集成直流对数放大器

其中：k = 1.381 x 10-23 J/°K；T = 绝对温度(°K)；q = 1.602 x 10-19°C；IC = 集电极电流(mA或与IIN和IS的单位相同)；IIN = 对数放大器输入电流(mA或与IC和IS的单位相同)；IS = 反向饱和电流(mA或与IIN和IC的单位相同)；(在等式1中，"ln"表示自然对数。在后面的等式中，"Log10"表示以10为底的对数)。

　　图2. 采用两个基本BJT输入结构，并从VOUT1中减去VOUT2，可在输出端消除IS的温度影响。剩余的"PTAT"影响，可通过选择合适的RTD (电阻温度探测器)以及差分放大器的增益设置电阻，使其降至最低。

　　尽管该表达式清楚地表明了VOUT1和IIN之间的对数关系，但是IS和kT/q项与温度有关，会使VBE电压产生较大的变化。为消除IS引起的温度影响，由A3及其外围电阻构成差分电路，将第二个结电压从VOUT1中减去。第二个结电压的产生方式与VOUT1相似，只是输入电流为IREF。提供两个结的晶体管特性必须非常一致，温度环境也必须非常接近，以实现正确的抵消功能。

　　采用IREF带来两个好处。第一，它能够设置需要的x轴"对数截距"电流-使对数放大器输出电流理论上等于零的电流。第二，除了绝对测量外，还允许用户进行比例测量。比例测量通常用于光学传感器和系统中，在这类系统中，需要将衰减后的光源与参考光源进行对比。

　　等式5仍然具有温度效应，VDIFF与绝对温度成正比(PTAT)。通过加入后续的温度补偿电路(通常是带有电阻温度探测器(RTD)的运算放大器级，或者类似器件，也是增益构成的一部分)，能够有效消除PTAT误差，产生理想的对数放大关系：

　　其中，K是新的比例常数，也称作对数放大器增益，以V/10倍程表示。由于采用log10运算的比例ILOG/IREF确定了ILOG大于或小于IREF的10倍程数量，乘上K之后将产生所需的电压单位。

　　直流对数放大器非常适合采用集成设计方案，这是因为关键的温度敏感元件可以共同放置在电路中，方便跟踪这些元件的温度变化。而且，在生产过程中，也容易微调各种剩余误差。在对数放大器的数据资料中会详细说明各种剩余误差指标。

现有的直流对数放大器

　　图3所示功能框图给出了一个典型的当代直流对数放大器(MAX4206)的结构。与以前的放大器相似，现今的直流对数放大器也采用了运算放大器输入结构、BJT反馈、差分放大器和温度补偿电路等。为省去射极的负驱动电压，重新布置了BJT晶体管电路的连接，以便于实现单电源工作。内置通用运算放大器，可用于实现后面的增益、失调调整甚至PID控制电路。

图3. 典型的直流对数放大器，如MAX4206，集成了微调电位器和输出放大器等元件。因此只需要极少的外围元件即可正常工作。

　　与以前放大器不同的是，现在的对数放大器在微小的封装(MAX4206采用4mm x 4mm、16引脚TQFN封装) 内集成了所有的电子电路。2001年以前，只能购买到体积较大、采用DIP封装的直流对数放大器，其引脚数量在14至24之间。这些早期产品价格保持在20至100美元之间，而现在的替代产品价格为5至15美元之间。

　　单电源工作是一些现代直流对数放大器的一项新革新，非常适合单电源工作的ADC/系统。MAX4206既可采用+2.7V至+11V单电源供电，也可采用±2.7至±5.5V双电源供电。采用单电源供电会产生一个后果，即这些对数放大器通常在其输入端保持一个典型值为0.5V的共模电压，以正确偏置求对数BJT。由于这些对数放大器是电流输入器件，对于大多数电流测量应用来说，这个由内部产生的共模电压通常不会产生问题。

　　现在大部分直流对数放大器普遍提供片内电流基准。该基准可连接至对数放大器的基准输入，从而可以对对数放大器的主电流输入进行绝对测量，而不是比例测量。对于MAX4206，其基准电流通过0.5V直流电压源、电压-电流转换器和一个10:1电流镜产生。需要采用外部电阻来设置所需的基准电流。

　　直流对数放大器还有另一个新特点，有些对数放大器提供片内电压基准，用于调节通用运算放大器的放大器失调。该基准也可用于其它通用目的。

　　应用实例

　　毫无疑问，直流对数放大器的大多数应用涉及光信号测量。通常采用两种方案。在第一种方案中，单个光电二极管连接至对数输入，而基准电流连接至基准输入。第二种方案采用两个光电二极管，一个连接至对数输入，另一个连接至基准输入。需要测量光信号强度绝对值时采用第一种方案，第二种方案用于光信号强度的对数比例("对数比")测量。

图4给出了这两种方案的常用电路。在图4(a)中，单个光电二极管通过检测光纤连接器(1％)辐射出的光信号来测量光纤通道的光信号强度。图中所示为一个PIN光电二极管，也可以采用雪