AD8307型对数放大器及其应用

AD8307型对数放大器及其应用摘要：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"V”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. 75. 5 V、7. 5 mA的单电源供电，低功 耗，3 V时功耗仪为22. 5 mW。DA8307SUPPLYC7些7. 5nd|带隙参考和偏置理岫)ENABLE+ INPUT®-tnput&inmINP 1. 15k。COMMON ©COM5)1 NT. ADJ.©OUTPUT9个检测单元输又偏置补偿间6个14. 3dB 90MHz放大增益级图1 AD83O7内部功能原理框图图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86dB，-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 kQ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100RA；该引脚悬空或接小于IV电 压时，AD8307处于待机状态（待机电流小于50RA）；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100ns。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。图2 AD8307片选使能接口电路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。COM图3 AD8307信号输入接口电路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 的双电源，电路就可检测到0V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 Q）。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 rA。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 rV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-400rV。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。两端平衡时偏置1图4 AD8307偏置接口电路正常工作时，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±400rV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1叶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。60kU与所有检测级相连LGM2 m A/dB0 - 220 LIA125mV/dBIpFi11J|60p A t(图5简化的输出接口电路利用AD8307的大动态范围可检测56rV 号。如图6所示，采用单端输入，包括对数零点和斜率调节电 设定斜率约20 mV/dB。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 kQ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1叶电容器，则纹波小于±0. 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， 则等效于士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， 的微弱信号和2. 2 V的大信口 路，将对数零点设在-84 dBm，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 Q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。