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光纤与视频应中的对数放大器
来源:武华科技   发布时间:2012-08-20  浏览数:3179    【收藏本页】

由于对数放大器是专为光网络、光电二极管信号压缩、模拟信号压缩以及用于仪表的对数运算而设计的,所以它是许多视频、光纤,医疗、测试以及无线系统中的关键元件。而在实用化的数字光纤通信或视频糸统中,其数字光接收机能适应的输入功率的变化范围,均称为数字光接收信号的动态范围,一般均大于15dB。它是光纤应用中对系统正常工有影响的宝重要指标,必须压缩与控制,这是为什么需要研究与应用对数放大器的所在。

1、对数放大器的新理念

输出和输入之间为对数函数关系是对数放大器的内涵,并利用对数函数可以压缩系统信号的动态范围。而今,将宽动态范围的信号进行压缩己产生出了许多优越性。即:若将对数放大器和低分辨率ADC组合与应用就可以节省电路板空间,并降低系统成本。否则,可能需要采用高分辨率ADC。而如今,系统中一般已经包含低分辨率AD,或者在微控制器内已内置ADC。如若转换成对数参数也极为有利于很多实际应用,例如以分贝表示测量结果的应用,或者转换特性为指数或近似指数的传感器应用。

在光纤通信领域中经常采用对数放大器测量光学应用中光信号强度的技术。图1(a)为用电流检测放大器与具有五个数量级以上的动态范围对数放大器组合成光信号强度测量示意图,即为电信/光纤模块精密监视和信号调理IC,或称成为信号进行压缩电路。

图1(a)中MAX4007为APD(彐崩二光电二极管)或PIN光电二极管电流检测放大器-电流监视器(APD或PIN光电二极管属数字光接收机中的光电检测器)。图1(b)为MAX4007内部结构框图。

MAX4007是高精度、高侧、高电压电流监测器,专门设计用于监测光纤应用中光电二极管的电流。它们提供了一路参考电流输出和一路正比于参考电流的监测输出。MAX4007的监测输出是正比于参考电流的电流信号。MAX4008的监测输出是正比于参考电流的电压信号。这些电流监测器具有六个数量级的动态范围,能够以优于5%的精度监测250nA至2.5mA的参考电流。如果精度要求降低一些,这些器件能够监测10nA到10mA范围的光电管电流。

MAX4007可工作于+2.7V至+76V电源,适用于APD或PIN光电二极管。内部的限流保护(典型20mA)可防止器件因短路至地而损坏。还集成了一个钳位二极管,可防止监测输出过压。另外,如果芯片的温度达到+150oC,器件还可以热关断。MX4007/MAX4008采用尺寸微小的6引脚SOT23封装,适用温度范围为-40oC至+85℃。其高速跨阻放大器它是数字光接收机中前置放大器,只是将负载电阻连接为反相放大器的反馈电阻,它是优良的电流-电压转换器,其特点是带宽宽、动态范围大、噪声低灵敏度高。

从图1中可知对数放大器是一种通用型集成电路,能够计算输入电流相对于基准电流的对数或两个输入电流之比的对数。而对数放大器能够把极宽的输入动态范围(高达5-8个数量级)压缩为易于测量的输出电压。

2、对数大大器的应用分类

2.1第一类用于监视宽动态范围的单极性光电二极管电流的直流对数放大器。

它能一般处理变化较慢的直流信号,带宽可达到lMHz。毫无疑问,最普遍的实现方法是利用pn结固有的对数I-V传输特性。这些直流对数放大器采用单极性输入(电流或者电压),通常是指二极管、跨二级管、线性跨导和跨阻对数放大器等。不但光纤通信设备需要光电二极管电流监视功能,化学和生物样品处理设备中也可以找到这种电路。

2.2第二类用于音频和视频电路的基带对数放大器。这类电路处理快速变化的基带信号,适用于需要对交流信号进行压缩的应用(通常是某些音频和视频电路)。放大器输出与瞬时输入信号的对数成正比。一种特殊的基带对数放大器是“真对数放大器”,可以输入双极性信号,并输出与输入极性一致的压缩电压信号。真对数放大器可用于动态范围压缩,例如射频IF级和医疗超声波接收器电路等。

2.3第三类采用对数放大器的功率检测器,即测量和控制功率的对数放大器是解调对数放大器,或连续检波对数放大器。这类对数放大器对RF信号进行压缩和解调,输出整流信号包络的对数值。RF收发器普遍采用解调对数放大器,通过测量接收到的RF信号强度来控制发射器输出功率。

当系统需要测量和控制功率时,解调对数放大器越来越成为一种普遍的选择。图2示出AD8318在2.2GHz时的传递函数,它是AD公司的一种新的对数放大器,频谱从1MHz~8GHz。图2中示出了输出电压VOUT与输入功率PIN的两条曲线,以及输入功率和校准误差。图示的斜率和截距可通过提供的两个输入信号值和输出电压的测量结果来计算。误差曲线表示输出电压与理想值之间的差距,直线,传递函数。 当输入功率从-65dBm-odBm变化时,输出电压从2V变化至0.5V。

AD8318还包括外部调整温度漂移的能力。通过TADJ引脚对地连接一个电阻器,以改变内部电流,该电流用来稳定AD8318随温度变化漂移的截距。这就要求工作在不同频率选择适当的TADJ电阻器阻值。虽然可以为每一个器件选择不同的TADJ电阻器,但要为每个对数放大器测量其温度漂移特性并不现实。

另外,有些对数放大器(例如LOG102)另外还有用于各种功能(包括增益定量、反相、滤波、补偿和检测信号损失的电平比较)的备用运算放大器。

无论那类对数放大器均可在整个温度范围内提供非常宽的动态范围(高达160dB),极佳的DC准确度和卓越的性能。值此有必要对新型的直流对数放大器作说明。

3、新型的直流对数放大器的特征

3.1新型的5MHz LOG114直流对数放大器

以图3所示功能框图给出了一个典型的当代直流对数放大器LOG114 的结构。 LOG114能够采用单5V工作电源。且动态范围高达8个数量级。精确匹配的双极晶体管可在很宽的输入电流范围内提供卓越的对数一致性。片上补偿在宽工作温度范围内 实现了准确的定量。

LOG114的主要特点:动态范围为8个数量级(160dB);高速度为5MHz、1μs上升/下降时间;卓越的对数度一致性;单电源为5V至10V;集成2.5V 基准;具有两个备用运算放大器;提供片内电压基准,用于调节通用运算放大器的放大器失调;封装型式为QFN-16

3.2 MAX4206直流对数放大器

该直流对数放大器也采用了运算放大器输人结构、BJT反馈、差分放大器和温度补偿电路等。为省去射极的负驱动电压,重新布置了BJT晶体管电路的连接,以便于实现单电源工作。内置通用运算放大器,可用于实现后面的增益、失调调整甚至PID控制电路。MAX4206集成了微调电位器和输出放大器等元件,因此只需极少的外围元件即可正带工作。

与以前放大器不同的是,现在的对数放大器在微小的封装(MAX4206采用4mmx 4mm、16引脚TQFN封装)内集成了所有的电子电路。

单电源工作是一些现代直流对数放大器的一项新革新,非常适合单电源工作的ADC/系统。MAX4206既可采用+2.7V至+11V单电源供电,也可采用±2.7至土5.5V双电源供电。采用单电源供电会产生一个后果,即这些对数放大器通常在其输入端保持一个典型值为0.5V的共模电压,以正确偏置求对数BJT。由于这些对数放大器是电流输入器件,对于大多数电流测量应用来说,这个由内部产生的共模电压通常不会产生问题。

MAX4206主要特点为0.4dB对数一致性精度保持到最低10nA电流;100dB电流测量范围覆盖10nA到1mA,具有0.4dB对数符合精度.

现在大部分直流对数放大器普遍提供片内电流基准。该基准可连接至对数放大器的基准输入,从而允许对对数放大器的主电流输入进行绝对测量,而不是相对测量。对于MAX4206,其基准电流通过0.5V直流电压源、电压-电流转换器和一个10:1电流镜产生。需要采用外部电阻来设置所需的基准电流。

3.3直流对数放大器在光信号测量应用中的方案举例

在光信号测量应用中通常采用两种方案。

3.1在第一种方案中(见图4a),单个光电二极管连接至对数输入(LOGIN),而基准电流连接至基准输入(REFIN)。

在图4a中,单个光电二极管通过检测光纤支路中(1%)辐射出的光信号来测量光纤通道的光信号强度。图中所示为一个PIN(过程识别号码)光电二极管,也可以采用雪崩光电二极(APD)管实现更高的测量灵敏度。由于光电二极管的输出电流通常与输入光功率成线性关系(光电二极管灵敏度典型值为0.1A/mW),并且MAX4206可工作于5个10倍程动态范围,因此这种电路能够可靠测量10μW至1W的光纤光信号强度。注意,尽管MAX4206能够保证工作在-40℃至+85℃温度范围内,工作温度和光信号频率的变化会显著影响光电二极管的性能。

对于光电二极管阳极保留用于其它电路的情况,例如许多光纤模块中的高速跨阻放大器(TIA),可以采用精密电流镜/监视器置于光电二极管阴极(见图1所示),而MAX4007系列产品非常适合于这种应用。

3.2第二种方案(见图4b)采用两个光电二极管,一个连接至对数输入(LOGIN),另一个连接至基准输入(REFIN)。需要测量光信号强度绝对值时采用第一种方案,第二种方案用于光信号强度的对数相对测量。

当对数应用采用两个光电二极管时,其目的是对比基准光源信号和基准光源衰减后的光信号。在这种方式下,可以独立于光源光信号强度(或者至少在光信号强度变化不大时),测量给定介质造成的衰减。这种应用在许多光学气体传感器中非常普遍。

在图4b中,光源输出被等分成两路。第一路入射到基准PIN光电二极管,其阳极馈人MAX4206的REFIIN引脚输人。另一路经过90o镜面反射,通过测试介质,入射到另一个PIN光电二极管连接至MAX4206的LOGIIN引脚输入。当基准光电二极管电流校准为lmA时,另一光电二极管的电流将小于或等于lmA,大小取决于光信号的衰减。通过将基准输入电流锁定为lmA或者偏小的数值,可充分利用MAX4206的5个10倍程宽动态范围。

值得一提的是,尽管MAX4206不保证工作在10nA至lmA输入电流范围之外,但是器件通常可以超出此范围工作,并仍能维持输入和输出之间的单调关系。

4、结束语

4.1对数放大器可在光电二极管光功率或医疗和便携式仪上作测量应用,其优上点是:
*最小的方案为4mm4mmQFN封装比上一代封装小50%;外部元件极少。
*最高的精度为五个数量级动态范围(10nA至1mA);单调性一直保持到最低1nA;整个100dB范围内对数一致性精度达0.4dB。
*最简单的方案,即备有单/双电源版(MAX4206/MAX4207);含有电压基准;含有(10nA至10μA电流基准;独立运放。

4.2直流对数放大器已经发展为小型、易于使用的高性价比电路,非常适合某些模拟设计。对数功能可方便地压缩宽动态范围信号,对传递函数为指数的传感器线性化。数字化宽动态范围信号需要高分辨率ADC,而对数函数的压缩功能支持使用低分辨率ADC。直流对数放大器IC的电路实现比较直观,只需很小的努力即可实现性能优化。校准能够提高对数放大器的性能,但并不是所有的应用都必须校准。