EUR | USD

De basis van logaritmische versterkers en hoe ze omgaan met signalen met een breed dynamisch bereik

By Art Pini

Contributed By De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Werken met signalen met een hoog dynamisch bereik stelt ontwerpers voor grote problemen. Hoe kunnen signalen met amplitudevariaties van meer dan 100 decibel (dB) worden toegepast op lineaire versterkers of analoog-naar-digitaal-converters (ADC's) met typische dynamische bereiken van 60 dB tot 100 dB? Dergelijke signalen komen voor in echo-apparatuur zoals radar en sonar, communicatiesystemen en in glasvezelsystemen. In zulke systemen is er een hoge versterking nodig voor signalen met een lage amplitude en een lage versterking voor signalen met een hoge amplitude.

Is er een manier om die signalen dynamisch te schalen om signaalverlies aan het lage uiteinde te voorkomen en te beperken of "af te knippen" aan het hoge uiteinde van het amplitudebereik?

De logaritmische versterker, logaritmische converter, of eenvoudiger logamp, lost dit probleem op door een hoge versterking te bieden voor lage signalen en een steeds lagere versterking voor hogere signaalniveaus.

In dit artikel worden diverse soorten logamps voorgesteld en beschreven, zowel voor toepassingen met lage als met hoge frequenties. Daarna worden de specificaties en de typische toepassingen besproken van deze nuttige niet-lineaire versterkers.

Wat doen logaritmische versterkers

Logamps zijn niet-lineaire, analoge versterkers die een uitgang produceren die het logaritme is van het ingangssignaal of de signaal-envelope. Ze comprimeren ingangssignalen met een groot dynamisch bereik in uitgangssignalen met een vast amplitudebereik. Dit wordt bereikt door een hoge versterking te bieden voor lage ingangssignaalniveau's en een toenemend lagere versterking voor signalen met een hoger niveau (Afbeelding 1).

Afbeelding van logamp die het ingangssignaal comprimeert

Afbeelding 1: De logamp comprimeert het ingangssignaal (bovenste spoor) door een hogere versterking toe te passen op de signalen met de laagste amplitude en een steeds lagere versterking op signalen met een hoger niveau. Het middelste spoor toont het log van de ingang, terwijl het onderste spoor de envelope van de logversterkeruitgang is. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

Het ingangssignaal (bovenste spoor) is een amplitudegemoduleerde draaggolf. Het modulerende signaal is een lineaire helling. De logversterkeruitgang (middelste spoor) geeft een hogere versterking voor de signalen met een laag niveau en een steeds lagere versterking naarmate het signaalniveau toeneemt, waarbij een logaritmisch gewogen uitgangssignaal wordt geproduceerd. Het onderste spoor is de envelope van de log-versterkeruitgang, die een uitgangsoptie is voor een logversterker van het detectietype. Een logamp die voor een ADC wordt toegepast, comprimeert het ingangssignaal zodat het in het vaste ingangsbereik van de ADC past.

Logamp-topologieën

Er zijn twee verschillende logamp-topologieën: de meertraps logversterker en de DC-logversterker De meertraps logversterker is afhankelijk van sequentiële beperking in een reeks versterkers. Deze topologie wordt het meest gebruikt met hogefrequentiesignalen tot diverse gigahertz en wordt gewoonlijk aangetroffen in radar- en communicatietoepassingen.

De DC-logversterker gebruikt een diode of met diode verbonden transistor in de terugkoppellus van een operationele versterker (opamp). Dit type logamp is beperkt tot frequenties van minder dan 20 megahertz (MHz). Logamps die deze technologie gebruiken, worden gewoonlijk gebruikt met sensors in controletoepassingen.

De meertraps logamp

Met meertraps logamps wordt een logaritmische amplituderespons verkregen door middel van een reeks lineaire versterkers met goede overbelastingsbeperkende kenmerken, waarvan iedere uitgang de volgende trap en een sommatieschakeling aandrijft (Afbeelding 2).

Weergave van een eenvoudig conceptueel model van een seriële verbinding van meerdere lineaire versterkers.

Afbeelding 2: Een eenvoudig conceptueel model van een seriële verbinding van meerdere lineaire versterkers waarvan de afzonderlijke uitgangen worden opgeteld (boven). De benadering levert een logaritmische amplituderespons op, zoals te zien is in de overgangsfunctiegrafiek (onder). (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

De versterkerreeks die in Afbeelding 2 wordt getoond, gebruikt vier versterkers, allemaal met dezelfde versterking van A. Lage-amplitudesignalen - onder het niveau dat beperking veroorzaakt in een van de trappen - ervaren een versterking van N x A, of 4 x A in dit geval. Dit wordt getoond in de overgangsfunctie onderaan de afbeelding waarin het meest linker segment (rood) een versterking heeft van N x A, zoals wordt aangegeven door de helling van het lijnsegment voor amplitudes tussen nul en VMAX/ A4, waarbij VMAX de maximale ingangsspanning is.

Wanneer het ingangsniveau wordt verhoogd, begint op een bepaald punt de laatste versterker, trap 4, te beperken. De algehele versterking daalt tot (N - 1) × A, of 3 × A. De helling van het groene segment tussen ingangsniveaus VMAX / A3 en VMAX / A4, vertegenwoordigt dit versterkingsbereik. En naarmate het ingangsniveau blijft toenemen, beginnen de versterkers in de eerdere trappen daarna ook te beperken. De versterking van het donkerblauwe segment is (N - 2), het magenta segment heeft een versterking van (N - 3) en de versterking van het lichtblauwe segment is (N - 4) x A, of nul.

Hoewel dit conceptuele model nuttig is om uit te leggen hoe een logaritmische respons wordt ontwikkeld met een reeks versterkers, heeft het een onaangenaam probleem. Iedere versterkingstrap heeft een inherente voortplantingsvertraging. Signaalcomponenten uit de eerste trap bereiken de sommatieschakeling eerder dan die van latere trappen, waardoor de uitgangsgolfvorm wordt vervormd. Dit kan worden gecorrigeerd door de basisschakeling te veranderen (Afbeelding 3).

Weergave van gecascadeerde architectuur met paren versterkers (klik om te vergroten)

Afbeelding 3: De seriële logversterkertopologie kan worden veranderd om vertraging op te heffen door een gecascadeerde architectuur te gebruiken met paren versterkers. Ieder paar bevat een beperkende versterker om versterking te bieden wanneer dat nodig is, en een eenheidsversterkingsbuffer voor wanneer er geen versterking nodig is. De sommatie treedt op in iedere trap, waardoor vertragingen worden opgeheven. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

Deze topologie vervangt de enkelvoudige versterkers door paren versterkers. Ieder paar bevat een beperkende versterker om versterking te leveren wanneer dat nodig is en een eenheidsversterkingsbuffer voor als er geen versterking nodig is. In iedere trap treedt er sommatie op, die de vertraging opheft die optreedt bij gebruik van een enkele sommeerinrichting. Voor kleine signalen bieden de beperkende versterkers het dominante pad. Naarmate de signaalamplitude toeneemt, begint de laatste trap te beperken, waardoor de eenheidsversterker van die trap de dominante ingang wordt voor de sommeerinrichting. Als het ingangsniveau verder wordt verhoogd, gaan eerdere trappen achtereenvolgens beperken, met een algehele verlaging van de versterking tot gevolg.

Een variant op de seriële versterkertopologie is de logamp met opeenvolgende detectie (Afbeelding 4).

Weergave van amplitude-envelope van de logversterkte uitgangssignalen

Afbeelding 4: De logamp met opeenvolgende detectie voegt piekdetectie toe na iedere trap. Deze uitgangen worden vervolgens opgeteld om de amplitude-envelope van de logversterkte uitgangssignalen te creëren. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

De logamp met opeenvolgende detectie gebruikt dezelfde beperkende versterkerketen als eerder besproken, maar voegt na iedere trap piekdetectie toe. Deze detectoruitgangen worden opgeteld om de amplitude-envelope van de logampuitgang te creëren. Sommige versies geven ook de logversterkte signalen als uitgang. Detectors kunnen worden geïmplementeerd als halve of volle golf, afhankelijk van het ontwerp van de schakeling. De log-envelope is handig in toepassingen die het gedetecteerde signaalniveau moeten afleiden. Dat zijn bijvoorbeeld automatische versterkingscontroles en ontvanger-signaalsterkte-indicatoren (RSSI's).

Een goed voorbeeld van een commerciële, multitraps demodulerende logamp is de AD8310ARMZ-REEL7 van Analog Devices (Afbeelding 5).

Schema van de AD8310 meertraps demodulerende logamp van Analog Devices

Afbeelding 5: De AD8310 meertraps demodulerende logamp cascadeert zes versterkers, ieder met een nominale versterking van 14,3 dB (versterking van 5,2) en een bandbreedte van 900 Mhz. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De AD8310 heeft een differentiële ingang met een dynamisch bereik van 95 dB over een bandbreedte van 440 Mhz met ±0,4 dB log-lineariteit. Hij cascadeert zes versterkers, ieder met een nominale versterking van 14,3 dB (versterking van 5,2) en een bandbreedte van 900 Mhz. Iedere versterker drijft een detector aan die een stroomuitgang heeft die wordt omgezet in een spanning door een interne bufferversterker en dan wordt uitgevoerd.

De DC-logversterker

Zoals vermeld, is de DC-logamp een alternatieve logamp-topologie. Hierbij wordt een diode of een met diode verbonden transistor gebruikt in de terugkoppellus van een opamp. De met diode verbonden transistor is de meest algemeen gebruikte configuratie (Afbeelding 6A). De spanning in de hele basis-emitterverbinding van de transistor is evenredig met het logaritme van de stroom die erdoor loopt. Als de met diode verbonden transistor in het feedbackpad van een opamp zit, geeft dit een uitgangsspanning die evenredig is met het logaritme van de verhouding van de ingangsstroom met de emitterverzadigingsstroom (IES).

Weergave van met diode verbonden transistor in het feedbackpad van een opamp

Afbeelding 6: Een logversterker kan worden gemaakt door een met diode verbonden transistor te gebruiken in het feedbackpad van een opamp De temperatuurafhankelijkheid van dit type logamp wordt sterk verminderd door twee van deze versterkers differentieel verbonden te gebruiken (B). (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

De eenvoudige configuratie op Afbeelding 6(A) heeft de beperking dat de uitgang temperatuurafhankelijk is, zoals staat aangegeven in de vergelijking, waarbij T de temperatuur in graden Kelvin is, en wordt ook beperkt door de emitterverzadigingsstroom, IES. Door twee dergelijke versterkers te configureren als differentieel paar, zoals op Afbeelding 6 (B), kan die afhankelijkheid sterk worden verminderd. De differentiële versie is een transimpedantieversterker die het log berekent van de verhouding van IIN 2 / IIN 1 en een spanningsuitgang heeft. IIN 1 wordt gewoonlijk ingesteld als vaste referentiestroom.

De LOG114AIRGVT van Texas Instruments is een DC-logamp met een dynamisch bereik tot acht decaden bij een bandbreedte van 5 MHz. Hij kan worden geconfigureerd als logamp of als log-ratio-amp. Naast de logversterker met temperatuurcompensatie, heeft hij twee schalende opamps en een spanningsreferentiebron van 2,5 volt (Afbeelding 7).

Functioneel blokschema en bijbehorende externe componenten van de LOG114 logversterker.

Afbeelding 7: Het functionele blokschema en bijbehorende externe componenten van de LOG114 logversterker. De versterker is gebaseerd op een temperatuur-gecompenseerde schakeling en heeft twee extra schaalversterkers. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Texas Instruments biedt een schakelingmodel voor de LOG114 waarmee ontwerpers hun ontwerpen kunnen simuleren op de TINA-TI Texas Instruments schakelingsimulator (Afbeelding 8).

Afbeelding van TINA-TI-simulatie van het LOG114 logampmodel (klik om te vergroten)

Afbeelding 8: De TINA-TI-simulatie van het LOG114-logampmodel toont een uitstekende log-lineariteit over zeven decaden ingangsstroom. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

Deze schakeling gebruikt de ingebouwde spanningsreferentie van 2,5 volt om de referentiestroom I1 in te stellen op 1 microampère (µA). De begeleidende overgangsfunctie laat een lineaire respons zien over zeven decaden, van 100 picoampère (pA) tot 1 milliampère (mA), een stroombereik van 140 dB. De logampuitgang is geschaald met één van de twee extra opamps om een overgangsfunctievergelijking te produceren: VOUT - -0,249 x log (I1 / I2) + 1,5 volt.

Conclusie

Logversterkers bieden de ontwerper een techniek voor omgang met signalen met een breed dynamisch bereik, zowel baseband als RF. Dat doen ze door een signaal met een breed dynamisch bereik te comprimeren in een vast uitgangsbereik, waardoor overflow- en clipping-problemen in de volgende trappen worden voorkomen. Logampoplossingen zijn gemakkelijk verkrijgbaar en worden vaak ondersteund door online-simulatietools om het ontwerpproces te helpen.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Art Pini

Arthur (Art) Pini is een verdienstelijke auteur bij Digi-Key Electronics. Hij behaalde een Bachelor-diploma in Elektrotechniek bij het City College van New York en een Master-diploma in Elektrotechniek bij de City University van New York. Hij heeft meer dan 50 jaar ervaring in elektronica en vervulde belangrijke technische en marketingfuncties bij Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek en Nicolet Scientific. Hij is geïnteresseerd in meettechnologie en heeft heel veel ervaring met oscilloscopen, spectrumanalysators, arbitraire golfvormgenerators, digitizers en vermogenmeters.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key