專利名稱：低功耗真對數(shù)放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種真對數(shù)放大器，特別涉及一種大動態(tài)、低壓、低功耗真對數(shù)放大 器，它直接應(yīng)用的領(lǐng)域是通訊、雷達(dá)、聲納和電子對抗等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的真對 數(shù)放大器的實(shí)現(xiàn)方式是采用雙增益型電路結(jié)構(gòu)，由若干級雙增益單 元(TLA)通過級聯(lián)以獲得高精度、大動態(tài)的真對數(shù)放大器，如圖1所示。雙增益單元(TLA) 由一個高增益限幅放大器Gh和一單位增益放大器&和輸出級組成。在傳統(tǒng)的真對數(shù)放大器電路結(jié)構(gòu)中，為了保證單位增益放大器在整個輸入信號 動態(tài)范圍內(nèi)增益均為1，單元電路的靜態(tài)工作電流都比較大(通常為17mA 25mA)，若要獲 得超過SOdB的大對數(shù)動態(tài)范圍時，通常需要8級單元電路級聯(lián)，整個工作電流在136mA 200mA左右，因此功耗較大(一般大于1.5W)；各單元電路間采用交流藕合，很難集成化，造 成整個真對數(shù)放大器的體積也比較大；另外，由于級聯(lián)級數(shù)多，對電路的調(diào)試也比較困難。 因此，采用傳統(tǒng)的真對數(shù)放大器實(shí)現(xiàn)方式和結(jié)構(gòu)，要獲得超過SOdB的大對數(shù)動態(tài)范圍時， 存在靜態(tài)功耗大、體積大、調(diào)試?yán)щy的問題。專利文獻(xiàn)1的“真對數(shù)放大器” (ZL200710078624. 5)，較好地解決了傳統(tǒng)大動態(tài)真 對數(shù)放大器靜態(tài)功耗大、體積大和調(diào)試?yán)щy的問題。但對于當(dāng)今不斷發(fā)展的低壓低功耗應(yīng) 用來說，還是不能很好地解決目前整機(jī)的一些低壓低功耗應(yīng)用要求，如工作電壓2. 7 5V、 功耗< IOOmW的條件要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于發(fā)明一種新的低功耗真對數(shù)放大器，不僅解決傳 統(tǒng)大動態(tài)真對數(shù)放大器靜態(tài)功耗大、體積大和調(diào)試?yán)щy的問題，而且能夠很好滿足當(dāng)今大 動態(tài)、低壓、低功耗應(yīng)用，且便于批量生產(chǎn)。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案在于本發(fā)明的低功耗真對數(shù)放大器 包括—個輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，其輸入端通過第一隔直流電容(Cl)與外部輸入信號的輸入 端相連；一個限幅放大器，其輸入端與所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出端相連，它對來自外部的輸 入信號進(jìn)行放大和限幅后，輸出幅度穩(wěn)定的、保留外部輸入信號相位特性的信號；一個連續(xù)檢波式對數(shù)放大器，其輸入端與所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出端相連，它對來 自匹配網(wǎng)絡(luò)的外部輸入信號進(jìn)行逐級放大與檢波，輸出與外部輸入信號幅度成對數(shù)關(guān)系的 視頻信號；一個線性電壓電流變換器其輸入端與連續(xù)檢波式對數(shù)放大器輸出端相連，將來 自連續(xù)檢波式對數(shù)放大器的電壓信號線性地變換成電流信號。一個幅度可調(diào)放大器其輸入端分別與所述限幅放大器和線性電壓電流變換器輸出端相連，將來自限幅放大器的限幅信號經(jīng)線性電壓電流變換器輸出的電流信號線性調(diào)幅 后，經(jīng)第二隔直流電容(C3)輸出與外部輸入信號成對數(shù)關(guān)系、頻率保持、保留輸入信號相 位特性信息的信號。所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)由第一電阻(Rl)與第一電容(C2)連接而成，其輸入的阻抗為 40-60歐姆。所述限幅放大器、連續(xù)檢波式對數(shù)放大器和幅度可調(diào)放大器采用其集成一體的美 國 Analog Devices Inc.公司的 AD8309 集成電路(Ul)。所述的線性電壓電流變換器采用常規(guī)的低壓單電源運(yùn)算放大器(U2)和常規(guī)電阻 (R3、R4、R5、R6)構(gòu)成。
有益效果由于本發(fā)明的低功耗真對數(shù)放大器采用了上述技術(shù)方案，通過采用連續(xù)檢波式對 數(shù)放大器、限幅放大器、線性電壓電流變換器和幅度可調(diào)輸出放大器相互級連來實(shí)現(xiàn)，取消 了專利文獻(xiàn)1中的乘法器，使真對數(shù)放大器能夠在2. 7V 5V的電源電壓下工作，靜態(tài)電 流只有18mA，功率僅48. 6mff(2. 7V時)，不僅降低元器件成本，縮小了器件體積，而且大大 拓展了真對數(shù)放大器的工作頻率范圍(本發(fā)明可以工作在5MHz 500MHz)，動態(tài)范圍大于 90dB，對數(shù)精度優(yōu)于士 ldB。與傳統(tǒng)的真對數(shù)放大器相比，本發(fā)明的低功耗真對數(shù)放大器具有以下特點(diǎn)1.本發(fā)明的低功耗真對數(shù)放大器的體積為15X 10X5mm3，比傳統(tǒng)真對數(shù)放大器的 體積縮小96% (采用傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，其體積為70X30X10mm3)；比專利文獻(xiàn)1的體積縮 小80% (專利文獻(xiàn)1的體積為38 X 20 X 5mm3)。2.本發(fā)明的低功耗真對數(shù)放大器的電源電流18mA/2. 7V 5V，比傳統(tǒng)真對數(shù)放大 器的功耗大幅降低98. 84% (采用傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，其電源電流為200mA/12V)；比專利文獻(xiàn) 1的功耗降低87. 85% (專利文獻(xiàn)1的功耗為40mA/士5V)；因此，本發(fā)明電路能夠很好地滿 足電壓低功耗應(yīng)用。3.本發(fā)明的低功耗真對數(shù)放大器的一致性很好，基本不需要調(diào)試，非常便于大批
量生產(chǎn)。


圖1是傳統(tǒng)真對數(shù)放大器的電路框圖；圖2是本發(fā)明的低功耗真對數(shù)放大器的電路框圖；圖3是本發(fā)明采用的連續(xù)檢波式對數(shù)放大器、限幅放大器和幅度可調(diào)放大器 (AD8309)電路框圖；圖4是本發(fā)明一個實(shí)施例的低功耗真對數(shù)放大器電路的電原理圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具體實(shí)施方式
不僅限于下面的描述，現(xiàn)結(jié)合附圖加以進(jìn)一步說明。本發(fā)明的低功耗真對數(shù)放大器的電路框圖如圖2所示，本發(fā)明的低功耗真對數(shù)放 大器電路包括一個輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、一個限幅放大器、一個連續(xù)檢波式對數(shù)放大器、一個線性 電壓電流變換器和幅度可調(diào)放大器。
本發(fā)明技術(shù)方案的工作原理為輸入信號分成兩路一路進(jìn)入限幅放大器電路，得到幅度穩(wěn)定的輸出信號，信號頻 率與輸入信號相同，并且保留了輸入信號的相位信息(公式1)；另一路信號進(jìn)入連續(xù)檢波 式對數(shù)放大器，得到與輸入信號幅度成對數(shù)關(guān)系的視頻信號(公式2)；該視頻信號由線性 電壓電流變換器線性變換換成電流信號(公式3)。然后兩路信號由幅 度可調(diào)放大器線性調(diào) 幅后得到輸出信號幅度與輸入信號成對數(shù)關(guān)系，且輸出頻率和輸入頻率相同，并保留輸入 信號相位信息，電路實(shí)現(xiàn)了真對數(shù)放大功能(公式3)。V01 = Acos ( ω 0t+ Δ Φ)(1)公式1中，Vqi是輸出電壓，Δ Φ是相位變化，A為限幅電平(常數(shù))，《Qt是輸入頻率。V02 = VyIog (VIN/VX)(2)公式2中=Vre是輸出電壓，Vy是對數(shù)效率，Vin為輸入電壓；VX是對數(shù)起點(diǎn)電壓(輸 出為O時的輸出電壓)。Il = KXV02(3)公式3中是線性電壓電流變換器的輸入信號(即連續(xù)檢波式對數(shù)放大器的輸 出信號)，K是線性電壓電流變換器的變換系數(shù)，Il為輸出電流。V0 = V01XR2XIL = R2XKXAXVYXlog(VIN/Vx) Xcos(co0t+A Φ) (4)公式4其實(shí)就是真對數(shù)放大器的傳輸特性公式，包含了輸入信號的幅度信息、頻 率信息和相位信息。本發(fā)明的低功耗真對數(shù)放大器的電原理圖如圖4所示。外部輸入信號經(jīng)輸入 端IN通過一隔直電容(Cl)和輸入匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入限幅放大器/連續(xù)檢波式對數(shù)放大器 AD8309(U1)的INHI端，AD8309的INLO端經(jīng)一電容(C2)接地，AD8309的LMDR端經(jīng)一限幅 電流調(diào)整電阻R3接線性電壓電流變換器的輸出(即運(yùn)算放大器U2的輸出)。AD8309的 LMHI接電源，LMLO端通過一電阻(R2)接電源，再經(jīng)過一隔直電容(C3)接輸出端。AD8309 的VLOG是對數(shù)輸出端，通過電阻(R4)與運(yùn)算放大器(U2)負(fù)向輸入端相連，(R5)是調(diào)節(jié)電 流斜率的電阻，(R6、R7)是調(diào)節(jié)輸出電流幅度電阻。一個輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，其輸入端與外部輸入信號的輸入端相連，其輸出端分別連接 一個限幅放大器和一個連續(xù)檢波式對數(shù)放大器。所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)由一電阻(Rl)及一電 容(C2)組成；其輸入的阻抗為40-60歐姆。一個限幅放大器，其輸入端與所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)相連，其輸出端與一個幅度可調(diào) 放大器相連，它對來自外部的輸入信號進(jìn)行放大和限幅后，輸出幅度穩(wěn)定的信號，同時保 留輸入信號的相位特性。對限幅放大器的要求是在整個輸入信號動態(tài)范圍內(nèi)須保持輸 出幅度穩(wěn)定，且其工作頻率必須覆蓋整個電路要求的范圍。例如，要研制一個動態(tài)范圍為 90dB(-90dBm OdBm)的真對數(shù)放大器，則要求限幅放大器至少在輸入信號為_90dBm OdBm的動態(tài)范圍內(nèi)輸出幅度基本不變。一個連續(xù)檢波式對數(shù)放大器，其輸入端與所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)相連，其輸出端與一 個線性電源電流變換器相連，它對來自外部的輸入信號進(jìn)行逐級放大與檢波，輸出與輸入 信號幅度成對數(shù)關(guān)系的視頻信號；對連續(xù)檢波式對數(shù)放大器的要求是動態(tài)范圍必須能覆 蓋整個真對數(shù)放大器的輸入動態(tài)范圍，而且其對數(shù)精度必須要能保證整個電路的要求，工作頻率能覆蓋整個真對數(shù)放大器的工作頻率。本發(fā)明中的限幅放大器、檢波式對數(shù)放大器和幅度可調(diào)放大器模塊采用其集成 一體的美國Analog Devices Inc.公司的AD8309來實(shí)現(xiàn)。AD8309的動態(tài)范圍90dB ；對 數(shù)精度士0. 5dB ；帶寬5MHz 500MHz ；限幅范圍87dB ；相位變化士3°C ；電源電流 16mA/2. 7V 5V，體積16引腳SSOP封裝。能保證真對數(shù)放大器的需求。AD8309的主通道由6級差分放大器/限幅單元級聯(lián)而成，每級增益為12dB，_3dB 帶寬850MHz，總增益72dB ；幅度可調(diào)放大器最大可提供額外的ISdB增益。每個主增益單元 還包含有一個全波檢波器；由寬帶衰減器驅(qū)動的四個檢波單元，可將動態(tài)范圍的高端擴(kuò)展 48dB。
一個線性電壓電流變換器，其輸入端與連續(xù)檢波式對數(shù)放大器輸出端相連，將來 自連續(xù)檢波式對數(shù)放大器的電壓信號線性地變換成電流信號。其輸出端與幅度可調(diào)放大器 相連?！獋€幅度可調(diào)放大器，其輸入端分別與所述限幅放大器和線性電壓電流變換器相 連，它是將限幅放大器的輸出信號由線性電壓電流變換器的電流信號線性調(diào)幅后，輸出與 外部輸入信號成對數(shù)關(guān)系，且頻率保持與輸入信號一致，同時保留輸入信號的相位信息。所 述幅度可調(diào)放大器采用美國Analog Devices Inc.公司的AD9309來實(shí)現(xiàn)(AD8309同時集 成了連續(xù)檢波式對數(shù)放大器、限幅放大器和幅度可調(diào)放大器)。本發(fā)明的低功耗真對數(shù)放大器采用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的SMT (Surface Mounting Technology)工藝制造。
權(quán)利要求
一種低功耗真對數(shù)放大器，其特征在于它包括一個輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，其輸入端通過第一隔直流電容(C1)與外部輸入信號的輸入端相連；一個限幅放大器，其輸入端與所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出端相連，它對來自外部的輸入信號進(jìn)行放大和限幅后，輸出幅度穩(wěn)定的、保留外部輸入信號相位特性的信號；一個連續(xù)檢波式對數(shù)放大器，其輸入端與所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出端相連，它對來自匹配網(wǎng)絡(luò)的外部輸入信號進(jìn)行逐級放大與檢波，輸出與外部輸入信號幅度成對數(shù)關(guān)系的視頻信號；一個線性電壓電流變換器其輸入端與連續(xù)檢波式對數(shù)放大器輸出端相連，將來自連續(xù)檢波式對數(shù)放大器的電壓信號線性地變換成電流信號。一個幅度可調(diào)放大器其輸入端分別與所述限幅放大器和線性電壓電流變換器輸出端相連，將來自限幅放大器的限幅信號經(jīng)線性電壓電流變換器輸出的電流信號線性調(diào)幅后，經(jīng)第二隔直流電容(C3)輸出與外部輸入信號成對數(shù)關(guān)系、頻率保持、保留輸入信號相位特性信息的信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真對數(shù)放大器，其特征在于所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)由第一電阻 (Rl)與第一電容(C2)連接而成，其輸入的阻抗為40-60歐姆。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真對數(shù)放大器，其特征在于所述限幅放大器、連續(xù)檢波式對 數(shù)放大器和幅度可調(diào)放大器采用其集成一體的美國Analog Devices Inc.公司的AD8309 集成電路(Ul)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真對數(shù)放大器，其特征在于所述的線性電壓電流變換器采用 常規(guī)的低壓單電源運(yùn)算放大器(U2)和常規(guī)電阻(R3、R4、R5、R6)構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低功耗真對數(shù)放大器，包括一個輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、一個限幅放大器/連續(xù)檢波式對數(shù)放大器、一個線性電壓電流變換器和幅度可調(diào)放大器。本發(fā)明很好地解決了傳統(tǒng)大動態(tài)真對數(shù)放大器靜態(tài)功耗大、體積大和調(diào)試?yán)щy的技術(shù)問題。本發(fā)明制造出的低功耗真對數(shù)放大器的體積為15×10×5mm3、電源電流18mA、工作電壓2.7V～5V，比傳統(tǒng)的真對數(shù)放大器的體積大幅縮小(縮小80％以上)、功耗大幅降低(降低87.85％以上)。本發(fā)明電路廣泛應(yīng)用于通訊、雷達(dá)、聲納和電子對抗等領(lǐng)域。
文檔編號H03F1/02GK101938255SQ20101028268
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者劉登學(xué), 龐佑兵, 楊帆, 陳永任, 龍學(xué)彬 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所