如何设计一个Logamp射频脉冲检测器

对数放大器（俗称对数放大器）可用于突发检测和测量，因为它们具有检测动态范围很大的信号的能力。单片对数放大器能够在3.5 GHz的频率下检测短至20 ns的RF突发，并且可以检测高达120 dB的幅度变化。1Logamp猝发检测器通常用于雷达和幅度键控（ASK）信号解调等应用中。本文介绍了设计人员在将对数放大器应用于这些任务时必须考虑的问题，并讨论了与测量对数放大器的脉冲响应时间相关的技术和陷阱。

要了解对数放大器如何检测RF突发信号，首先必须了解对数放大器的基本操作。图1显示了典型对数放大器的简化框图。该设备的核心是级联的线性放大器链，每个放大器的增益通常在10至20 dB之间。为简单起见，此示例显示了一个由五个放大器级组成的链，每个级的增益为20 dB或10X。一个小的连续正弦波被馈入链中的第一个放大器，并在链中前进。在某个阶段，它变得如此之大以至于开始削波。在此示例中，削波（或限制）电平已设置为+ 1-VDC峰值，并且发生在第三级的输出端。削波后的信号继续通过信号链，并保持其+ 1-VDC峰值幅度。

 

 

 

图1.对数放大器使用连续检测来计算信号包络的对数。对来自检波器的全波整流输出进行求和，并且必须在输出之前进行滤波。低通滤波器的转折频率决定了对数放大器在输入端改变的响应时间。

每个放大器输出端的信号被馈送到全波整流器或检测器中，这些整流器的输出相加在一起。然后将求和后的输出施加到低通滤波器，该滤波器可消除经求和的全波整流信号的纹波。（某些对数放大器具有内置的低通输出滤波器，而另一些对数放大器则需要外部滤波器。）随着输入信号呈指数增长，总电流线性增加，因此输出信号与输入信号的包络线的对数成正比。当输入信号是连续的（非脉冲）时，对数放大器会通过输出稳定的直流电压来做出响应。（有关对数放大器工作原理的更详细说明，请参见参考文献2。）

现在考虑如果输入信号不是连续的，而是打开和关闭脉冲会发生什么。对数放大器的响应时间（即输出响应其输入的变化而变化的时间）由低通输出滤波器的RC时间常数决定。该滤波器的带宽通常称为视频带宽。将视频带宽设置得很高显然会为低频输入信号产生残留的输出纹波。例如，图2显示了AD8313的响应单片对数放大器达到10kHz输入突发。AD8313的工作频率可达2.5 GHz，动态范围达到65 dB。由于AD8313的片上视频带宽设置为大约13 MHz，因此，响应于该低频输入，会有过多的输出纹波。这种情况说明了一个事实，即低通输出滤波器的转折频率决定了对数放大器的最小输入频率。Logamp设计人员通常将最小输入频率设置为视频带宽的5到10倍之间的某个值。但是，只要使用了足够的外部低通滤波，对数放大器就可以用于检测较低频率的输入而不会造成任何损失。（在某些情况下，这可能与在对数输出中添加负载电容器一样简单。3

 

 

 

图2.将信号施加到输入频率等于或低于视频带宽的对数放大器会导致输出处的纹波过大。额外的外部低通滤波可以轻松消除该纹波。输出信号上的线性尾部是由输入信号上的非理想（指数）衰减引起的。

对数放大器的视频带宽不应与其输入信号带宽混淆。单片对数放大器的输入信号带宽通常在50 MHz至约2.5 GHz的范围内，而输出滤波器的视频带宽通常在1至30 MHz的范围内。下表列出了许多ADI公司对数放大器的最大输入频率和视频带宽。注意，AD640和AD641没有任何片上低通滤波器，需要外部滤波。这种布置的优点是可以将转折频率设置为任意高的频率。这样可以产生低至6 ns的上升时间。

具有高视频带宽的对数放大器对突发事件做出快速响应
设备	最大输入带宽	视频带宽	上升时间10％到90％	动态范围	日志一致性	限幅器输出
AD640	120兆赫	不适用（见文字）	6纳秒	50分贝	±1.0分贝	是
AD641	250兆赫	不适用（见文字）	6纳秒	44分贝	±2.0分贝	是
AD8306	500兆赫	3.5兆赫	67 ns	95分贝	±0.4分贝	是
AD8307	500兆赫	5.0兆赫	500纳秒	92分贝	±1.0分贝	没有
AD8309	500兆赫	3.5兆赫	67 ns	100分贝	±1.0分贝	是
AD8310	440兆赫	25兆赫	15纳秒	95分贝	±1.0分贝	没有
AD8313	2500兆赫	13兆赫	45纳秒	65分贝	±1.0分贝	没有

为响应时间选择对数放大器时，设计人员必须考虑其主要应用。图3显示了用于电路中的对数放大器，用于检测简单的ASK信号。在此示例中，RF突发的存在或不存在传达了数字信息的1和0。它也可用于雷达应用，其中突发的到达时间是要测量的关键参数。

 

 

 

图3.在简单的幅度移位键控（ASK）系统中，对数放大器将可以在较大动态范围内变化的突发转换为在非常窄范围内幅度变化的脉冲。比较器用于为所有输入电平提供恒定的幅度输出。

尽管对数放大器检测到的信号可能会在较大的动态范围内变化，但对数放大器的输出幅度并不重要。重要的是它检测到突发的存在或不存在。实际上，在所示的应用中，对数放大器的输出被馈送到比较器。比较器的阈值设置为与对数放大器输入电平相对应的电压，该电压略高于其动态范围的底部。在这样的应用中，通常的做法是将响应时间指定为10％到90％的上升时间，即信号从其最终值的10％变为90％所花费的时间。尽管此标准并未指出对数放大器提供输入幅度的精确读数之前需要花费多长时间，但它确实很好地表明了对数放大器可以检测到的脉冲宽度。

在测量输入信号大小至关重要的应用中，将响应时间定义为突发开始到对数放大器的输出达到其最终值的某个部分（0.5 dB）之间的时间更为合适。通常使用最终价值）。

图4a和b显示了AD8314上脉冲响应测量的结果针对手机中传输的时分多址（TDMA）突发的检测和控制进行了优化。对数放大器的工作频率为100 MHz至2.5 GHz，动态范围为45 dB。图4a显示了+ 10、0，–10和–20 dBm输入电平的输出响应（显示了+ 10-dBm输入信号）。显而易见，对数放大器的输出信号的下降沿存在问题。与上升沿相比，该图的下降沿有一条长尾巴，沉降很慢。但是，仔细检查后，可以得出结论，对数放大器确实在做应做的事情—检测到在很大动态范围内变化的信号。仔细观察图4a中输入信号的衰减，可以看出，在300 ns突发结束时，它不会立即完全关闭。该信号衰减到人眼几乎看不见的水平，例如示波器。但是，在对数域中，信号在突发结束后仍然相对较大。当然，对数放大器会检测到相对较大的信号。

 

 

 

图4.过多的下降时间是许多logamp响应时间测量的特征。但是，仔细检查，乍看之下似乎没有明显衰减的输入脉冲串（a）从对数角度（b）实际上实际上衰减得很慢。对数放大器忠实地测量该信号，从对数角度来看，该信号仍然相对较大。

图4b显示了+ 10-dBm输入信号放大到更大的比例。在这里，很明显，突发在较低的水平上持续了额外的100 ns，并且在此之后需要更多的时间才能稳定下来。这种100 ns突发扩展的结果在对数放大器的输出处清晰可见。请注意，此问题在爆发开始时并不明显。上升时，输入信号会迅速从零斜升到接近其最终值的值。上升时间的稳定部分需要经过一个以分贝为单位的很小的电压范围。例如，log（20）– log（10）> log（100）– log（90）。

显然，精确控制脉冲串的关断对于测量对数放大器输出的下降时间至关重要，这比线性放大器更为关键。图5显示了用于精确测量对数放大器上升和下降时间的电路。脉冲发生器用于打开和关闭RF源。为了从对数放大器接收到尖锐的下降沿响应，必须以100 ps的增量调整脉冲发生器的脉冲宽度。这样，就可以调整RF发生器的控制，直到关闭脉冲使猝发停止，就像它过零一样。RF发生器对猝发使能信号做出反应的能力也很关键。通常，发生器的这种特性是未知的，确定它需要进行一些实验。

 

 

 

图5.为了测量快速上升时间对数放大器的响应时间，需要具有皮秒分辨率的脉冲发生器来精确控制脉冲串的开启和关闭。整个过程中都使用FET探针，以避免增加过多的负载电容，否则可能会影响上升沿和下降沿的质量。

在这些信号测量过程中，均使用场效应晶体管（FET）探头，因为它们贡献的负载电容很小。对于对数放大器的输出的测量尤其如此，因为即使很小的负载电容也可以形成具有对数放大器的输出阻抗的低通滤波器，并减慢输出边沿。

到目前为止，讨论集中在检测RF突发（也称为RF脉冲）上，即先打开，保持一小段时间然后关闭的AC信号。对数放大器还可以检测基带脉冲，但是并未针对此功能进行优化。基带脉冲被定义为一种信号，它在短时间内从一个DC电平（通常但不总是0 VDC）变为另一个电平，然后又恢复为原始值。一个很好的例子可能是来自光电二极管的信号。通常，需要该脉冲的直流耦合。由于大多数对数放大器内部都采用直流耦合，因此从根本上讲是可行的。但是，当使用带差分输入的单电源对数放大器时，存在一个实际的限制。输入信号必须放置在比接地电位高几伏的位置，以便对第一级进行适当的偏置。此外，

图6显示了如何使用差分放大器AD8138对信号进行电平转换和转换为差分形式。的AD8138的差分输出然后驱动AD8310数放大器，其具有大约1 k的输入阻抗Ω。四个499-Ω电阻设置差分放大器的增益统一。通过向AD8138的VOCM引脚施加+2.5 VDC（来自电源基准的电阻分压器），可实现+2.5 VDC的输出共模（或偏置）电压。

 

 

 

图6.对数放大器可以检测直流耦合的基带脉冲，但是必须进行一些信号调理。脉冲必须转换为具有大约中间电源偏置水平的差分信号。可以检测到1 mV至1 V的基带脉冲。脉冲宽度可以窄至40 ns。

在此应用中，有必要调整电路的失调电压。请记住，仅几个毫伏的偏移量就可以大大减小对数域的动态范围。在正常（交流耦合）工作条件下，AD8310补偿其内部失调电压。（这是通常建议使用AC耦合的另一个原因。）当输入为DC耦合时，必须禁用该失调补偿电路。这是通过向AD8310的OFLT引脚施加大约+1.9 VDC的标称电压来实现的。请注意，这不会调整对数放大器的失调电压，只是将其保持在固定水平，并防止了对数放大器的失调补偿电路将直流输入信号误解为失调。

因此，AD8138的微调可以补偿两个器件的失调。通过将电路的输入端接地并将AD8138的反相输入端上的增益电阻（在此示例中使用50Ω电位计）稍微改变，直至AD8310的输出端的电压达到最小值，即可进行修整。修整后，动态范围的下限受到AD8138输出端的宽带噪声限制，其峰峰值约为425μV。图7显示了该电路如何响应一系列幅度为1 mV，10 mV，100 mV和+1 VDC的100μs脉冲。该电路可以检测到窄至40 ns的脉冲。脉冲之前和之后输出信号上的过多噪声归因于信号发生器噪声。

 

 

 

图7.图6中的直流耦合对数放大器电路提供恒定的输出步长，以便在输入端进行恒定的比率变化。输出信号表示对幅度为1、10和100 mV，+ 1 VDC的100-μs输入脉冲的响应。