基于对数放大器进行RF脉冲检测的作用分析

单片对数放大器（对数放大器）可处理动态范围高达100 dB的信号。它们能够响应持续时间短至几十纳秒的RF突发。然而，当使用解调对数放大器来检测快速RF突发时，当施加的突发关闭时，有时会在输出端出现奇怪的尾部。在 Analog Dialogue 33-3（1999）中在线出现的日志放大器教程文章中可以看到这方面的一个例子，并在第33卷中打印出来。本文解释了这些尾部和优惠的常见原因。关于如何消除它们的建议。

了解解调对数放大器

关于对数放大器的第一件事是，虽然它们提供有关电源的信息，但它们实际上对电压有响应。在通信技术中，术语对数放大器通常是指输出与输入信号的包络的对数成比例的电压的设备，其被缩放到基数-10。功率比为100：1对应于20分贝（dB） - 或者给定阻抗的电压比为10：1。

对数放大器和输出尾部的另一个重要因素：对数放大器高在其工作范围的低端对振幅的非常小的变化敏感。图1显示了对数放大器输入和输出之间的典型关系。对于输入端的峰峰值电压每增加10倍，输出增加500 mV。这意味着，当输入处于单位数mV范围时，输入电压的微小变化将导致输出电压发生显着变化。

使用对数放大器进行RF脉冲检测

当RF脉冲串是解调对数放大器的输入时，输出将是电压脉冲。这可以馈入比较器以确定是否存在RF脉冲串，或者可以通过测量对数放大器输出电压的幅度来确定RF脉冲的幅度。

图2显示了奇怪的尾部的示例，有时会在快速准确的对数放大器输出电压脉冲结束时看到它们。这些不希望的尾部可能导致雷达和其他系统中的错误读数，其中检测到的脉冲的形状提供关于目标的重要信息。

图2a显示了静止的尾部。图2b显示了一个抖动的尾部，在理想的矩形脉冲的下降沿上下移动。请注意，有些情况下尾部不会发生，但会直接掉到底部而不会在响应中出现扭结。

图2.尾部在对数放大器的输出处响应RF突发。

了解尾部

这两种情况下的尾部是由不同的机制引起的。图2a中的静止尾部是由施加到对数放大器输入端的RF脉冲质量差造成的。虽然在示波器的适度电压和时间尺度上并不明显，但RF突发不会立即关闭，而是以指数方式衰减。图3显示了输入信号和对数放大器响应的夸张图片。请记住，对数放大器对动态范围低端电压的微小变化非常敏感。因此，RF突发的小的，几乎察觉不到的指数衰减导致线性尾部。指数衰减是可预测和可重复的;这是由于信号发生器的门控机制。这解释了对数放大器输出的静止尾部。这种形式的尾部的唯一解决方案是获得一个信号发生器，它将更快地关闭到零。

本文的其余部分将假设使用了高质量的RF突发发生器 - 并且尾部是抖动的而不是静止的。

输入耦合

图2b中所示的抖动类型通常是与解调对数放大器连接不正确的结果。大多数对数放大器设计为差分驱动，但大多数RF信号是单端的。有几种选择可以执行将RF信号注入对数放大器所需的单端到差分转换，如图4所示.INHI和INLO是对数放大器的差分输入引脚。

< p>图4a显示了巴伦（平衡 - 不平衡 - 变压器）接口。这是最好的方法，因为它在对数放大器的输入端产生高质量，真正的差分信号。如果考虑到设计限制，使用平衡 - 不平衡转换器将消除尾部，只要尺寸和增加的成本是可接受的。

两种流行的替代方案涉及RC网络。它们占用的电路板面积小于平衡 - 不平衡转换器，成本更低，但它们需要小心避免尾部。外部分流电阻放置在电容器的器件侧（图4b）或输入侧（图4c），以在器件上提供受控阻抗 - 通常为50欧姆。

理想信号

首先考虑图4b中的电路（稍后我们将返回图4c的某种类似电路）。该电路不会将单端输入信号转换为差分信号。相反，允许RF信号的交流分量通过INHI，而INLO则看到信号的低通滤波版本。理想情况下，INLO的信号与INHI的信号具有相同的直流平均值。 INHI和INLO通常由相同的内部产生的参考电压偏置，如图5所示。

不完整的信号

图5中所示的信号是理想化的。真正的低通滤波器将衰减从INHI到INLO的信号，但不能完全消除它，并且INLO上会有残留的输入信号迹线。图6显示了INHI和INLO信号的夸张图片。可以看出，INLO的实际信号是INHI的高衰减版本，具有90度相位滞后。

查看输入端口，输入信号看到高通过滤到INHI。这意味着在RC 1 形成的转角频率之上发生的任何变化都会无衰减地传递给INHI。因此，当RF突发从关闭状态突然接通时，INHI处的电压将跟踪输入。当RF突发关闭时也是如此：INHI的电压将立即关闭。

另一方面，INLO是INHI的低通滤波版本;结果，它将是INHI电压的衰减版本，相移90度。当RF突发关闭时，INHI的电压将立即稳定 - 但INLO的电压不会。它将经历单个时间常数衰减，其时间常数由RC 2 定义。这在图6的放大部分中进行了说明（请注意，INLO信号的比例被夸大了效果）。

尾部的来源

尾部是INLO信号指数衰减的结果。虽然INLO呈指数衰减，但INHI已关闭。对数放大器在INHI和INLO之间看到的小差分输入足以产生大量输出电压。 （请记住，对数放大器对小输入幅度变化非常敏感。）

尾部是输入的指数信号行为的结果的进一步证据由尾部的线性特性给出。当产生指数衰减电压的对数时，结果是具有负斜率的直线。当脉冲速率和RF频率不是彼此的整数倍时，输出中发生抖动。因此，RF信号并不​​总是在其周期的同一位置被切断。 RF关闭期间的点将建立指数衰减的初始条件。当RF完全与穿过零轴时关闭时，INLO将处于峰值，尾部将从其最高点开始。如果RF在峰值处关闭，那么INLO将为零并且根本不会有尾部。在这两个极端之间随机切换将导致尾部看到的抖动。

切断尾部

通过确保RC时间可以解决上述尾部问题由R，C 1 形成的常数和C 2 被适当地设定。临界时间常数是在R和C 2 之间形成的低通时间常数。出于匹配目的，R的值通常选择为约50欧姆。为方便起见，C 1 和C 2 通常选择相同，但并非总是如此。

C 2 必须选择足够小以使指数衰减快于对数放大器的响应时间，通常指定为对数放大器输出的10％至90％上升时间，以使输入功率逐步增加。该数字确定输出电压的最大变化率。只要INLO的指数衰减快于最大变化率，输出就会受到对数放大器自身压摆率的限制，尾部也不会出现。该分析表明C 2 尽可能为 small 。

但是如果使C 2 尽可能小，并且使C 1 相等，则由R和C形成的高通滤波器的转角频率< sub> 1 将被推得太远，以至于当它从输入传输到INHI时它可能会衰减所需的RF信号。为了确保INHI不会从输入到INHI衰减，必须选择C 1 ，以便R和C 1 的乘积形成一个低于射频频率。这表明C 1 应该大。

在这些范围内，C 1 和C 2 < / sub>可以相等，或者它们可以选择不同以获得最佳结果。

50欧姆电阻应该在信号侧还是在设备侧？

到目前为止的分析集中于图4b。图4c中的电路类似，只是输入电阻位于电容的输入侧。请记住，对数放大器的输入阻抗通常远高于终端电阻的50欧姆。如果将50欧姆电阻放置在电容器C 1 和C 2 的器件侧，如图4b所示，INHI和INLO之间的净阻抗约为50欧姆。但如果终端电阻位于C 1 和C 2 的输入侧（图4c），则INHI和INLO之间的阻抗是器件的输入阻抗。

在信号侧设置终端电阻的问题是，器件的较高内阻需要更小的C 2 值，以确保消除尾部。此外，如果输入电阻不可预测，随半导体制造工艺而变化，C 1 和C 2 的选择可能无法始终确保无尾操作。

因此，首选将终端电阻放置在电容器的器件侧。

结果

图7显示了选择合适电容值的结果。图2b中所示的输出采用10 nF输入电容，而图7中的输出采用1 nF电容采集。电容减少10倍使输出质量大幅提升！

结论

解码对数放大器的性能不必因尾部的存在而受到阻碍。它们是由于信号源质量差或者输入接口中组件值选择不当造成的。第一种形式的尾部最有效的解决方案是获得更好的爆发源。可以使用适当的接口电路来处理第二类尾部。技术包括使用平衡 - 不平衡转换器和无源RC电路，如此处所述。设计人员也可以使用有源解决方案，例如单端至差分放大器（但这里没有涉及）。无论选择何种方法，重要的是要记住这里讨论的问题。