Logarithmischer Verstärker AD 8307
Der AD 8307 von Analog Devices ist ein preiswerter logarithmischer Verstärker im 50-8-Gehause. Er ist fur eine obere Grenzfrequenz von 500 MHz ausgelegt und arbeitet each dem Prinzip der sogenannten progressiven Kompression. Der damit erzielte Dynamikbereich liegt bei 92 dB.
Der IC ist sehr stabil und einfach einzusetzen, zumal kaum externe Komponenten benotigt werden. Zum Betrieb wird eine einzelne Spannung zwischen 2,7 und 5,5 V bei 7,5 mA Strombedarf beniötigt. Über einen CMOS-kompatiblen Steuereingang kann der AD 8307 in den Standby-Zustand mit einem Stromverbrauch unter 150 µA geschaltet werden.
Steckbrief
Jede der integrierten Verstärker/BegrenzerZellen hat eine Verstarkung von 14,3 dB bei 900 MHz -3-dB-Bandbreite. Der Eingang ist vollstandig differentiell ausgeführt und hat eine Impedanz von 1,1 kOhm parallel zu 1,4 pF. Der AD 8307 hat einen Dynamikbereich von ca. -75 dBm (56 µV) bis +17 dBm (2,2 V). Ein einfaches Anpassnetzwerk am Eingang kann die Empfmdlichkeit auf -88 dBm erhohen. Die logarithmische Linearität betragt typisch ±0,3 dB bis zu 100 MHz und verschlechtert sich nur geringfügig bei 500 MHz. Eine untere Frequenzgrenze gibt es nicht, sodass der AD 8307 auch im NF-Bereich verwendet werden kann.
Das Ausgangssignal ist mit 25 mV/dB skaliert, was durch einen Strom von nominell 2 µA/dB durch einen internen 12,5- kOhm-Widerstand erreicht wird. Diese Spannung schwankt zwischen 0,25 V bei einem Eingangssignal von -74 dBm und 2,5 V bei 16 dBm. Bei 2,7 V Betriebsspannung kann die Skalierung such geringer gewahlt werden, z. B. mit 15 mV/dB, um den vollen Dynamikbereich nutzen zu können.
Der logarithmische Verstarker ist sehr robust aufgebaut und weitgehend unempfindlich gegen Temperaturschwankungen im vorgesehenen Arbeitsbereich von -40 bis +85°C. Er eignet sich fiir die verschiedensten Messanwendungen im gesamten Frequenzbereich bis 500 MHz.
Einige wichtige Daten:
- Dynamikbereich: -75 bis +17 dBm mit Anpassnetzwerk
- Spannungsversorgung: 2,7 V bei typisch 7,5 mA
- Frequenzbereich: DC bis 500 MHz
- Log-Linearitat: +/-1 dB
- Ausgangsskalierung: 25 dB/mV
Logarithmische Verstärker
Logarithmische Verstärker sind in ihrer Funktionsweise wesentlich komplexer als klassische lineare Verstärker, so dass auch ihre Schaltungstechnik ganz anders ist. Wesentliche Aufgabe eines logarithmischen Verstärkers ist es nicht, zu verstarken, obwohl Verstärkung zum Erreichen der gewünschten Funktion benötigt wird. Sein Zweck ist es vielmehr, einen großen Dynamikbereich in äquivalente Dezibel-Werte umzusetzen. Der Verstarker ist daher im wesentlichen ein Messinstrument und konnte eher als logarithmischer Konverter bezeichnet werden.
Innenaufbau
Der AD 8307 enthalt, wie das Blockdiagramm Bild 1 zeigt, sechs Verstärker/Begrenzer-Stufen mit einer Verstärkung von jeweils 14,3 dB. Die ersten sechs Zellen und die zugehörigen Vollweg-Gleichrichter sind für die unteren zwei Drittel des Dynamikbereichs zustandig, drei weitere Detektoren erfassen das obere Drittel des 90-dB-Bereichs. Die differentiellen Ausgangsstrome der neun Detektoren werden summiert und dann in einen Ausgangsstrom von nomineil 2 µA/dB skaliert. Über einen Stromspiegel und einen auf dem Chip befmdlichen 12,5-kOhm-Widerstand entsteht daraus die Ausgangsspannung von 25 mV/dB.
Bild 1: Innerer Aufbau des AD 8307.
Bild 2 zeigt die Anschlussbelegung, Bild 3 Kennlinien.
Bild 2: Pinbelegung des logarithmischen Verstärkers.
Bild 3: Ausgangsspannung in Abhangigkeit von der Hohe des Eingangspegels bei verschiedenen Frequenzen.
Beschaltung
Die einfache Beschaltung lt. Bild 4 reicht für die meisten Anwendungen. Das Eingangssignal wird über C1 und C2 eingekoppelt, sodass zusammen mit dem Eingangswiderstand ein Hochpass entsteht. Seine Grenzfrequenz sollte bei HF-Anwendungen so hoch wie moglich liegen, um Storungen zu vermeiden.
Bild 4: Zur externen Beschaltung geniigen wenige Bauelemente.
Wenn hohere Empfmdlichkeit gefordert wird, ist ein Anpassnetzwerk am Eingang sehr niitzlich. Wird ein Übertrager zur Impedanz-Transformation von meist 50 Ohm auf die hohere Eingangsimpedanz verwendet, kann man such auf die Koppelkondensatoren verzichten. Allerdings ist es schwierig, den gesamten Bereich mit einem einzigen Übertrager abzudecken, da sich die Eingangsimpedanz natürlich auch andert. Anpassung in einem schmalbandigen Bereich ist mit einer Schaltung nach Bild 5 moglich, die hier um 100 MHz für eine Eingangsimpedanz von 50 Ohm sorgt. Durch die Transformation auf die hohere Impedanz des AD 8307 ergibt sich ein Spannungsgewinn von 10 bis 13 dB.
Bild S: Ein externes Anpassnetzwerk erh6ht die Empfindlichkeit.
Anwendungsbeispiele
Bild 6 zeigt die Schaltung eines Leistungsmessgerates, das den Bereich von 1 µW bis 1 kW abdeckt. In dieser Form kann die von einer Endstufe an die Antenne gelieferte Leistung im Bereich -30 bis +60 dBm direkt erfasst werden. Dazu wurde eine Eingangsteilung von 158:1 vorgesehen. Der AD 8307 liefert eine Spannung von 1,5 V bei einem Leistungspegel von 100 mW, 2 V bei 10 W und 2,5 V bei 1 kW, d. h., die Skalierung betragt 0,25 V/Leistungsdekade. Der Koppelkondensator legt die untere Frequenzgrenze auf ca. 10 MHz fest.
Bild 6: Verstorkungsverlauf mit Anpassnetzwerk.
Bild 7 zeigt die Schaltung eines 120-dB-Messsystems, bei dem der Dynamikbereich durch einen Verstärker (X-Amp) des Typs AD 603 um 30 dB gesteigert wurde. Beim AD 603 lasst sich die Verstarkung dB-linear einstellen, der Skalierungsfaktor betragt 40 dB/V oder 25 mV/dB. Die Schaltung eignet sich z. B. für ZF-Verstarker in einem Pegel-Messempfanger oder in einem Spektrum-Analyzer. Zwischen AD 603 und logarithmischem Verstarker ist daher ein 10,7-MHz-Murata-Filter angeordnet. Die Verstarkung des AD 603 wird von der Ausgangsspannung des AD 8307 geregelt und andert sich ±20 dB um einen voreingestellten Mittelwert.
Bild 7: Leistungsmessgerat für 1 µW bis 1 kW.
Bild 8: 120-dB-HF-Messsystem.