视频对数放大器动态范围的提高.pdf

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1、检测与仪表化工自动化及仪表，2010，37(5)：64～67ContmlandInstrumentsinChemicalIndustry视频对数放大器动态范围的提高俞红珊，刘宇刚，祝敏(贵州师范大学机电工程学院，贵阳550059)摘要：视频对数放大器是一种采用限幅放大器串联级联或并联求和结构逐级检波构成的交流对数放大器，对交流高频信号具有很强的压缩能力，但其动态范围一般不超过100dB。利用串联级联和并联求和两种结构的对数放大器的优化组合及改进设计可设计出更大动态范围、宽频带、响应速度快及高精度的对敷放大器。本文采用

2、三个单片串联级联对数放大器组成并联求和结构大动态范围对数放大器，其动态范围高达140clB，是单片级联对数放大器的2．5倍。关键词：限幅放大器；动态范围；串联级联；并联求和结构；串联级联对数放大器并联求和结构中图分类号：TN722文献标识码：A文章编号：1000-3932(2010)05-0064-041引言交流对数放大器是采用限幅放大器串联级联或并联求和结构组成的电路，该电路分段线性逼近对数函数，使输入、输出呈近似对数关系，称为似对数放大器⋯，这种电路存在串、并级数和每级增益与动态范围、频带宽度、转换误差之间相矛盾

3、的关系。对于串联级联对数放大器，串联级数越多、每级增益越大，动态范围就越大，但串联级数越多，频带越窄、电路越不稳定；每级增益越大，电路的转换精度越低、转换误差越大。采用并联求和结构口o，可以避免串联级数过多带来电路不稳定和频带过窄的缺点，但同样存在限幅增益越大，转换误差也越大的情况；且虽并联级数越多，动态范围越大，但处理小信号的前置放大器的增益也会特别大，过大的增益势必造成放大器电路结构非常复杂，甚至无法实现。所以，无论串联级联还是并联求和结构，级数和增益都不能无限做大，因此其动态范围受到限制，一般不超过100dB。

4、为了实现电路输入的大动态范围，又能避免上述缺点，结合以上两种电路的特点，提出了串联级联对数放大器的并联求和结构，再加上相应的检波电路一’，便可做成大动态范围视频对数放大器⋯。2电路设计大动态范围对数放大器电路结构框图如图1所示。图l中，大动态范围对数放大器由三个前置放大器、三个单片串联级联对数放大器、并联求和电路以及输出电路组成。其中第一片级联对数放大器由两个限幅放大器串联级联而成，第二片和第三片级联对数放大器均由五个限幅放大器串联级联，为实现对数动态范围一1的连续性，三通道前置放大器的放大倍数分别置为A～、Ao和A

5、5。下面将对图1中各个部分进行设计及推导。通道1叫辫}叫串联级联卜．1对数放人器l并输计_1吊}_叫串联级联卜联_——出算I肘数放人器l求电机处和路理水繁斟l第一片l-q串联级联卜l对数放大器l输入部分；对数放大器的并联求和结构；输出部分图1大动态范围对数放大器电路结构框图2．1单片级联对数放大器2．1．1第二、三片单片级联对数放大器由前可知，串联级联对数放大器由于考虑到动态范围、转换精度、转换误差及电路带宽和稳定性等系列指标，为了达到一定的动态范围，单片串联级联对数放大器№1中限幅放大器增益不能太小，但也不能过大，

6、这里选择放大倍数为12dB(A=4)；对数放大器的级数n=5级，限幅放大器限幅值U。．=2．2V，这样设计出的单片串联级联对数放大器的动态范围接近于60dB，所设计的第二、三片串联级联对数放大器电路结构如图2所示。图2中，G．，G2，⋯，G，为各支路增益，“．为限幅器限幅电压，对于小信号有：GI=A，G2=A2，q=A3，G．=A‘，G=A’收稿日期：2010-01-29(修改稿)第5期俞红珊等．视频对数放大器动态范围的提高·65·设限幅放大器在第七级限幅，经推导：匕=∑^‘％+(n一七+1)V。=(AI+A2”·“

7、-I)≥+(n-logA瓦UL+1)UL(I)式(I)中，因为A>1，近似认为A1+A2+⋯+Ahl*A扣1，因而式(1)可化简为：k*导+(n-l094瓦UL+1)UL=(n+A_+广I+log．浇)叽(2)图2串联级联逐次逼近型对数放大器单片串联级联对数放大器Matlab仿真效果图如图3所示。图3单片串联级联对数放大器仿真结果图图3中，实线是根据式(I)所作的输入输出特性曲线，为串联级联对数放大器的实际传输特性，虚线根据式(2)所作，为对数放大器理想对数特性。由图可见，实际传输特性与理想对数特性曲线在曲线中间近6

8、0dB范围内基本吻合，且在实际曲线转折点两条对数曲线值基本相等，而在非转折点，实际曲线比理想曲线稍低，也就是说在这些非转折点，用实际曲线去代替理想对数曲线，存在一定的差异，这个差异就是对数放大器的误差，误差公式如式(3)所示：矿。=(n+竿“＆鲁)巩-【∑A‘k+(n一蠡+I)U。】(3)下面对式(3)进一步说明：当％<万vL时，所有限幅器均不