[科普中国]-对数放大器

对数放大器是指输出信号幅度与输入信号幅度呈对数函数关系的放大电路。主要将信号转换成其等效对数值涉及到一种非线性运算。

概述实际的对数放大器总是兼具线性和对数放大功能，输入信号弱时，它是一个线性放大器，增益较大；输入信号强时，它变成对数放大器，增益随输入信号的增加而减小。对数放大器在雷达设备中有特别重要的作用。它不仅可以保证雷达接收机有很宽的动态范围，而且可以限制接收机输出的杂波干扰电平，达到恒虚警的效果。对于单脉冲雷达（见跟踪雷达），还可归一化角误差信号；对于动目标显示雷达，还可抑制固定目标起伏。

分类在许多文献中，对数放大器的分类也是相当混乱的，根据实现对数函数依据的不同,有的将其分为二极管、三极管对数放大器和级联对数放大器，有的将其分为真对数放大器和似对数放大器等等。但几十年来，随着半导体理论、工艺和模拟集成电路的发展，许多对数放大器实现的方法已经被淘汰，其分类方法也未尽科学。目前根据市场上现有的对数放大器结构和应用领域的不同，可将对数放大器分为三类：基本对数放大器、基带对数放大器和解调对数放大器。

基本对数放大器也称跨导线性（Translinear）对数放大器，它基于双极性三极管（BJT）的对数特性来实现信号的对数变换。这类对数放大器可以响应缓慢变化的输入信号，其特点是具有优良的直流精度和非常宽的动态范围（高达180dB），缺点是交流特性差。

基带对数放大器也称视频对数放大器（虽然很少用于视频显示相关的应用），它克服了基本对数放大器的缺点，能够响应快速变化的输入。其原理是采用了一种 “逐级压缩”的技术，交流特性好，但动态范围较小。

解调对数放大器也称逐级检波对数放大器，它具有分段线性近似性质，形成对数级联后，可以得到很好的对数传递函数，在整个动态范围内对数精度高，同基带对数放大器相似，也采用多个级联线性放大器，动态范围大。

原理在雷达、通信和遥测等系统中，接收机输入信号的动态范围通常很宽，信号幅度常会在很短时间间隔内从几微伏变化到几伏，但输出信号应保持在几十毫伏到几伏范围内。采用对数放大器可以满足这种要求，它能使弱信号得到高增益放大，对于强信号则自动降低增益，避免饱和。 设计良好的对数放大器能达到D1超过100分贝而D2在30分贝以下。除动态范围外，对数放大器的主要指标还包括对数关系的准确度和频率响应。

对数中频放大器和对数射频放大器，可用相同的方法获得对数特性。

晶体二极管的PN结电压（见固态电子器件）是结电流的对数函数，用它作为放大电路的负载或反馈元件可以使放大器具有对数幅度特性。使用这种方法虽然电路简单，但通常只能达到小于50分贝的输入动态范围，而且放大器的频带受PN结电容的限制，不能太宽。利用多级放大器串联或并联相加形成近似对数放大特性，可以获得较好的结果。图2是多级串联相加对数放大器的框图，其中每级都是一个线性-限幅放大器。当输入信号弱时,放大器各级均不饱和，总增益最高。随着输入信号幅度的增大，从末级起各级放大器依次进入饱和状态，总增益随之降低。实用的对数放大器常用 4～10级限幅放大器组成。若规定放大器的动态范围，较多的级数能达到的对数关系也较准确1。

技术指标噪声

所有信号处理系统都受到随机噪声的限制，这便对最小信号设置了可被检测或识别的门限。随机噪声和信号输入端的带宽密切相关，随机噪声常用“噪声频谱密度（SND）”来定义，总的噪声功率与系统的噪声带宽BN（用Hz来表示）成正比。在线性系统中，输出噪声功率N与系统的带宽有关，这里的带宽通常是指3dB带宽，对于理想低通系统而言，3dB带宽就是系统的等效噪声带宽。而在非线性系统中例如对数放大器，情况就不同了，即使输入端很小的噪声都会引起放大器末级的过载现象。因此对数放大器的主要缺点是会降低大信号的信噪比。

动态范围

系统的动态范围的下端在能够保证测量精度的范围内受噪声的限制，而信号范围的上端受放大器非线性方面的影响。

动态范围

系统的动态范围的下端在能够保证测量精度的范围内受噪声的限制，而信号范围的上端受放大器非线性方面的影响。

对数一致性误差

在消除了参考电流误差和失调分量后，对数放大器输出端呈现的实际电压值与传输特性方程所算出的理想值的差值称为对数一致性误差。它与器件的动态范围、频率特性和温度密切相关2。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学