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    光纖與視頻應中的對數放大器
    來源:武華科技   發布時間:2012-08-20  瀏覽數:3918    【收藏本頁】

    由于對數放大器是專為光網絡、光電二極管信號壓縮、模擬信號壓縮以及用于儀表的對數運算而設計的,所以它是許多視頻、光纖,醫療、測試以及無線系統中的關鍵元件。而在實用化的數字光纖通信或視頻糸統中,其數字光接收機能適應的輸入功率的變化范圍,均稱為數字光接收信號的動態范圍,一般均大于15dB。它是光纖應用中對系統正常工有影響的寶重要指標,必須壓縮與控制,這是為什么需要研究與應用對數放大器的所在。

    1、對數放大器的新理念

    輸出和輸入之間為對數函數關系是對數放大器的內涵,并利用對數函數可以壓縮系統信號的動態范圍。而今,將寬動態范圍的信號進行壓縮己產生出了許多優越性。即:若將對數放大器和低分辨率ADC組合與應用就可以節省電路板空間,并降低系統成本。否則,可能需要采用高分辨率ADC。而如今,系統中一般已經包含低分辨率AD,或者在微控制器內已內置ADC。如若轉換成對數參數也極為有利于很多實際應用,例如以分貝表示測量結果的應用,或者轉換特性為指數或近似指數的傳感器應用。

    在光纖通信領域中經常采用對數放大器測量光學應用中光信號強度的技術。圖1(a)為用電流檢測放大器與具有五個數量級以上的動態范圍對數放大器組合成光信號強度測量示意圖,即為電信/光纖模塊精密監視和信號調理IC,或稱成為信號進行壓縮電路。

    圖1(a)中MAX4007為APD(彐崩二光電二極管)或PIN光電二極管電流檢測放大器-電流監視器(APD或PIN光電二極管屬數字光接收機中的光電檢測器)。圖1(b)為MAX4007內部結構框圖。

    MAX4007是高精度、高側、高電壓電流監測器,專門設計用于監測光纖應用中光電二極管的電流。它們提供了一路參考電流輸出和一路正比于參考電流的監測輸出。MAX4007的監測輸出是正比于參考電流的電流信號。MAX4008的監測輸出是正比于參考電流的電壓信號。這些電流監測器具有六個數量級的動態范圍,能夠以優于5%的精度監測250nA至2.5mA的參考電流。如果精度要求降低一些,這些器件能夠監測10nA到10mA范圍的光電管電流。

    MAX4007可工作于+2.7V至+76V電源,適用于APD或PIN光電二極管。內部的限流保護(典型20mA)可防止器件因短路至地而損壞。還集成了一個鉗位二極管,可防止監測輸出過壓。另外,如果芯片的溫度達到+150oC,器件還可以熱關斷。MX4007/MAX4008采用尺寸微小的6引腳SOT23封裝,適用溫度范圍為-40oC至+85℃。其高速跨阻放大器它是數字光接收機中前置放大器,只是將負載電阻連接為反相放大器的反饋電阻,它是優良的電流-電壓轉換器,其特點是帶寬寬、動態范圍大、噪聲低靈敏度高。

    從圖1中可知對數放大器是一種通用型集成電路,能夠計算輸入電流相對于基準電流的對數或兩個輸入電流之比的對數。而對數放大器能夠把極寬的輸入動態范圍(高達5-8個數量級)壓縮為易于測量的輸出電壓。

    2、對數大大器的應用分類

    2.1第一類用于監視寬動態范圍的單極性光電二極管電流的直流對數放大器。

    它能一般處理變化較慢的直流信號,帶寬可達到lMHz。毫無疑問,最普遍的實現方法是利用pn結固有的對數I-V傳輸特性。這些直流對數放大器采用單極性輸入(電流或者電壓),通常是指二極管、跨二級管、線性跨導和跨阻對數放大器等。不但光纖通信設備需要光電二極管電流監視功能,化學和生物樣品處理設備中也可以找到這種電路。

    2.2第二類用于音頻和視頻電路的基帶對數放大器。這類電路處理快速變化的基帶信號,適用于需要對交流信號進行壓縮的應用(通常是某些音頻和視頻電路)。放大器輸出與瞬時輸入信號的對數成正比。一種特殊的基帶對數放大器是“真對數放大器”,可以輸入雙極性信號,并輸出與輸入極性一致的壓縮電壓信號。真對數放大器可用于動態范圍壓縮,例如射頻IF級和醫療超聲波接收器電路等。

    2.3第三類采用對數放大器的功率檢測器,即測量和控制功率的對數放大器是解調對數放大器,或連續檢波對數放大器。這類對數放大器對RF信號進行壓縮和解調,輸出整流信號包絡的對數值。RF收發器普遍采用解調對數放大器,通過測量接收到的RF信號強度來控制發射器輸出功率。

    當系統需要測量和控制功率時,解調對數放大器越來越成為一種普遍的選擇。圖2示出AD8318在2.2GHz時的傳遞函數,它是AD公司的一種新的對數放大器,頻譜從1MHz~8GHz。圖2中示出了輸出電壓VOUT與輸入功率PIN的兩條曲線,以及輸入功率和校準誤差。圖示的斜率和截距可通過提供的兩個輸入信號值和輸出電壓的測量結果來計算。誤差曲線表示輸出電壓與理想值之間的差距,直線,傳遞函數。 當輸入功率從-65dBm-odBm變化時,輸出電壓從2V變化至0.5V。

    AD8318還包括外部調整溫度漂移的能力。通過TADJ引腳對地連接一個電阻器,以改變內部電流,該電流用來穩定AD8318隨溫度變化漂移的截距。這就要求工作在不同頻率選擇適當的TADJ電阻器阻值。雖然可以為每一個器件選擇不同的TADJ電阻器,但要為每個對數放大器測量其溫度漂移特性并不現實。

    另外,有些對數放大器(例如LOG102)另外還有用于各種功能(包括增益定量、反相、濾波、補償和檢測信號損失的電平比較)的備用運算放大器。

    無論那類對數放大器均可在整個溫度范圍內提供非常寬的動態范圍(高達160dB),極佳的DC準確度和卓越的性能。值此有必要對新型的直流對數放大器作說明。

    3、新型的直流對數放大器的特征

    3.1新型的5MHz LOG114直流對數放大器

    以圖3所示功能框圖給出了一個典型的當代直流對數放大器LOG114 的結構。 LOG114能夠采用單5V工作電源。且動態范圍高達8個數量級。精確匹配的雙極晶體管可在很寬的輸入電流范圍內提供卓越的對數一致性。片上補償在寬工作溫度范圍內 實現了準確的定量。

    LOG114的主要特點:動態范圍為8個數量級(160dB);高速度為5MHz、1μs上升/下降時間;卓越的對數度一致性;單電源為5V至10V;集成2.5V 基準;具有兩個備用運算放大器;提供片內電壓基準,用于調節通用運算放大器的放大器失調;封裝型式為QFN-16

    3.2 MAX4206直流對數放大器

    該直流對數放大器也采用了運算放大器輸人結構、BJT反饋、差分放大器和溫度補償電路等。為省去射極的負驅動電壓,重新布置了BJT晶體管電路的連接,以便于實現單電源工作。內置通用運算放大器,可用于實現后面的增益、失調調整甚至PID控制電路。MAX4206集成了微調電位器和輸出放大器等元件,因此只需極少的外圍元件即可正帶工作。

    與以前放大器不同的是,現在的對數放大器在微小的封裝(MAX4206采用4mmx 4mm、16引腳TQFN封裝)內集成了所有的電子電路。

    單電源工作是一些現代直流對數放大器的一項新革新,非常適合單電源工作的ADC/系統。MAX4206既可采用+2.7V至+11V單電源供電,也可采用±2.7至土5.5V雙電源供電。采用單電源供電會產生一個后果,即這些對數放大器通常在其輸入端保持一個典型值為0.5V的共模電壓,以正確偏置求對數BJT。由于這些對數放大器是電流輸入器件,對于大多數電流測量應用來說,這個由內部產生的共模電壓通常不會產生問題。

    MAX4206主要特點為0.4dB對數一致性精度保持到最低10nA電流;100dB電流測量范圍覆蓋10nA到1mA,具有0.4dB對數符合精度.

    現在大部分直流對數放大器普遍提供片內電流基準。該基準可連接至對數放大器的基準輸入,從而允許對對數放大器的主電流輸入進行絕對測量,而不是相對測量。對于MAX4206,其基準電流通過0.5V直流電壓源、電壓-電流轉換器和一個10:1電流鏡產生。需要采用外部電阻來設置所需的基準電流。

    3.3直流對數放大器在光信號測量應用中的方案舉例

    在光信號測量應用中通常采用兩種方案。

    3.1在第一種方案中(見圖4a),單個光電二極管連接至對數輸入(LOGIN),而基準電流連接至基準輸入(REFIN)。

    在圖4a中,單個光電二極管通過檢測光纖支路中(1%)輻射出的光信號來測量光纖通道的光信號強度。圖中所示為一個PIN(過程識別號碼)光電二極管,也可以采用雪崩光電二極(APD)管實現更高的測量靈敏度。由于光電二極管的輸出電流通常與輸入光功率成線性關系(光電二極管靈敏度典型值為0.1A/mW),并且MAX4206可工作于5個10倍程動態范圍,因此這種電路能夠可靠測量10μW至1W的光纖光信號強度。注意,盡管MAX4206能夠保證工作在-40℃至+85℃溫度范圍內,工作溫度和光信號頻率的變化會顯著影響光電二極管的性能。

    對于光電二極管陽極保留用于其它電路的情況,例如許多光纖模塊中的高速跨阻放大器(TIA),可以采用精密電流鏡/監視器置于光電二極管陰極(見圖1所示),而MAX4007系列產品非常適合于這種應用。

    3.2第二種方案(見圖4b)采用兩個光電二極管,一個連接至對數輸入(LOGIN),另一個連接至基準輸入(REFIN)。需要測量光信號強度絕對值時采用第一種方案,第二種方案用于光信號強度的對數相對測量。

    當對數應用采用兩個光電二極管時,其目的是對比基準光源信號和基準光源衰減后的光信號。在這種方式下,可以獨立于光源光信號強度(或者至少在光信號強度變化不大時),測量給定介質造成的衰減。這種應用在許多光學氣體傳感器中非常普遍。

    在圖4b中,光源輸出被等分成兩路。第一路入射到基準PIN光電二極管,其陽極饋人MAX4206的REFIIN引腳輸人。另一路經過90o鏡面反射,通過測試介質,入射到另一個PIN光電二極管連接至MAX4206的LOGIIN引腳輸入。當基準光電二極管電流校準為lmA時,另一光電二極管的電流將小于或等于lmA,大小取決于光信號的衰減。通過將基準輸入電流鎖定為lmA或者偏小的數值,可充分利用MAX4206的5個10倍程寬動態范圍。

    值得一提的是,盡管MAX4206不保證工作在10nA至lmA輸入電流范圍之外,但是器件通??梢猿龃朔秶ぷ?,并仍能維持輸入和輸出之間的單調關系。

    4、結束語

    4.1對數放大器可在光電二極管光功率或醫療和便攜式儀上作測量應用,其優上點是:
    *最小的方案為4mm4mmQFN封裝比上一代封裝小50%;外部元件極少。
    *最高的精度為五個數量級動態范圍(10nA至1mA);單調性一直保持到最低1nA;整個100dB范圍內對數一致性精度達0.4dB。
    *最簡單的方案,即備有單/雙電源版(MAX4206/MAX4207);含有電壓基準;含有(10nA至10μA電流基準;獨立運放。

    4.2直流對數放大器已經發展為小型、易于使用的高性價比電路,非常適合某些模擬設計。對數功能可方便地壓縮寬動態范圍信號,對傳遞函數為指數的傳感器線性化。數字化寬動態范圍信號需要高分辨率ADC,而對數函數的壓縮功能支持使用低分辨率ADC。直流對數放大器IC的電路實現比較直觀,只需很小的努力即可實現性能優化。校準能夠提高對數放大器的性能,但并不是所有的應用都必須校準。

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