Логарифмические усилители ЛУ (Logarithmic Amplifier)

Логарифмические усилители ЛУ


Логарифмические усилители ЛУ (Logarithmic Amplifier) формируют выходной сигнал, значение которого пропорционально логарифму входного напряжения по отношению к некоторой задаваемой величине опорного напряжения Ux.


Эти компоненты применяются в радарах, оптоволоконных системах, в измерительных приборах, системах регулировки выходной мощности передающих устройств, для демодуляции сигналов, при создании индикаторов напряженности поля. Так как основной целью ЛУ является не собственно усиление РЧ сигнала, а представление сигнала с большим динамическим диапазоном в более сжатом логарифмическом масштабе, такие усилители зачастую называют логарифмическими преобразователями.

 

 

Рисунок 1. Передаточная характеристика идеального ЛУ (пунктирная линия) и основные параметры и характеристики ЛУ


Основными параметрами, характеризующими логарифмический усилитель, являются крутизна характеристики ЛУ (Slope) и точка перехвата (Intercept). Эти два параметра определяют вид передаточной функции усилителя (рисунок 1), которая определяет соотношение уровней входного и выходного сигналов:

Uвых = Uy log (Uвх/Ux).

· где Uвых – выходное напряжение;

· Uy крутизна характеристики;

Обычно основание логарифма для ЛУ выбирается равным 10, что удобно для использования в технике связи, и тогда Uy берется в вольтах на декаду (мВ/дБ).

· Uвх – входное напряжение;

· Ux, дБм – точка перехвата или напряжение пересечения (напряжение Uвх, при котором Uвых равно нулю).

Из уравнения следует, что для построения ЛУ необходимо схемотехнически реализовать усилитель с изменяющимся коэффициентом усиления – приращение усиления в нем должно быть обратно пропорционально приращению величины входного напряжения.

Идеальный ЛУ должен обладать бесконечно большим коэффициентом усиления для сигналов с малым уровнем и малым усилением сигналов большого уровня. Это приводит к тому, что тепловые шумы ЛУ даже очень малого уровня будут значительно усилены, из-за чего в области малых сигналов реальная характеристика будет отличаться от идеальной.

Другими характерными параметрами ЛУ являются:

· Диапазон рабочих частот;

· Крутизна логарифмической характеристики или коэффициент наклона характеристики в логарифмической шкале (Log Slope), мВ/дБ — наклон прямой линии наилучшего приближения (fit straight line) или наклон определенной наклонной прямой линии, которая проходит через фактические значения выходного напряжения по всему логарифмическому динамическому диапазону.

· Точка перехвата, ТП (Intercept), мВ – в некоторых моделях ЛУ может подстраиваться или изменяться программно.

· Логарифмическая ошибка (Logarithmic error), дБ — отклонение логарифмической передаточной функции от ее линейной аппроксимации.

· Импульсный отклик (Pulse response) — характеризуется временами нарастания, спада, установления и восстановления (rise, fall, settling, recovery) детектируемого сигнала и определяется полосой пропускания видеотракта (video bandwidth) ЛУ.

· Неравномерность (нелинейность) частотной характеристики (Frequency flatness), дБ; — изменение напряжения на видео (или РЧ) выходе в диапазоне частот при постоянной температуре и постоянной РЧ мощности на входе.

· Тангенциальная чувствительность к сигналу TSS (Tangential signal sensitivity) — минимальный детектируемый уровень мощности импульса.

· Динамический диапазон логарифмирования, дБ (Logging dynamic range) — наиболее широкий диапазон изменения сигнала, удовлетворяющий требованиям по допустимой величине логарифмической ошибки.

· Динамический диапазон (Dynamic range), дБопределяется от точки TSS до верхней границы логарифмического динамического диапазона.

Все логарифмические усилители могут быть классифицированы в две основных группы в соответствии с тем, производят ли они демодуляцию (детектирование) РЧ сигнала:

· Истинные (настоящие) лог усилители (True logarithmic amplifier);

· Детектирующие или демодулирующие лог усилители (Demodulating logarithmic amplifier).


Еще инфо:  Усилители с распределенным усилением УРУ (Distributed Amplifier)

Детектирующие логарифмические усилители DLA


Если на выходе устройства необходимо получить огибающую входного РЧ сигнала, используются детектирующие (демодулирующие) логарифмические усилители (Demodulating Logarithmic Amplifier). Фазовая информация сигнала при этом не сохраняется из-за процессов детектирования и задержек по фазе. Существуют два вида детектирующих логарифмических усилителей:

· Детектирующие логарифмические видеоусилители DLVA (Detector logarithmic video amplifier, Detector Log Video Amplifier);

· Логарифмические усилители последовательного детектирования SDLA (Successive detection logarithmic amplifier).


В детектирующих логарифмических видеоусилителях DLVA РЧ сигнал детектируется диодным детектором, преобразуется в низкочастотный видеосигнал, который затем усиливается с логарифмическим масштабированием (logarithmically).


Динамический диапазон DLVA зависит от типа диода используемого детектора: от -45 до +15 дБм при использовании детекторов на диодах Шоттки, и от -40 до+5 дБм для детекторов туннельного диода.


Так как одноканальный DLVA обеспечивает работу в ограниченном динамическом диапазоне сигналов по входу, для построения детектирующих ЛУ с расширенным динамическим диапазоном ERDLVA (Extended Range Detector Logarithmic Video Amplifier) может использоваться технология параллельного детектирования. Для этого осуществляется параллельное включение необходимого числа однокаскадных детектирующих ЛУ, которые работают в различных интервалах входного РЧ сигнала.

 

 

Рисунок 2. Структуры ЛУ с расширенным динамическим диапазоном ERDLVA с двумя и тремя детекторами


На рисунке 2 показано, как это реализовано схемотехнически. В цепи детектора VD1 происходит предварительное РЧ усиление, чтобы поднять уровень сигнала выше уровня чувствительности детектора. Логарифмический видеоусилитель ЛВУ (log video amplifier, LVA) после VD1 реализуется таким образом, чтобы ограничение в нем наступало раньше, чем детектор войдет в режим компрессии (сжатия). Это позволяет достигать динамического диапазона приблизительно 30–35 дБ. Поскольку два логарифмических видеоканала суммируются, полный динамический диапазон может составлять 60–70 дБ, а при использовании трех детекторов полный динамический диапазон DLVA достигать 90 дБ и более.


Еще инфо:  Книги для оформления курсового проекта

Подлинные лог усилители TLA


Истинный логарифмический усилитель TLA (True Log Amplifier) формирует выходной сигнал, который фактически представляет собой РЧ сигнал со сжатым (компрессированным) по логарифмической шкале динамическим диапазоном.


Как и во всем классе ЛУ, напряжение выходного сигнала пропорционально мощности входного сигнала в дБ. Так как логарифм сигнала получается без его детектирования или демодуляции, на выходе TLA сохраняется и амплитудная и фазовая информация, необходимая для последующей обработки сигналов. Эти усилители используют в эхолотах, системах опознавания «свой-чужой» IFF (Identify Friend or Foe), навигационных системах, в радарных системах идентификации движущихся целей MTI (Moving Target Identification).


Радиочастотные логарифмические усилители и детекторы мощности должны обладать очень широким динамическим диапазоном, которого невозможно достичь при использовании в ЛУ стандартной схемотехники. В силу этого в современных ЛУ используется принцип кусочно-линейной аппроксимации проходной (амплитудной) характеристики ЛУ, в схемотехнической реализация которой используется многокаскадная структура устройства. При этом каждый из последовательно или параллельно включаемых каскадов определяет поведение схемы в определенном диапазоне изменения уровня входного сигнала. Такая структура ЛУ позволяет получить значительный суммарный диапазон обработки изменяющегося уровня входного сигнала усилителя.

Наиболее часто применяемая схемотехническая реализация таких ЛУ представляет собой структуру из цепочки нелинейных усиливающих ячеек, включенных последовательно (рисунок 3). В простом случае в качестве усиливающей ячейки может быть использована так называемая ячейка A/1 (A/1-gain cell), для обозначения которой часто используется термин «усилитель с двойным коэффициентом усиления» (dual gain stage amplifier). Усиление каждого из таких каскадов равно А в определенном диапазоне изменения входного сигнала, меньшего порогового уровня (knee voltage) Ек. При достижении Ек коэффициент усиления становится равным единице (рисунок 3в.) Таким образом, амплитудная характеристика ЛУ состоит из ряда линейных отрезков.

 

Еще инфо:  Усилители с неоднородно распределенными элементами (NDPA)

 

Рисунок 3. Варианты усиливающих ячеек А/1 (а, б), амплитудная характеристика ячейки (в) и структура последовательного логарифмического усилителя с линейным ограничением (г)



Цепи бейсбенд трактов и демодулирующие логарифмические усилители могут быть выполнены с использованием другого типа усилительного каскада, называемого усиливающая ячейка A/0 (рисунок 4а). Ее основное отличие от ячейки A/1 состоит в том, что при превышении сигналом порогового уровня Ек, усиление ячейки падает до нуля дБ, как показано на рисунке 4б. Это свойство также известно как функция ограничения усилителя (limiter function). Цепочка из N таких ячеек часто используются для создания жестко ограниченного выходного сигнала, например, в системах восстановления сигнала с постоянной огибающей в режимах ЧМ и ФМ. Принцип реализации функции ограничения в ЛУ поясняет рисунок 4в.

 

 

Рисунок 4. Логарифмический уилитель последовательного детектирования SDLA на основе усилительной ячейки А/0 с логарифмическим (Log) выходом и выходом с ограничением сигнала (Limiter)


Логарифмические усилители последовательного детектирования SDLA (successive detection logarithmic amplifier) состоят из каскадированных ограничительных ячеек, как описано выше, но вместо непосредственного суммирования, их выходы подключены к детекторам. Выходные сигналы детекторов суммируются для получения видеосигнала с амплитудой, пропорциональной логарифму амплитуды входного сигнала. Если детекторы имеют токовые выходы, процесс суммирования может заключаться в простом соединении вместе всех выходов детекторов.

У логарифмических усилителей, использующих эту архитектуру, есть два выхода: логарифмический выход видео (log output) и выход с ограничением РЧ (limiting output). Во многих приложениях выход с ограничением не используется, но иногда, например, в приемниках ЧМ сигналов с измерителями уровня сигнала (S сигнал), необходимы оба. Выход с ограничением особенно полезен при извлечении фазовой информации из входного сигнала, например, в технологии полярной демодуляции (polar demodulation).

 

Вопрос: достоинства и недостатки различных вариантов корпусирования РЧ компонентов