具有6个十倍程动态范围的对数比率放大器

在光纤通信系统中，为了保证系统总性能，需要进行光功率监视。对数信号处理技术可以在很宽的动态范围内保持精确的测量。宽动态范围信号经过压缩之后，使用较低分辨率的测量系统便可节省成本。作为这种技术的一个实例，考虑用一只响应度为 0.5A/W 的光电二极管来将光能量转换为 100 nA～1mA 的电流。如果动态范围为40倍，误差为1%，则所要求的测量分辨率是 0.01%26;#215;10-4 ，即 1 ppm。这种测量需要一个 20 位 ADC。作为一种替代方法，你可以采用对数比率放大器将这种输入压缩到 0～4V 的范围内，然后使用一个 10 位 ADC，从而可大大降低系统成本。对基准电流编程可以使输出电压改变至所需的电平。在涉及到将动态范围、输入信号（如电压或电流）、极性、比例或对数积和对数比率之类的运算等不寻常地组合在一起的应用场合，你可以定制和使用图 1 所示的电路。对数比率放大器应用于宽动态范围辐射测量领域，辐射测量方法是比照一个可变电流基准来测量未知信号的。图 1 所示电路的传递函数为： 　　式中，K为输出比例因子，IIN为光电二极管产生的电流，VT 为一个与温度有关的电压项（在 25%26;#176;C 下典型值为 26 mV，并与绝对温度成正比），IREF 则为基准电流。当 IIN=IREF 时，VOUT=0。工作正常时，IIN/IREF 应该始终大于 0。这一对数比率电路的输出可以为正，可以为负，也可以是双极性的，视IIN/IREF比值而定。ADC 的 4V 满刻度输入范围可设定 4mA 的满刻度输入电流范围。对 IREF 可按 40"600 μA 之间的某一值编程，使输出位于测量范围的中间。 　　图1中的元件给出的输出比例因子为-1。该电路的输出定义覆盖的范围是，信号电流IIN 为4.5个十倍程，而基准电流IREF为1.5个十倍程（由于基准负载驱动能力的限制，只有 6 个十倍程的范围）。大多数应用系统只需要使用全部 6 个十倍程范围的一部分。只要确定预期的输入信号范围并计算其比率，你就可以利用上述公式来预测预期的输出电压范围。为了使器件性能与电流范围匹配，你可以指定IREF和IIN，但应该注意极性。 　　对数放大器通常取决于一只晶体管的非线性传递函数。对数放大器的普通传递函数与IS 和VT有关，而IS和VT则与温度有关。IS 是晶体管的集电极饱和电流，而 VT 是晶体管的“热电压”。为了克服这种与温度的相关性，本设计采用了两只匹配的 MAT02 晶体管来消除 IS 的温度漂移，并使用一个对温度敏感的电阻分压器来补偿 VT 的温度系数。IREF 发生器的核心部件是 REF191。你可以用AD5201数字电位器来调节REF191的输出。这样的改进就能使你按 33 级对40"600μA的基准电流进行编程设定。 　　REF191 和 AD5201 相组合而成为一个不随时间和温度变化的电流源。为获得更高的分辨率，你可以使用 1024 个分度的 AD5231。AD8626 是一个双精密 JFET 输入放大器，由26V 单电源供电。它功耗低，具有满摆幅输出特性，因而具有很宽的动态范围。其输出不随大于500 pF 的容性负载变化而变化。图 2 和图 3 示出了 ADC 输入端的对数比率放大器的传递函数。对数放大器输出限制在 0～4V之内，以便与 AD7810 型ADC 的单极性输入电压范围匹配。