本發(fā)明屬于集成電路領(lǐng)域，特別涉及一種動(dòng)態(tài)范圍可擴(kuò)展的大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)放大器。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有的大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)放大器的實(shí)現(xiàn)方式主要分為串聯(lián)級(jí)聯(lián)基帶對(duì)數(shù)放大器和串聯(lián)級(jí)聯(lián)解調(diào)對(duì)數(shù)放大器。具體地，串聯(lián)級(jí)聯(lián)基帶對(duì)數(shù)放大器如圖1所示，采用n級(jí)限幅放大單元串聯(lián)級(jí)聯(lián)，通過(guò)將每一級(jí)限幅放大單元的輸出求和，得到的輸出電壓vout與輸入電壓vin呈對(duì)數(shù)關(guān)系，與輸入功率pin呈線性關(guān)系。其中，限幅放大單元的傳輸特性如圖2所示，當(dāng)輸入信號(hào)強(qiáng)度不超過(guò)某一閾值時(shí)(vin≤ek)，輸出信號(hào)強(qiáng)度與輸入信號(hào)強(qiáng)度呈正比(vout＝a·vin)，限幅放大單元處于線性放大狀態(tài)，增益為a；而當(dāng)輸入信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到某一閾值后(vin>ek)，輸出信號(hào)強(qiáng)度保持不變(vout＝a·ek)，限幅放大單元處于限幅狀態(tài)。因此，圖1所示的串聯(lián)級(jí)聯(lián)基帶對(duì)數(shù)放大器能夠產(chǎn)生對(duì)數(shù)特性的原因如下：

2、當(dāng)輸入vin很小時(shí)，vin≤ek/an-1，限幅放大單元1～n均處于線性放大狀態(tài)，輸出vout為：

3、vout＝a·vin+a2·vin+a3·vin+…+an-1·vin+an·vin???(1)

4、隨著vin增大，當(dāng)ek/an-1<vin≤ek/an-2時(shí)，限幅放大單元1～n-1處于線性放大狀態(tài)，限幅放大單元n處于限幅狀態(tài)，vout為：

5、vout＝a·vin+a2·vin+a3·vin+…+an-1·vin+a·ek???(2)

6、當(dāng)ek/an-2<vin≤ek/an-3時(shí)，限幅放大單元1～n-2處于線性放大狀態(tài)，限幅放大單元n-1和限幅放大單元n處于限幅狀態(tài)，vout為：

7、vout＝a·vin+a2·vin+a3·vin+…+an-2·vin+2a·ek???(3)

8、隨著vin繼續(xù)增大，當(dāng)ek/a2<vin≤ek/a1時(shí)，限幅放大單元1和限幅放大單元2處于線性放大狀態(tài)，限幅放大單元3～n處于限幅狀態(tài)，vout為：

9、vout＝a·vin+a2·vin+(n-2)·a·ek???(4)

10、當(dāng)ek/a<vin≤ek時(shí)，限幅放大單元1處于線性放大狀態(tài)，限幅放大單元2～n處于限幅狀態(tài)，vout為：

11、vout＝a·vin+(n-1)·a·ek???(5)

12、當(dāng)ek<vin時(shí)，限幅放大單元1～n均處于限幅狀態(tài)，vout為：

13、vout＝n·a·ek???(6)

14、可見(jiàn)在一定范圍內(nèi)，隨著vin的不斷增大，電路中處于限幅狀態(tài)的限幅放大單元個(gè)數(shù)越來(lái)越多，vin的每個(gè)區(qū)間范圍對(duì)應(yīng)的電路中處于限幅狀態(tài)的限幅放大單元個(gè)數(shù)不同。便于闡述，令處于限幅狀態(tài)的單元個(gè)數(shù)為s，1≤s≤n-1，記此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)為vis，輸出信號(hào)為vos，則vis的取值范圍可以表示為：

15、

16、對(duì)應(yīng)的vos可以表示為：

17、vos＝a·vis+a2·vis+a3·vis+…+an-s·vis+s·a·ek???(8)

18、倘若輸入信號(hào)增大a倍，即變?yōu)閍·vis，此時(shí)有s+1個(gè)限幅放大單元處于限幅狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的輸出vos+1可以表示為：

19、vos+1＝a2·vis+a3·vis+…+an-s·vis+(s+1)·a·ek???(9)

20、將式(9)與式(8)作差，得到當(dāng)輸入增大a倍時(shí)，輸出的變化量δvo可以表示為：

21、δvo＝vos+1-vos＝a·ek-a·vis???(10)

22、根據(jù)式(7)，當(dāng)s很小時(shí)，處于限幅狀態(tài)的限幅放大單元數(shù)量很少，串聯(lián)級(jí)聯(lián)鏈中前級(jí)若干單元均處于線性放大狀態(tài)，意味著限幅放大單元1的輸入很小，即vis很小，此時(shí)vis與ek相比，可以忽略，則存在：

23、δvo≈a·ek(11)

24、此時(shí)輸入信號(hào)強(qiáng)度每增大a倍，輸出信號(hào)就會(huì)增加一個(gè)a·ek，從而實(shí)現(xiàn)底數(shù)為a的對(duì)數(shù)特性。

25、根據(jù)式(7)，隨著s逐漸增大，vis也在增大，不可再忽略，可是根據(jù)式(10)，δvo也在逐漸減小，也就是說(shuō)隨著輸入信號(hào)強(qiáng)度的不斷增大，輸出的增量不斷減小，從而表現(xiàn)出小信號(hào)時(shí)大增益，大信號(hào)時(shí)小增益。這一表現(xiàn)是符合對(duì)數(shù)放大器的設(shè)計(jì)初衷的，對(duì)數(shù)放大器的目的并不是追求嚴(yán)格的對(duì)數(shù)特性，而是要求在小信號(hào)時(shí)放大，在大信號(hào)時(shí)限幅。

26、再討論s＝0的情況，根據(jù)式(1)，可知vin＝ek/an-1的輸出與vin＝ek/an的輸出的差值約為a·ek，對(duì)數(shù)特性依舊存在，當(dāng)vin<ek/an時(shí)，輸出逐漸偏離對(duì)數(shù)特性，即ek/an為該串聯(lián)級(jí)聯(lián)基帶對(duì)數(shù)放大器動(dòng)態(tài)范圍的下限。而s＝n時(shí)，限幅放大單元1～n均處于限幅狀態(tài)，輸出不再隨輸入增加而增加，對(duì)數(shù)特性消失，即ek為該串聯(lián)級(jí)聯(lián)基帶對(duì)數(shù)放大器動(dòng)態(tài)范圍的上限，在不考慮其他因素影響的情況下，動(dòng)態(tài)范圍為[ek/an，ek]。

27、而圖3所示的串聯(lián)級(jí)聯(lián)解調(diào)對(duì)數(shù)放大器的架構(gòu)，與圖1所示的串聯(lián)級(jí)聯(lián)基帶對(duì)數(shù)放大器相比，同樣采用n級(jí)限幅放大單元串聯(lián)級(jí)聯(lián)，不同的是，在每級(jí)限幅放大單元后連接了一級(jí)檢波器，通過(guò)對(duì)各級(jí)檢波器的輸出求和，得到的輸出電壓vout同樣與輸入電壓vin呈對(duì)數(shù)關(guān)系，與輸入功率pin呈線性關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)，二者構(gòu)造對(duì)數(shù)特性的原理十分近似，均是利用分段線性逼近對(duì)數(shù)函數(shù)得到的，只是對(duì)于串聯(lián)級(jí)聯(lián)解調(diào)對(duì)數(shù)放大器，式(11)中的a·ek會(huì)替換為所對(duì)應(yīng)的檢波輸出，更為重要的是可以從輸出端得到輸入端調(diào)制的信息。相同的是，該串聯(lián)級(jí)聯(lián)解調(diào)對(duì)數(shù)放大器的動(dòng)態(tài)范圍也為[ek/an，ek]。

28、可見(jiàn)對(duì)于采用多級(jí)限幅放大單元串聯(lián)級(jí)聯(lián)的大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)放大器，串聯(lián)的級(jí)數(shù)越多，輸入動(dòng)態(tài)范圍越大；每級(jí)的增益越大，輸入動(dòng)態(tài)范圍也越大。但是串聯(lián)的級(jí)數(shù)越多，頻帶越窄，噪聲會(huì)變大；增益越大，對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換精度越低，對(duì)數(shù)一致性誤差越大，電路越不穩(wěn)定，越容易自激振蕩。因此，對(duì)于串聯(lián)級(jí)聯(lián)基帶對(duì)數(shù)放大器和串聯(lián)級(jí)聯(lián)解調(diào)對(duì)數(shù)放大器，想要實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍，一味地增加限幅放大單元級(jí)數(shù)或限幅放大單元線性增益不是良策。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為克服上述大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)放大器在實(shí)現(xiàn)較大目標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，過(guò)度增加限幅放大單元級(jí)數(shù)或限幅放大單元線性增益所導(dǎo)致的頻帶窄、噪聲大和對(duì)數(shù)一致性誤差大等缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種動(dòng)態(tài)范圍可擴(kuò)展的大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)放大器，能夠擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍。在圖3所示的傳統(tǒng)串聯(lián)級(jí)聯(lián)解調(diào)對(duì)數(shù)放大器的基礎(chǔ)上，本發(fā)明引入若干級(jí)電阻衰減器，其衰減量與限幅放大單元的增益大小一致，同樣在每級(jí)電阻衰減器后連接一級(jí)具有限幅功能的檢波器，如此便可以擴(kuò)展原串聯(lián)級(jí)聯(lián)解調(diào)對(duì)數(shù)放大器的動(dòng)態(tài)范圍。這種技術(shù)避免了在對(duì)數(shù)放大器周圍搭建外部電路以增大輸入動(dòng)態(tài)范圍時(shí)所存在的分離元器件的溫度特性較差和電路不穩(wěn)定等特性，實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)放大器單片化設(shè)計(jì)。

2、為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種動(dòng)態(tài)范圍可擴(kuò)展的大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)放大器，包括級(jí)聯(lián)的n級(jí)限幅放大單元、m級(jí)電阻衰減器、n+m+1級(jí)限幅檢波器以及加法器；每級(jí)限幅放大單元的輸出端連接有一級(jí)檢波器的輸入端，每級(jí)電阻衰減器的輸出端連接有一級(jí)限幅檢波器的輸入端，且首級(jí)限幅放大單元的輸入端、首級(jí)電阻衰減器的輸入端與首級(jí)限幅檢波器的輸入端相連；n+m+1級(jí)限幅檢波器的輸出端連接加法器的輸入端；n≥2，m≥2。

4、進(jìn)一步的，首級(jí)限幅放大單元的輸入端、首級(jí)電阻衰減器的輸入端、首級(jí)限幅檢波器的輸入端輸入信號(hào)vin，加法器的輸出端通過(guò)電阻r輸出信號(hào)vout。

5、進(jìn)一步的，所述電阻衰減器的衰減量與所述限幅放大單元的增益大小一致。

6、進(jìn)一步的，所述電阻衰減器采用l型分壓式電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

7、進(jìn)一步的，所述l型分壓式電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括多個(gè)相同電阻按照串聯(lián)或并聯(lián)方式連接。

8、進(jìn)一步的，所述對(duì)數(shù)放大器采用雙極性工藝及cmos工藝。本發(fā)明的有益效果在于：

9、(1)本發(fā)明所涉及的一種動(dòng)態(tài)范圍可擴(kuò)展的大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)放大器，通過(guò)引入電阻衰減器和具有限幅功能的檢波器，有效地避免了由于限幅放大單元級(jí)數(shù)過(guò)多或單級(jí)增益過(guò)大而導(dǎo)致的頻帶過(guò)窄、噪聲過(guò)大和對(duì)數(shù)一致性誤差過(guò)大等缺點(diǎn)；

10、(2)本發(fā)明所涉及的一種動(dòng)態(tài)范圍可擴(kuò)展的大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)放大器中，電阻衰減器采用l型分壓式電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)多個(gè)相同電阻串聯(lián)或并聯(lián)，再加上合理布局，可以避免制造過(guò)程中的偏差對(duì)衰減量大小及其溫度特性的影響；

11、(3)本發(fā)明通用性強(qiáng)，適用于雙極性工藝及cmos工藝，尤其適合串聯(lián)級(jí)聯(lián)解調(diào)對(duì)數(shù)放大器。