一种对数放大器 【技术领域】
本发明涉及一种对数放大器，特别涉及半导体集成技术构成的对数放大器。
背景技术
常用的对数放大器分为基本对数放大器、基带对数放大器、解调对数放大器，他们各有优缺点。
基本对数放大器也称跨导线性对数放大器，它基于双极性三极管(BJT)的对数特性来实现信号的对数变换。这类对数放大器可以响应缓慢变化的输入信号，其特点是具有优良的直流精度和非常宽的动态范围，缺点是交流特性差。
基带对数放大器也称视频对数放大器，它克服了基本对数放大器的缺点，能够响应快速变化的输入，交流特性好，但动态范围较小。
解调对数放大器也称逐级检波对数放大器，可以得到很好的对数传递特性，但往往功耗较大，基本上大于30mA。
因此上述对数放大器无法满足移动基站、宽动态信息处理、电子测量等领域对于高精度、低功耗、大动态对数放大器的需求。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种精度高、功耗低、动态范围宽，且对数斜率可调的对数放大器集成电路。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种对数放大器，包括电压电流转换输入级、电流电压转换输出级以及恒流源，其特征在于电压电流转换输入级由五级线性对数放大器级联方式组成，每级线性对数放大器带有放大级和跨导级，每个跨导级的输出电流通过电流电压转换输出级转换为输出电压。
本发明的核心是用多个相同的线性放大器级联来分段线性逼近对数函数。设有一理想的开关电流源，当输入电压小于L时输出电流为零；当输入电压大于等于L时，输出电流I1。如果N级理想开关电流源组成一电压电流转换输入级，除了第一级外，其余每级都带有电压放大器，电压放大倍数为A。N级电流源串联后将输入电压逐级放大，则当输入电压为X(n)＝L/An时，有N-n级输出电流为(N-n)*I1。这样，在每个饱和点上，输出电流Y(n)为输入电压X(n)的函数。推导输出和输入电流电压之间的关系式：
由：Y(n)＝(N-n)*I1，X(n)＝L/An
得Y＝(N-n)I1＝[N+(lnX-lnL)/lnA]*I1
＝I1*[N-1/lnA*lnL+1/lnA*lnX]＝P+Q*lnX
即
Y＝P+Q*lnX
这样就完成了对数功能，如图6所示。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1.双电源供电优化电路性能且功耗低：6～9V，≤14mA；
2.上升时间快：≤15ns；
3.动态范围宽：≥60dB；
4.输入电压范围宽：0.6mV～250mV
5.对数精度高：≤1dB；
6.带宽范围宽：≥67Mhz
7.噪声低：≤50μV
8.增益可调整、可补偿失调电压。
【附图说明】
图1是本发明对数放大器电路框图；
图2是本发明对数放大器电路中电压电流转换输入级的原理图；
图3是本发明对数放大器电路中放大级的电路图；
图4是本发明对数放大器电路中恒流源的电路结构图；
图5是本发明对数放大器电路中电流电压转换输出级的电路结构图；
图6是开关电流源输入电压和输出电流关系示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
结合图1，由框图可以看出电路主要由电压电流转换输入级、电流电压转换输出级、恒流源、频率补偿电路等部分组成。
电压电流转换输入级电路实现线性电压到非线性电流的转换，即大动态范围的电压转换为小动态范围的电流。电压电流转换输入级电路的输入级中第一级带有平衡调节功能，可改善小信号下的输出特性。
电流电压转换输出级电路实现电流到电压的转换，电流电压转换输出级电路中采用威尔逊电流镜，抑制输出电压变化对电流镜的对称性影响。恒流源为电路提供稳定的偏置电流，恒流源电路中的基准影响到输出的最大值、输出曲线的十倍频程斜率。要保证电路的温度特性良好，恒流源必须不随温度变化。恒流源电路由电流基准产生部分和温度补偿部分组成。
频率补偿电路采用外补偿，电路实现上，在图5中的P13和输出间引入了密勒电容滞后补偿。
结合图2，为了提高输入电压范围，使电路能够响应mV以下的信号，要求电路小信号增益很大，响应要快，因此对输入级结构设计提出较高要求，单独一、二级放大器无法满足要求。结合输入电压范围和转换速度的要求，输入级结构采用五级线性对数放大器级联方式，每级放大器带有放大级和跨导级D，每个跨导级的输出电流，通过电流电压转换输出级转换为输出电压Vout，放大倍数设计为15dB左右，这样既满足小信号的增益要求，动态范围宽，又提高了响应速度。
另外要达到对数精度≤1dB，需要电路具有较高的对数转换特性及良好的对数斜率，因此跨导放大输入级的放大倍数要一致，跨导级和放大级的饱和点相同，恒流源的大小一致，保证斜率相同。
结合图3，每一级放大器带有放大级和跨导级，Q1和R1为放大级，Q3和R3组成跨导级，Q5和R5，Q6和R6分别为放大级和跨等级相对应的恒流源。放大级输出电压和输入电压之间关系式：
Vdo＝-R1*I0*((exp(Vin/VT)-1)/((exp(Vin/VT)+1)
小信号时电压放大倍数为
A＝-R1*I0/(2VT)
其中I0为放大级的恒流源电流，R1为负载电阻。
在大信号时，放大级因为电流饱和，最大输出电压为Vmax＝R1*I0
跨导级的输入电压和输出电流关系满足以下方程：
Vin＝VTlnλ+(λ-1)R3*I1/(λ+1)
Ido＝(λ-1)Ib
I1＝(λ+1)Ib
其中λ为跨导级两差分驱动管的输出电流之比，即λ＝Ia/Ib，Ido为差分输出电流，I1为恒流源电流。
在Vin为小信号时，跨导级跨导为：g＝1/R3
在Vin为大信号时，跨导级输出电流饱和，输出电流为I1。
根据上述电路图知，跨导级在放大级饱和后才能饱和，跨导级在饱和时输入电压为Vosat＝I1*R3。放大级饱和输出电压为I0*R1。从相移和噪声两方面考虑，电路设计中，将放大级恒流源设计为跨导级恒流源的2倍，即I0＝2*I1。因此为了使放大级在跨导级之前饱和，R1应小于R3的一半。
结合图4，本电路的恒流源基准影响到输出的最大值、输出曲线的十倍频程斜率。要保证电路的温度特性良好，恒流源必须不随温度变化。
本电路的恒流源由电流基准产生部分和温度补偿部分组成。电流基准产生部分中，采用电流镜，利用发射极串联电阻的电流负反馈作用，使得电流基准的集电极电流完全相等。根据电压和电流平衡关系，可知发射极电流I2满足以下关系式：
I2*R139＝VT*ln6
所以，I2＝VTln6/R139＝(kT/q)*ln6/R139。常温下，VT＝26mV，得I2＝204uA，I2是与温度成正比的电流源。
恒流源地温度补偿部分是利用三极管Q081和电阻R138的温度系数相反的原理。由于电阻阻值与温度成正比，具有正温度系数；而三极管上的电压具有负温度系数，温度系数为-2.32mV/℃。所以选择合适的电阻即可达到温度补偿的目的。
另外为了使用方便，电路设有斜率调整端P9，通过改变恒流源的大小，可以方便的调整对数斜率。电路设有失调调整端，这样可以消除失调带来的影响。
恒流源的输出部分为vbias，与图3中跨导部分的输入相对应。
结合图5，输入级产生的转换电流IN1、IN2通过PNP管发射极输入，从集电极输出，实现阻抗变换，电路内部采用共基极达林顿结构，以便提高电流放大系数，使得高频下电流放大系数满足设计要求，同时可以提高截止频率。Q19和Q020实现电流双端输入到单端输出的转换。Q81、Q82为威尔逊电流镜，采用威尔逊电流镜，抑制输出电压变化对电流镜的对称性影响。
达林顿的偏置电流会影响输出部分的功耗和输出部分的线性度。偏置电流决定了其发射极的串联电阻。为了保证线性度，发射极阻抗要比串联电阻小得多。为了降低电路功耗，该电阻也要精心选择。