的那样

答：这是一个好的开始，但我们需要更具体一些。在通信技术中，对数放大器这个术语通常是指一种计算输入信号包络对数的设备。这在实践中意味着什么呢?看看下面的瞄准镜照片。这显示了由100 khz三角波调制的10 mhz正弦波和AD8307 (500 mhz 90 db对数放大器)的总对数响应。请注意，示波器照片上的输入信号由10 mhz信号的许多周期组成，使用示波器的时间/div旋旋器压缩在一起。我们这样做是为了显示信号的包络线，它的重复频率要慢得多，只有100千赫。当信号的包络线线性增加时，我们可以在对数放大器的输出响应中看到特征“log (x)”形式。相反，如果我们的测量设备是线性包络线检测器(滤波整流输出)，则输出将只是三波。

Q：所以我看不到瞬时信号的对数?

答：没错，这也是很多困惑的根源。对数放大器在对数域中指示信号的包络或幅度的瞬时低频变化，其方式与设置为“交流伏特”的数字电压表相同，当输入连接到恒定幅度的正弦波并跟随幅度的任何调整时，会给出稳定(线性)的反馈。计算输入信号的瞬时对数的设备是完全不同的，特别是对于双极信号。

在这一点上，让我们暂时离题，考虑一下这样一种装置。想想当交流输入信号过零变为负值时会发生什么。记住，当x是实数且小于或等于0，或者- x大于或等于0时，数学函数logx是没有定义的(见图)。

然而，如图所示，逆双曲正弦sinh- 1x对称地经过零点，是log2x和- log(-2 x)组合的一个很好的近似值，特别是对于较大的| x |。是的，建造这样一个圆木放大器是可能的;事实上，Devices公司多年前就生产和销售了752型N &P温度补偿对数二极管模块，在互补反馈对，执行该功能。这种计算输入信号瞬时对数的器件称为基带对数放大器(也使用术语“真对数放大器”)。然而，本次讨论的重点是包络检测对数放大器，也称为解调对数放大器，它在射频和中频通信电路中有有趣的应用。

Q：但是，从你刚才所说的，我想原木放大器通常不用于解调信号?

答：是的，这是正确的。术语“解调”被应用于这种类型的设备，因为日志放大器恢复信号包络的日志，其过程有点像调幅信号的解调。

一般来说，对数放大器的主要应用是测量信号强度，而不是检测信号内容。对数放大器的输出信号通常用于调节增益，它可以在相对较窄的范围内表示高频输入信号的几十年动态范围。这方面的经典例子是在自动增益控制回路中使用对数放大器来调节可变增益放大器的增益。例如，蜂窝基站的接收器可能使用来自日志放大器的信号来调节接收器增益。在发射机中，对数安培也用于测量和调节发射功率。

然而，也有一些应用，其中一个日志放大器是用来解调信号。该图显示了使用幅度移位键控(ASK)调制的接收信号。这种简单的调制方案，类似于早期的雷达脉冲传输，通过发射一系列射频突发(逻辑1 =突发，逻辑0 =无突发)来传递数字信息。当这个信号被应用到对数放大器时，输出是一个脉冲序列，它可以应用到比较器以给出数字输出。注意，脉冲的实际振幅并不重要;我们只想知道它是否存在。事实上，日志放大器能够将在大动态范围内变化的信号(在这种情况下为10 mV至1 V)转换为在小得多的范围内变化的信号(1 V至3 V)，这使得日志放大器在这种应用中如此吸引人。

Q：你能简单解释一下圆木放大器的工作原理吗?

答：该图显示了一个简化的原木放大器框图。该设备的核心是一个级联的放大器链。这些放大器具有线性增益，通常在10db和20db之间。为了解释简单，在本例中，我们选择了5个放大器的链，每个放大器的增益为20 dB，或10倍。现在想象一下，一个小的正弦波被送入链中的第一个放大器。第一个放大器将信号放大10倍，然后再应用到第二个放大器。因此，当信号通过每个后续阶段时，它被额外放大20dB。

现在，随着信号沿着增益链向下发展，它将在某个阶段变得如此之大，以至于它将开始剪辑(也使用了期限限制)，如图所示。在简化的示例中，该裁剪电平(期望的效果)被设置为1v峰值。增益链中的放大器将被设计为限制在相同的精确电平。

当信号在某一级进入限幅后(这发生在图中第三级的输出处)，限幅信号继续沿着信号链下行，在每一级进行削波，并保持其1v的峰值幅度。

每个放大器输出端的信号也被送入一个全波整流器。如图所示，将这些整流器的输出加在一起，并应用于低通滤波器，以消除全波整流信号的纹波。请注意，早期阶段的贡献是如此之小，以至于可以忽略不计。这将产生一个输出(通常称为“视频”输出)，它将是稳态交流输入信号的稳态准对数直流输出。实际设备包含电路设计中的创新，这些创新塑造了增益和限制函数，以在十进位间隔之间产生平滑和准确的对数行为，限制器输出总和可与特性相媲美，并且对尾数的贡献小于限制项。

要理解这种信号变换如何产生输入信号包络的对数，请考虑如果输入信号减少20 dB会发生什么。如图所示，夏季的未滤波输出约为4v峰值(来自3个限制级和第四个即将限制的级)。如果输入信号减少10倍，则链输入端的一个级的输出将变得可以忽略不计，并且在限制中会少一个级。由于这一阶段的电压损失，求和输出将下降到大约3v。如果输入信号再减少20db，则求和输出将降至约2V。

因此，输入端的每10倍(20 db)幅度变化，输出就会变化1V。我们可以将对数放大器描述为斜率为50 mV/dB。

Q：好的，我理解了对数变换。现在你能解释一下拦截是什么吗?

答：斜率和截距是定义对数放大器传递函数的两个规格，即输出电压与输入信号电平之间的关系。图中显示了AD8313 (100-MHz- 2.5 ghz 65db对数放大器)在900 MHz和温度下的传递函数。您可以看到，输入电压每变化10 dB，输出电压就会变化约180 mV。由此我们可以推断出传递函数的斜率为18mv /dB。

当输入信号下降到-65 dBm以下时，响应开始在器件范围的底部趋于平缓(在这种情况下约为0.5 V)。然而，如果传递函数的线性部分被外推，直到它穿过水平轴(0 V理论输出)，它通过一个称为截距的点(在这种情况下约为-93 dBm)。一旦已知特定器件的斜率和截距(这些将始终在数据表中给出)，我们可以使用简单的公式预测日志放大器在器件线性范围内(在这种情况下约为-65 dBm至0 dBm)的任何输入电平的标称输出电压:

V(out) =斜率× (P(in) -截距)

例如，如果输入信号为- 40dbm，则输出电压将等于

18mv /dB × (- 40dbm - (- 93dbm))

= 0.95 v

值得注意的是，截距值的增加会降低输出电压。

该图还显示了在-40°C， +25°C和+85°C下与理想值的偏差图，即对数一致性。例如，在+25°C时，在-2 dBm至-67 dBm范围内的输入，日志一致性至少在±1db以内(在较小的范围内，日志一致性甚至更好)。出于这个原因，我们称AD8313为65 dB日志放大器。我们可以很容易地说，AD8313具有73 dB的动态范围，日志一致性在3 dB以内。

Q：在进行一些测量时，我发现输出电压变平的输出电平高于数据表中规定的输出电平。这让我失去了低端的动态范围。是什么导致了这种情况?

答：我经常遇到这种情况。这通常是由输入拾取和测量外部噪声引起的。请记住，我们的日志放大器可以有高达2.5 GHz的输入带宽!原木放大器不知道想要的信号和噪声之间的区别。这种情况在可能存在多个信号源的实验室环境中经常发生。请记住，对于宽量程的日志放大器，一个- 60dbm的噪声信号，来自你的同事，他正在测试他的新手机在旁边的实验室工作台上，可以抹去你的动态范围的底部20db。

一个好的测试方法是将对数放大器的两个差分输入都接地。由于对数放大器通常是交流耦合的，因此应该通过耦合电容器将输入连接到地。

解决噪声拾取问题通常需要某种滤波。这也可以通过在输入端使用匹配网络间接实现。窄带匹配网络将具有滤波特性，并将为所需信号提供一些增益。匹配网络在AD8307, AD8309和AD8313的数据表中进行了更详细的讨论。

Q：输出级的低通滤波器通常选择什么角频率?

答：这里有一个设计权衡。片上低通滤波器的拐角频率必须设置得足够低，以充分消除输出端的全波整流信号的纹波。这个纹波的频率将是输入信号频率的2倍。然而，低通滤波器的RC时间常数决定了输出的最大上升时间。转角频率设置过低将导致日志放大器对快速变化的输入包络响应缓慢。

日志放大器对快速变化信号的响应能力在检测短射频突发的应用中至关重要。除了前面讨论的ASK示例之外，另一个很好的示例是RADAR。上图显示了AD8313对短100mhz突发的响应。一般来说，对数放大器的响应时间的特征是10%到90%的上升时间。下表比较了不同设备日志放大器的上升时间和其他重要规格。

现在看一下较低的数字。这向您展示了如果输入信号的频率低于输出滤波器的拐角频率将会发生什么。正如可以预料的那样，在输出端出现的全波整流信号是未经滤波的。然而，这种情况可以很容易地通过在输出端添加额外的低通滤波来改善。

Q：我注意到下图中的输出信号有一个不寻常的尾部。是什么造成的呢?

答：这是一个有趣的结果，它是由正在发生的对数变换的性质产生的。再看一下传递函数图(即输出电压与输入电平)，我们可以看到，在低输入电平下，输入信号的微小变化对输出电压有显著影响。例如，输入电平从7mV变化到700 μ V(或约-30 dBm到-50 dBm)与输入电平从70mV变化到7mV具有相同的效果。这就是对数放大器所期望的。然而，用肉眼观察输入信号(即射频突发)，我们看不到mV范围的小变化。图中所示的是，爆发不会立即停止，而是下降到某个水平，然后呈指数衰减至零。衰减指数信号的对数是一条直线，类似于图中的尾部。

Q：有没有办法加快日志放大器输出的上升时间?

答：如果内部低通滤波器是缓冲的，这是不可能的，这是大多数设备的情况。然而，该图显示了一个例外:AD8307的非缓冲输出级在这里由2 μ a /dB的电流源表示，其内部负载为12.5 kW。电流源和电阻的标称斜率为25mv /dB。5-pF电容与12.5 kw电阻并联，可产生2.5 MHz的低通拐角频率。10% ~ 90%的上升时间约为500ns。

在图中，增加了一个外部1.37 kw的分流电阻。现在，整体负载电阻降低到1.25 kW左右。这将使上升时间减少十倍。然而，整体的对数斜率也下降了十倍。因此，需要外部增益恢复到25 mV/dB的斜率。

你可能还想看一下AN-405申请说明。这展示了如何提高AD606的响应时间。

Q：回到一个典型的日志放大器的架构，是重削信号在增益链的末端以任何方式有用吗?

答：线性增益链末端的信号具有在对数放大器动态范围内的所有信号电平中其幅度不变的特性。这种类型的信号在相位或频率解调应用中非常有用。请记住，在相位调制方案(例如QPSK或广播调频)中，信号的幅度中不包含有用的信息;所有的信息都包含在阶段中。实际上，信号的幅度变化会使解调过程变得相当困难。因此，线性增益链输出端的信号通常可用来提供限幅输出。然后，这个信号可以应用于相位或频率解调器

输出信号的相位随输入电平的变化而变化的程度称为相位偏斜。记住，输入和输出之间的相位通常不重要。更重要的是要知道，当输入信号扫过其动态范围时，从输入到输出的相位保持恒定。图中显示了AD8309在100mhz时的限幅器输出的相位偏差。正如您所看到的，相位在设备的动态范围和温度范围内变化约6°。

Q：我注意到当我用方波驱动圆木放大器时，有些奇怪的事情发生了。

答：对数放大器通常用于正弦波输入。不同信号波形的影响是将对数放大器的截距有效值向上或向下移动。从图形上看，这看起来像是对数放大器传递函数的垂直位移(见图)，而不影响对数斜率。该图显示了AD8307交替由一个未调制正弦波和一个相同均方根功率的CDMA信道(打开9个信道)馈电时的传递函数。在器件的整个动态范围内，输出电压的差异相当于3.55 dB (88.7 mV)。

下表显示了使用正弦波输入表征的对数放大器测量各种信号类型的均方根信号强度时应应用的校正因子。因此，为了测量方波的有效值功率，例如，应从对数放大器的输出电压中减去表中给出的dB值的mV当量(-3.01 dB，在AD8307的情况下相当于75.25 mV)。

Q：在您的数据表中，您有时以dBm为单位给出输入电平，有时以dBV为单位。你能解释一下原因吗?

答：通信应用中的信号电平通常用dBm表示。dBm单位定义为相对于1mw的dB功率，即:

功率(dBm) = 10 log(10)(功率/ 1mw)

由于功率(瓦特)等于均方根电压的平方，除以负载阻抗，我们也可以把它写成

功率(dBm) = 10log (10)((V(rms) (2) / R)/ 1mw)

由此可见，0dBm对应于1mW, 10 dBm对应于10mw， +30dBm对应于1w等。因为阻抗是这个方程的一个组成部分，所以在讨论dBm电平时总是有必要指定负载阻抗。

原木安培，然而，基本上响应电压，而不是功率。日志放大器的输入端接一个外部50w电阻，总输入阻抗约为50w，如图所示(日志放大器的输入阻抗相对较高，通常在300W至1000W范围内)。如果用200w的信号驱动日志放大器，并且输入端端为200w，则日志放大器的输出电压将高于相同功率的50w输入信号。因此，使用对数放大器输入端的电压更有用。因此，合适的单位是dBV，定义为相对于1v的以dB为单位的电压电平，即:

电压(dBV)= 20log (10)(V(rms) / 1v)

然而，对于1v基准是1v峰值(即振幅)还是1v均方根，业界存在分歧。大多数实验室仪器(例如，信号发生器，频谱分析仪)使用1v均方根作为参考。在此基础上，再加13db将dBV转换为dBm。所以- 13dbv等于0dbm。

作为一个实际问题，业界将继续以dBm功率级来讨论对数安培的输入电平，并隐含地假设它基于50 W阻抗，即使这样做并不完全正确。因此，谨慎的做法是在数据表中同时提供dBm和dBV规格。

该图显示了负载阻抗为50w时mV、dBV、dBm和mW之间的关系。例如，负载阻抗为20w时，V(rms)、V(p-p)和dBV刻度相对于dBm和mW刻度会向下移动。此外，如果峰值与有效值比(也称为波峰系数)不是Ö2(正弦波的峰值与有效值比)，则V(p-p)刻度将相对于V(有效值)刻度发生移位。