张宇平，陈 镭，刘红兵

(1.中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051；2.成都天箭科技有限公司,成都 610041)

真对数放大器在接收前端中的应用

张宇平1，陈 镭2，刘红兵1

(1.中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051；2.成都天箭科技有限公司,成都 610041)

分析了真对数放大器(TLA)的基本原理，对真对数放大器传输函数进行了数学推导，给出了一个70 dB动态范围真对数放大器应用实例，从其噪声特性与灵敏度基线关系入手，分析了在增益不高的接收前端应用中真对数放大器对系统噪声的影响，指出了需要注意的问题。

真对数放大器；噪声；动态范围；带宽

0 引 言

对数放大器是一种常用的扩展接收机动态范围的器件。对一个线性接收机(由线性放大器组成的接收机)而言，其动态达到60 dB以上就比较困难；但对一个对数接收机(由线性放大器和对数放大器组成的接收机)而言，其动态达到80 dB甚至90 dB已成为现实。对数放大器放大增益随输入信号呈对数曲线变化，它克服了限幅放大器在大信号输入时对波形影响较大的缺陷，且在使用时无需设计另外的控制电路，这就使得对数放大器在通信、雷达以及各种放大和电子测量设备中得到了广泛的应用。

在一些特殊应用场合，像动态目标显示雷达接收机中，雷达接收机需要处理的回波信号起伏大，即输入信号动态范围宽，因此，为了有效地防止由干扰电压引起的过载，将宽输入动态范围压缩成窄的输出动态范围，并保留输入信号的幅度、频率、相位信息，常采用瞬时自动增益控制(IAGC)和对数放大器。以上2种抗过载电路中，对数放大器具有独特的优越性，其中中频输入、中频输出幅度呈对数特性，中频输出信号的频率和相位是输入信号的精确再现。采用对数放大器的接收机，对各种干扰都有较强的抑制作用，而且在强干扰之后，接收机灵敏度可以立即恢复而电路没有惯性，具有较快的动态响应[1]。

对数放大器分为真对数放大器(双增益对数放大器)和连续检波对数放大器。连续检波对数放大器只保留了幅度信息，而损失了相位信息，真对数放大器则很好地保留了信号的相位信息和幅度信息，对于输出为中频信号的接收前端应用比较适合。但是真对数放大器的噪声系数对接收前端的影响报道不多，如何根据系统实际需要选取合适的真对数放大器还是很有必要的，本文的出发点便在于此。

1 真对数放大器的工作原理

真对数放大器的原理框图见图1。每一级包括2个放大器，其中放大器A为通常放大器，在输入小信号时，增益为K，它的增益量很大；而在输入信号增大到一定程度时，放大器就会饱和。放大器B是增益为1的放大器，它的作用是把前一级放大器的输出电压无变化地传送到末级的负载上去。

图1 真对数放大器的原理框图

对于每一级放大器而言，它的放大特性为：

(1)

当输入信号ui由小增大时，开始放大器各级都不限幅，输出uo=(k+1)nui，放大倍数最大；随着ui增大，首先第n级放大器开始限幅，此时的输出uo1=uL/k+uL，输入为ui1=(uL/k+uL)/(k+1)n。随后(n-1)级限幅，依次类推，当第k级开始限幅时，对应uik、uok分别为:

(2)

由式(2)可得出真对数放大器的输出表达式为:

(3)

可见这类放大器是服从对数率的，即输入按几何率增大，输出按代数率增大[1]。图2所示为真对数放大器特性曲线。

图2 真对数放大器特性曲线

2 对数放大器噪声与基线灵敏度关系

表1列出了对数放大器输入端的电压噪声谱密度所对应的噪声系数(NF)，这里假设采用了50Ω的信号源，而且对数放大器输入端上的净电阻负载为50Ω。

表1 对数放大器的电压噪声谱密度(VNSD)与噪声系数关系

这个“测量本底“是一个比NF更为有用的量度，因为它表明，在这个数值以下的信号功率测量将是不精确的。假设噪声波形为高斯型，那么，对于一个接近-73.46 dBm测量本底限的实际单音调正弦波输入而言，所给出的指示功率将非常接近同一个量值。

下面将结合实际电路来验证对数放大器的噪声与灵敏度基线关系。

3 真对数放大器应用实例

设计一个接收前端，要求输出中频幅度100 mV～2 V，动态范围≥55 dB，噪声系数≤4 dB。其包含限幅器、开关、时间灵敏度控制(STC)衰减器、低噪放、开关组、移相器、混频器、中频放大器、真对数放大器等。产品输出分为2路：一路输出为一般中频放大器；另一路输出为真对数放大器，原理框图如图3所示。接收前端的输入电平范围为-80 ～-25 dBm。增益设计80 dB。输入端有STC衰减器[2]，在大信号时衰减，保证前端低噪放不饱和。

图3 含有真对数放大器的接收前端原理框图

针对本接收前端的特点，一般AGC模式输出的电平恒定，无法实现输出电平有一定的动态范围要求，且输出要求为中频信号，这就需要设计一个动态范围≥70 dB的真对数放大器来保证整个接收前端的输入动态范围和输出动态范围。

对于噪声系数指标，根据n级放大器级联的噪声系数公式(4)所示，如果第1级放大器增益足够大，后级放大器的噪声影响几乎可以忽略，但如果前级放大器的增益不够高，后级噪声系数影响将迅速增大。 设计时，分配限幅开关插损-1.2 dB，STC开关-1～-2 dB，低噪放噪声系数1.2 dB，增益30 dB，整个前端估算噪声系数4 dB，则：

(4)

式中：Gn为第n级增益，用比率表示；Fn为第n级噪声系数，用比率表示。

3.1 真对数放大器设计

真对数放大器参数：对数精度≤±0.5 dB；动态范围≥70 dB(-70 dB～0 dB)；中心频率60 MHz；带宽7 MHz。

设计采用6级真对数放大器SL531和1级SL560普通放大器，每级SL531放大器分配8 dB增益，总增益60 dB，保证动态范围70 dB[3]。 6级真对数放大器电路原理图如图4所示。该电路简单、成熟、稳定，可以方便调整每级放大器增益，已在不少设计中广泛采用。

图4 6级真对数放大器

3.2 测试结果

实际测试6级真对数放大器的输出噪声系数为23.596 dB(60 MHz)。噪声测试结果如表2所示，输入和输出关系见图5。可以看出，在输入-70～-20 dBm的线性度保持很好，输入10 dB输出电平差别在0.3 V左右，对数精度基本在±0.5 dB内，在2端趋于平缓，对数精度较差，详见图6[4]。在限定动态范围的前提下，采取的级数越多，单级增益越低，对数精度也就越高。如果采用5级，每级放大器的增益就要12 dB，对数精度就要差很多。

表2 真对数放大器噪声测试结果

图5 输入功率-输出电压关系图

接收前端测试结果如下：中频放大器一路的噪声系数5.3 dB。真对数放大器一路输入和输出电平对应关系如表3所示。

表3 接收前端输入和输出电平对应关系

图6 接收前端输入输出对应关系及对数精度结果

3.3 结论分析

为了验证对数放大器的噪声系数与其工作带宽和测量本底功率电平关系，实际测试对数放大器实例的噪声系数，结果是吻合的。虽然真对数放大器能够满足接收前端的动态范围和输出幅度，但单测接收前端的中频那一路噪声系数时发现比要求大了不少。

经分析原因如下：对于该接收前端而言，最小输入信号-80 dBm，增益80 dB左右，总增益并不高，为了保证真对数放大器的输入动态范围，也要求输入前级增益不能太高(实际净增益为20 dB)，否则对数放大器的上限会平缓，对数精度误差变大。真对数放大器的噪声系数相比一般中频放大器噪声系数还是比较大的，不可忽视。分配噪声指标时就要考虑对数放大器的噪声系数影响了，这是设计的难点所在。当真对数放大器的噪声按5 dB和24 dB分别考虑时，根据级联噪声公式(4)，整个接收前端的总噪声系数差别就会很大，差别有2 dB左右，原因就是前面放大器增益不够高所致。所以在前面没有足够的增益来压制对数放大器对总噪声系数影响时，就要选取灵敏度更高或动态范围更大的对数放大器来保证。

将前级放大器增益提高3 dB，接收前端噪声系数由5.3 dB变为2 dB，改进非常明显。相应改变真对数放大器的总增益，使真对数放大器对数精度满足要求。另外降低STC衰减器的输入损耗，也减小了整个前端的噪声系数，最终噪声系数满足整个接收前端要求。

4 结束语

本文通过设计实例及噪声分析，给出了采用对数放大器体制的接收机分配噪声指标需要注意的问题，即选用真对数放大器仅仅选择其动态范围满足要求是不够的，其噪声系数也是必须要考虑的问题。该前端的设计经验对于采用对数放大器的接收机应用具有一定的指导作用。

[1] 戈稳.雷达接收机技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2] 闻鑫.舰载雷达接收机的抗过载[J].舰船电子对抗，2008,31(5)：89-91.

[3] 唐丽均，周熙，易文翠.一种高频真对数放大器的设计[J].重庆邮电学院学报(自然版)，2006,18(6)：683- 685.

[4] 彭卫东，左继章.真对数放大器在短波扩频通信中的应用[J].微电子学，2003,33(3)：266-268.

Application of True Logarithm Amplifier to Receiver Front-end

ZHANG Yu-ping1,CHEN Lei2，LIU Hong-bing1

(1.The 13th Research Institute，CETC，Shijiazhuang 050051，China；2.Chengdu Tianjian Technology Co.Ltd,Chengdu 610041,China)

This paper analyzes the basic principle of true logarithm amplifier (TLA),performs the mathematic deduction to transmission function of TLA,gives an application example of TLA with 70 dB dynamic range,starting from the relationship between the noise characteristic and sensitivity baseline,analyzes the influence of TLA on system noise in the application of receiver front-end with lower gain,points out the problems need to be noticed.

true logarithm amplifier;noise;dynamic range;bandwidth

2016-04-15

TN722.58

A

CN32-1413(2016)06-0108-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.06.023