直流对数放大器的误差源

现在的直流对数放大器仍然受到与早期产品一样的限制。等式6是直流对数放大器的理想近似。为获得尽可能精确的表达式，还必须考虑增益、偏置电流、失调和线性误差等误差项。特别是当温度和时间漂移导致这些误差更为严重时，尤其需要考虑这些方面。

以下等式可更全面的反映基于BJT的直流对数放大器特性：



其中，ΔK是增益变化；IBIAS1和IBIAS2分别是LOGIIN和REFIIN输入偏置电流。VCONF是对数一致性误差，VOSOUT是输出失调。前面已经定义了K、ILOG、IREF和VOUT。在许多应用中，偏置电流的误差相对于输入和基准电流非常小，通常可以在误差表达式中忽略。对数一致性误差定义为实际输出相对于等式6理想对数关系的最大偏移(假设其它所有误差源已调零)。该误差通常以差值的形式出现，因此可以很容易检查出相对于理想曲线的微小偏移(图5a)。


图5a. 对数一致性误差曲线通常表示为输入电流和工作温度的函数。

虽然其影响不会立即体现出来，但基准电流IREF是潜在的最大误差源，它由初始误差、温度漂移和器件老化造成的漂移构成。在评估对数放大器的全部误差预算时，应考虑这些误差。

图5b中的转换曲线显示了这些实际变化的影响(出于演示目的，对这些影响进行了夸大)。黑色实线表示理想/期望的情况，其对数截距为100nA，增益为1V/10倍程。如蓝色虚线所示，输出失调误差使黑色实线向上或者向下偏移。增益误差使由失调产生的偏移转换特性曲线发生偏转，并由黑色虚线标出。蓝色点线反映了非线性和输出容限误差的总体影响。


图5b. 等式7给出的不同误差对对数传递函数的影响。为清楚起见，夸大了各误差。

实际上，对数放大器生产厂商已经将本节中列出的多种误差降到了最小。采用额外的校准和温度监视手段，设计人员能够进一步降低这些误差的影响。设计人员通常在对数放大器输出数字化后，采用校准表来进行校准。

 

直流对数放大器实现方案

直流对数放大器的性能与其所在电路有关。良好的设计和布板能够最大程度降低输入漏电流和元件的温度特性所造成的影响。但是，仅有良好的设计和布板通常还不足以保证实现大多数对数放大器应用所需的性能，特别是在输入电流和温度变化较大的情况下。根据不同的应用要求和工作条件，应采用恰当的校准手段来减小累积误差。

构建直流对数放大器时，以下一些建议可供参考。

单点校准
这种“最低性能”的技术能够有效地上下移动图5b中的原始性能曲线(蓝色点线)，使其能够与理想性能曲线(黑色实线)单点相交。在典型工作温度下，对数放大器的两个输入分别输入标称输入电流和基准电流，其输出与理想输出之间会有一个偏差。正常工作时，从对数放大器输出中减去该偏差值。

优点：校准过程迅速，可在最终产品测试阶段进行，并且无需大量计算。也可以采用一个微调电阻，进行模拟校准。

缺点：增益和失调误差校准统一笼统进行。输入和温度条件不同于校准条件时，校准值失效。

两点校准
比前面的校准技术稍微复杂一些，能够产生更好的结果。它能够有效地旋转和上下移动图5b中的蓝色点线，以逼近理想的黑色实线。同样地，应选择典型工作温度。输入电流应跨越所需的工作范围。如果在校准和工作中都采用同一个基准电流，则能够大大简化校准过程。

优点：校准过程比较迅速，大大降低了增益和失调误差。通过增益和失调计算，可进行数字校准；也可以采用增益和失调微调电阻，进行模拟校准。

缺点：输入和温度变化后，校准值失效。

多点校准
该技术由多个关键采样点生成一个校准数据表。采样是在恒定工作温度下进行的。通过在采样点之间进行插值运算，实现校准功能。

优点：由于可以选择充分多的重要输入条件，因此，能够大大降低增益、失调和非线性误差。

缺点：需要某种形式的插值运算，这增加了计算量。输入和温度变化后，校准失效。

温度调整校准
与多点校准类似，该技术同时还考虑了测试温度，额外增加了一个独立变量。

优点：该技术极大地降低了增益、失调、非线性误差以及温度变化对总误差的影响。是高性能、小批量产品的不错选择。

缺点：由于跨越整个温度范围进行校准，因此最终产品测试阶段的校准时间大大延长。采样数据的多维插值运算需要占用更多的计算资源。还需要额外的温度监视电路。

维持合适的输入容限
对数放大器输出不应靠近电源摆幅，这是因为靠近电源摆幅时，其源出和吸收电流的能力将受到限制。当试图测量的电流接近或低于基准电流、或者接近最大输入电流时，很容易忽视这一建议。选择的基准电流应低于最低输入电流。仔细设置增益，以保证在最大输入电流时，输出不会达到对数放大器最大输出电压。双电源对数放大器也会有助于解决该问题，因为在大多数设计中，相同的输入和基准电流使放大器输出处于中间值。

优点：提高了极端输入条件下的精度和响应时间。

缺点：可用输出范围略有降低。

元件选则
采用温度系数较低的同一类型外部电阻。这对于那些电阻值会影响性能的电阻(例如，基准电流产生电路)来说，尤其重要。对于受电阻比例影响的参数，如增益和失调，温度改变所产生的影响较小。补偿元件的温度稳定性一般不是很关键。为避免测量小电流时的泄漏问题，应考虑采用低泄漏PCB材。

优点：最大程度降低由外部元件造成的性能恶化。

缺点：低温度系数元件一般稍微贵一些，但考虑到它们能够显著提高性能，还是物有所值。

保持温度环境一致
对数放大器电路的任何部分都不应该与电路的其它部分处在明显不同的温度下。这种防范措施可保证温度变化对所有电路的影响尽量相同。

优点：校准过程中消除了额外的独立变量。

缺点：可能会对布局布线或者电路整体尺寸设计带来不便。

 

结论

总之，直流对数放大器已经发展为小型、易于使用的高性价比电路，非常适合某些模拟设计。对数功能可方便地压缩宽动态范围信号，对传递函数为 准)指数的传感器线性化。数字化宽动态范围信号需要高分辨率ADC，而对数函数的压缩功能支持使用低分辨率ADC。直流对数放大器IC的电路实现比较直观，只需很小的努力即可实现性能优化。校准能够提高对数放大器的性能，但并不是所有的应用都必须校准。
 

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