集成直流對數放大器

直流對數放大器的誤差源

現在的直流對數放大器仍然受到與早期產(chǎn)品一樣的限制。等式6是直流對數放大器的理想近似。為獲得盡可能精確的表達式，還必須考慮增益、偏置電流、失調和線(xiàn)性誤差等誤差項。特別是當溫度和時(shí)間漂移導致這些誤差更為嚴重時(shí)，尤其需要考慮這些方面。

以下等式可更全面的反映基于BJT的直流對數放大器特性：



其中，ΔK是增益變化；IBIAS1和IBIAS2分別是LOGIIN和REFIIN輸入偏置電流。VCONF是對數一致性誤差，VOSOUT是輸出失調。前面已經(jīng)定義了K、ILOG、IREF和VOUT。在許多應用中，偏置電流的誤差相對于輸入和基準電流非常小，通?？梢栽谡`差表達式中忽略。對數一致性誤差定義為實(shí)際輸出相對于等式6理想對數關(guān)系的最大偏移(假設其它所有誤差源已調零)。該誤差通常以差值的形式出現，因此可以很容易檢查出相對于理想曲線(xiàn)的微小偏移(圖5a)。


圖5a. 對數一致性誤差曲線(xiàn)通常表示為輸入電流和工作溫度的函數。

雖然其影響不會(huì )立即體現出來(lái)，但基準電流IREF是潛在的最大誤差源，它由初始誤差、溫度漂移和器件老化造成的漂移構成。在評估對數放大器的全部誤差預算時(shí)，應考慮這些誤差。

圖5b中的轉換曲線(xiàn)顯示了這些實(shí)際變化的影響(出于演示目的，對這些影響進(jìn)行了夸大)。黑色實(shí)線(xiàn)表示理想/期望的情況，其對數截距為100nA，增益為1V/10倍程。如藍色虛線(xiàn)所示，輸出失調誤差使黑色實(shí)線(xiàn)向上或者向下偏移。增益誤差使由失調產(chǎn)生的偏移轉換特性曲線(xiàn)發(fā)生偏轉，并由黑色虛線(xiàn)標出。藍色點(diǎn)線(xiàn)反映了非線(xiàn)性和輸出容限誤差的總體影響。


圖5b. 等式7給出的不同誤差對對數傳遞函數的影響。為清楚起見(jiàn)，夸大了各誤差。

實(shí)際上，對數放大器生產(chǎn)廠(chǎng)商已經(jīng)將本節中列出的多種誤差降到了最小。采用額外的校準和溫度監視手段，設計人員能夠進(jìn)一步降低這些誤差的影響。設計人員通常在對數放大器輸出數字化后，采用校準表來(lái)進(jìn)行校準。

直流對數放大器實(shí)現方案

直流對數放大器的性能與其所在電路有關(guān)。良好的設計和布板能夠最大程度降低輸入漏電流和元件的溫度特性所造成的影響。但是，僅有良好的設計和布板通常還不足以保證實(shí)現大多數對數放大器應用所需的性能，特別是在輸入電流和溫度變化較大的情況下。根據不同的應用要求和工作條件，應采用恰當的校準手段來(lái)減小累積誤差。

構建直流對數放大器時(shí)，以下一些建議可供參考。

單點(diǎn)校準
這種“最低性能”的技術(shù)能夠有效地上下移動(dòng)圖5b中的原始性能曲線(xiàn)(藍色點(diǎn)線(xiàn))，使其能夠與理想性能曲線(xiàn)(黑色實(shí)線(xiàn))單點(diǎn)相交。在典型工作溫度下，對數放大器的兩個(gè)輸入分別輸入標稱(chēng)輸入電流和基準電流，其輸出與理想輸出之間會(huì )有一個(gè)偏差。正常工作時(shí)，從對數放大器輸出中減去該偏差值。

優(yōu)點(diǎn)：校準過(guò)程迅速，可在最終產(chǎn)品測試階段進(jìn)行，并且無(wú)需大量計算。也可以采用一個(gè)微調電阻，進(jìn)行模擬校準。

缺點(diǎn)：增益和失調誤差校準統一籠統進(jìn)行。輸入和溫度條件不同于校準條件時(shí)，校準值失效。

兩點(diǎn)校準
比前面的校準技術(shù)稍微復雜一些，能夠產(chǎn)生更好的結果。它能夠有效地旋轉和上下移動(dòng)圖5b中的藍色點(diǎn)線(xiàn)，以逼近理想的黑色實(shí)線(xiàn)。同樣地，應選擇典型工作溫度。輸入電流應跨越所需的工作范圍。如果在校準和工作中都采用同一個(gè)基準電流，則能夠大大簡(jiǎn)化校準過(guò)程。

優(yōu)點(diǎn)：校準過(guò)程比較迅速，大大降低了增益和失調誤差。通過(guò)增益和失調計算，可進(jìn)行數字校準；也可以采用增益和失調微調電阻，進(jìn)行模擬校準。

缺點(diǎn)：輸入和溫度變化后，校準值失效。

多點(diǎn)校準
該技術(shù)由多個(gè)關(guān)鍵采樣點(diǎn)生成一個(gè)校準數據表。采樣是在恒定工作溫度下進(jìn)行的。通過(guò)在采樣點(diǎn)之間進(jìn)行插值運算，實(shí)現校準功能。

優(yōu)點(diǎn)：由于可以選擇充分多的重要輸入條件，因此，能夠大大降低增益、失調和非線(xiàn)性誤差。

缺點(diǎn)：需要某種形式的插值運算，這增加了計算量。輸入和溫度變化后，校準失效。

溫度調整校準
與多點(diǎn)校準類(lèi)似，該技術(shù)同時(shí)還考慮了測試溫度，額外增加了一個(gè)獨立變量。

優(yōu)點(diǎn)：該技術(shù)極大地降低了增益、失調、非線(xiàn)性誤差以及溫度變化對總誤差的影響。是高性能、小批量產(chǎn)品的不錯選擇。

缺點(diǎn)：由于跨越整個(gè)溫度范圍進(jìn)行校準，因此最終產(chǎn)品測試階段的校準時(shí)間大大延長(cháng)。采樣數據的多維插值運算需要占用更多的計算資源。還需要額外的溫度監視電路。

維持合適的輸入容限
對數放大器輸出不應靠近電源擺幅，這是因為靠近電源擺幅時(shí)，其源出和吸收電流的能力將受到限制。當試圖測量的電流接近或低于基準電流、或者接近最大輸入電流時(shí)，很容易忽視這一建議。選擇的基準電流應低于最低輸入電流。仔細設置增益，以保證在最大輸入電流時(shí)，輸出不會(huì )達到對數放大器最大輸出電壓。雙電源對數放大器也會(huì )有助于解決該問(wèn)題，因為在大多數設計中，相同的輸入和基準電流使放大器輸出處于中間值。

優(yōu)點(diǎn)：提高了極端輸入條件下的精度和響應時(shí)間。

缺點(diǎn)：可用輸出范圍略有降低。

元件選則
采用溫度系數較低的同一類(lèi)型外部電阻。這對于那些電阻值會(huì )影響性能的電阻(例如，基準電流產(chǎn)生電路)來(lái)說(shuō)，尤其重要。對于受電阻比例影響的參數，如增益和失調，溫度改變所產(chǎn)生的影響較小。補償元件的溫度穩定性一般不是很關(guān)鍵。為避免測量小電流時(shí)的泄漏問(wèn)題，應考慮采用低泄漏PCB材。

優(yōu)點(diǎn)：最大程度降低由外部元件造成的性能惡化。

缺點(diǎn)：低溫度系數元件一般稍微貴一些，但考慮到它們能夠顯著(zhù)提高性能，還是物有所值。

保持溫度環(huán)境一致
對數放大器電路的任何部分都不應該與電路的其它部分處在明顯不同的溫度下。這種防范措施可保證溫度變化對所有電路的影響盡量相同。

優(yōu)點(diǎn)：校準過(guò)程中消除了額外的獨立變量。

缺點(diǎn)：可能會(huì )對布局布線(xiàn)或者電路整體尺寸設計帶來(lái)不便。

結論

總之，直流對數放大器已經(jīng)發(fā)展為小型、易于使用的高性?xún)r(jià)比電路，非常適合某些模擬設計。對數功能可方便地壓縮寬動(dòng)態(tài)范圍信號，對傳遞函數為 準)指數的傳感器線(xiàn)性化。數字化寬動(dòng)態(tài)范圍信號需要高分辨率ADC，而對數函數的壓縮功能支持使用低分辨率ADC。直流對數放大器IC的電路實(shí)現比較直觀(guān)，只需很小的努力即可實(shí)現性能優(yōu)化。校準能夠提高對數放大器的性能，但并不是所有的應用都必須校準。