對數放大器（通常稱為對數放大器，有時稱為對數檢測器）是RF電路和電光接口中使用的模擬元件。其傳遞函數在概念上很簡單：輸出電壓或電流與輸入電壓或電流的對數成正比（圖1）。它在60到80分貝（通常）的輸入范圍內實現這種輸入/輸出關系，但在某些情況下它可以大到或寬到120分貝;一些對數放大器甚至達到160 dB的動態范圍。雖然它被稱為“放大器”，但它不是習慣意義上的“放大器”;它實際上是一個線性到對數轉換器。

圖1：對數放大器或轉換器產生輸出電流或電壓信號（ Y軸），與輸入電流的對數或電壓信號（X軸）成正比;請注意，對于等于或低于零的輸入，它是未定義的，盡管對數放大器有這種限制的方法。

考慮到所有對組件的重視，故意將非線性組件置于系統中可能會適得其反。電路線性度和在很寬的范圍內產生的低失真。對數放大器是設計的一部分，但它通常不直接在信號鏈中。在RF電路中，它通常是閉環控制的一部分，它通過自動增益控制（AGC）調節接收通道增益，通過在寬范圍內測量輸入信號強度來維持通道中接近恒定的信號電平（RSSI） - 接收信號強度指示器），圖2，以及控制發射功率。在光學電路中，它用于監視激光二極管的電流，并根據溫度和其他操作因素調整變化。

圖2：正如此FM接收機框圖所示，對數放大器通常用于接收機的AGC反饋環路，以維持信號電平盡管輸入信號強度范圍很廣，但在很窄的范圍內。

盡管對于等于或小于零的參數，對數函數未定義，但實際電路確實具有非正信號。因此，對數放大器設計人員使用各種技術來解決這一局限。對數放大器及其應用分為三大類：

DC對數放大器（“DC”有點用詞不當）用于緩慢變化的信號，最高可達1 MHz。它用于光路功率控制，以及醫療，化學和生物儀器。

當需要某種信號壓縮時，基帶對數放大器用于音頻和視頻電路，以及接收器信號鏈的IF級和超聲電路的信號處理路徑。對于正輸入信號或負輸入信號，它具有對稱輸出，輸出對于正輸入為正，對于負輸入為負。

解調對數放大器既壓縮和解調RF信號，其輸出為整流信號包絡的對數。該對數放大器用于RF收發器應用，其中接收的RF信號強度用于控制發射器輸出功率。輸出基于輸入的絕對值，無論輸入是正還是負，都是正的。

［注意，對數放大器與另一個非線性模擬不同放大器，限幅放大器。該器件有時稱為削波放大器，在其大部分范圍內都是線性的。但是，當輸入接近正或負最大值時，放大器增益開始下降和限制。因此，這個放大器“軟限制”并且相對優雅地達到最大輸出，而不是僅僅使輸出硬飽和 - 這會導致嚴重失真并且放大器可能需要相對長的時間才能恢復。當輸入返回正常范圍時，輸出也會快速返回線性模式。］

對數放大器設計

對數放大器的核心是基于二極管PN結的電流通過和電壓之間眾所周知的對數關系（圖3左），并與實際電路中的運算放大器結合使用，（圖3右）。從這個基本的物理原理開始，對數放大器使用許多拓撲和配置，每個拓撲和配置在精度和帶寬要求的各種性能屬性和優先級之間提供折衷。雖然內部細節可能與對數放大器用戶沒有直接關系，但它們確實會影響對數放大器和應用程序之間的匹配。提供高精度傳遞函數的對數放大器 - 某些應用所需的特性，但在其他應用中則不需要 - 通常稱為“線性dB”對數放大器。

圖3：二極管眾所周知的電流與電壓關系是幾乎所有對數放大器設計的基礎（左圖）;為了利用這種二極管關系，它被放置在基本運算放大器設計的反饋環路中（右）。

對于RF應用，連續壓縮對數放大器使用多級放大和漸進限制以分段方式形成對數的近似值。它們包括一個整流器（探測器），每個都有5到10個低增益級（每個8 dB到12 dB），其輸出相加以產生濾波電壓，這是一個分貝級的平均功率測量值，超過100 dB

其他射頻應用采用指數增益設計，增益范圍縮小（約60 dB）但精度更高;它通常包括一個探測器，其濾波輸出使探測器成為平方律器件，輸出是所施加信號的功率等效（rms）值。

光學應用的對數放大器通常是在“DC級”中，因為它們測量與光功率相關的相對緩慢變化的電流，以控制激光二極管中的電流或光模放大器的增益。他們可能需要在大約幾皮安到幾毫安的范圍內完成這項工作，總共九十年（10 9 ：1跨度）。

對數放大器規格

對數放大器的物理實現可以是集成電路（IC），也可以是由單個芯片和分立元件組成的模塊，IC版本更小，更便宜，功耗更低，以及其他優點，并且可以提供非常好的性能;它們通常是首選。當IC的單一工藝技術以及單個IC不能充分滿足應用的所有必要參數（如噪聲，帶寬或溫度范圍）時，使用混合結構。

對數放大器具有一些規格類似于傳統的非對數放大器，以及一些由于設備的性質而獨特的規格。此外，不同的供應商可能對這些參數中的某些參數具有合法的不同定義，因此檢查數據表中的詳細信息和測試條件至關重要。頂級因素包括：

- 幾十年的動態范圍：通常以dB為單位，大多數情況下的范圍為60 dB至120 dB（或更高）。在所有情況下可能都不需要寬范圍，實現它可能會降低其他關鍵規格的折衷。

- 帶寬：對于今天的RF應用，這通常是一位數的GHz范圍，但一些先進的設備可以達到幾十GHz。

- 準確度：符合完美的線性/對數傳遞函數。它通常在0.1％和1％之間，但也可以根據其測量的輸入范圍中的位置而變化。

- 靈敏度：對數放大器可以處理的最低信號值;通常，它在1 nA或1μV的范圍內，但可以更低;它通常以dBm為單位指定，通常為50Ω。

- 偏移：當輸入處于最小值時，對數放大器的輸出（不為0，因為log 0未定義）。

- 固定或可調節參考：某些對數放大器具有固定的比例因子，例如0.25 V/十倍（或10 mA/十倍）;其他允許用戶提供確定比例因子的參考。比例因子可以相對于dB或十進制調出，例如20 mV/dB或400 mV/decade。

- 單極性與雙極性輸入和輸出：負數的對數未定義，但許多現實世界的信號都是帶有負值的雙極性信號;為了克服這一限制，基帶和解調對數放大器使用偏移，平方或其他技術來允許低于0 V的輸入。

對數放大器最具挑戰性的兩個問題是噪聲和溫度系數（溫度系數）。由于對數放大器工作數十年，因此可以處理μV，nV甚至pV范圍（或μA，nA或pA）的信號。但是，如果信號電平很低，則對數放大器的內部噪聲可能會超過信號。對于許多RF應用，幸運的是，只要噪聲頻譜密度足夠低（通常在nV/√Hz的數量級），低噪聲就不像范圍和帶寬那么重要。

Tempco是最多的對數放大器設計人員和用戶的挑戰性參數。由于對數放大器的核心基于半導體結的行為，它將不可避免地隨溫度變化。對數放大器設計人員使用各種設計技術來取消，補償，修整或最小化溫度系數，但它仍然是影響整體性能的一個因素。與許多模擬組件一樣，對數放大器可提供詳細規格，適用于標準商用，擴展工業甚至軍用溫度范圍。

對數放大器示例顯示規格范圍

許多模擬和混合信號IC供應商都提供對數放大器。制造商通常提供誤差一致性概述曲線，以及詳細曲線，顯示在每個頻率下特定頻率以及低溫，標稱溫度和高溫下的一致性。

例如，ADI公司的AD8318是一款解調對數放大器，它在級聯放大器鏈上使用逐行壓縮技術，每級都配有一個探測器單元（圖4）。它為1 MHz至6 GHz的信號提供準確的對數一致性，并提供8 GHz的有用操作。輸入范圍通常為60 dB（輸入阻抗為50Ω），誤差小于±1 dB（圖5），而溫度穩定性為±0.5 dB。 4 mm×4 mm，16引腳器件的額定溫度范圍為-40°C至+ 85°C，采用5 V單電源供電。

圖4：ADI公司的AD8318對數放大器采用級聯放大器鏈和逐行壓縮技術，可為1 MHz至6 GHz的信號提供精確的對數一致性，并可在8 GHz的頻率下運行。

圖5：供應商為對數放大器提供的許多詳細性能圖之一，AD8318輸出電壓VOUT（幾乎是直線下降線）和對數一致性（“搖擺”線）對比圖.8 GHz的輸入幅度也表現出+ 25°C（黑色），-40°C（藍色）和+ 85°C（紅色）的性能。

凌力爾特公司提供LT5537，寬動態范圍RF/IF探測器，工作頻率范圍為10 MHz至1 GHz（圖6）。在200 MHz時，其動態范圍為90 dB，具有±3 dB非線性（50Ω輸入），如圖7所示。檢波器輸出電壓斜率為20 mV/dB（標稱值），溫度系數為0.01 dB/° C為200 MHz（典型值）。靈敏度也在200 MHz下測量，至少為-76 dBm。它采用2.7 V至5.25 V單電源供電，采用8引腳，3 mm×2 mm封裝。

圖6：LT5537在輸入和輸出之間提供對數線性關系;輸入信號由一系列限幅放大器級放大;一系列探測器單元對信號進行整流并產生一個與輸入功率線性相關的輸出電流。

圖7：這是一個廣泛的概述輸出電壓和線性誤差與輸入功率的關系，在200 MHz和三個溫度下，凌力爾特公司的LT5537輔以大量更詳細的性能圖。

第三個例子是MAX4003來自Maxim Integrated。他們的MAX4003低功耗對數放大器設計用于檢測工作頻率范圍為100 MHz至2500 MHz的RF功率放大器（PA）的功率電平（圖8）。該對數放大器具有45 dB的典型動態范圍，可與無線應用相匹配，包括蜂窩手機PA控制，無線終端設備的發射器信號強度控制以及其他發射機功率測量。

圖8：Maxim的MAX4003對數放大器是100 MHz至2500 MHz的低功耗元件，范圍為45 dB;包括四個10 dB放大器/限幅器級，每個級都具有10 dB的小信號增益;每個放大器/限幅器級的輸出應用于全波整流器和檢測器級也位于第一級之前，共有五個檢測器。

該電壓測量裝置適用于 - 的典型信號范圍 - 58 dBV至-13 dBV，采用各種小型封裝，包括8焊球芯片級，μMAX和薄型QFN封裝。供應商提供了針對不同頻率的高級概述一致性圖（圖9），以及所引用的每個頻率的更詳細的一致性圖，包括溫度甚至封裝類型。該器件需要5.9 mA（3.0 V電源），當器件處于關斷狀態時僅需13μA。它可在-40°C至+ 85°C的整個工作溫度范圍內實現溫度穩定性。

圖9：封裝也會影響性能，如Maxim MAX4003數據手冊所示，VOUT和對數一致性與2.5 GHz時的輸入功率相比，采用8引腳μMAX封裝（左）及其8焊球芯片級UCSP?封裝（右）。

總結

雖然它們具有比傳統線性放大器更復雜和細微的規格，但對數放大器在射頻和光學系統中都發揮著關鍵作用。具有GHz范圍響應的對數放大器用于管理接收器的前端增益以及傳輸功率，而低頻對數放大器用于測量通過光纖鏈路中的激光二極管的電流。

構建對數放大器的方法有很多種，其中大多數是基于二極管獨特的對數電壓/電流傳遞函數的核心。然而，實用的完整對數放大器遠比單獨的二極管復雜，并且必須適應和權衡動態范圍，帶寬，溫度漂移，噪聲和其他性能參數的規格。今天的IC型對數放大器在小型，低功耗和低成本封裝中提供了出色的性能。只有在相當專業的情況下，才能越來越多地需要混合的多芯片對數放大器實現。