Principios básicos de los amplificadores logarítmicos y cómo manejan las señales de amplio rango dinámico

Por Art Pini

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Trabajar con señales de alto rango dinámico plantea un problema importante para los diseñadores. ¿Cómo pueden aplicarse las señales cuyas variaciones de amplitud superan los 100 decibelios (dB) a amplificadores lineales o convertidores de analógico a digital (ADC) con rangos dinámicos típicos de 60 dB a 100 dB? Señales de este tipo se producen en dispositivos de rango de eco como radares y sonares, sistemas de comunicaciones y en sistemas de fibra óptica. En tales sistemas, se necesita alta ganancia para señales de baja amplitud, y baja ganancia para señales de alta amplitud.

¿Hay una manera de escalar dinámicamente estas señales para evitar la pérdida de señal en el extremo inferior y limitar o recortar en el extremo superior del rango de amplitud?

El amplificador logarítmico, el convertidor logarítmico, o más simplemente el amplificador de registro, resuelve este problema al proporcionar una alta ganancia para señales de bajo nivel y una ganancia progresivamente menor para niveles de señal más altos.

Este artículo presentará y describirá varios tipos de amplificadores de registro, tanto para aplicaciones de baja como de alta frecuencia. Luego analizará las especificaciones y las aplicaciones típicas de estos útiles amplificadores no lineales.

¿Qué hacen los amplificadores logarítmicos?

Los amplificadores de registro son amplificadores analógicos no lineales que producen una salida que es el logaritmo de la señal de entrada o la envoltura de la señal. Comprimen las señales de entrada que tienen un amplio rango dinámico en señales de salida con un rango de amplitud fijo. Esto se logra al proporcionar una alta ganancia para niveles de señal de entrada bajos y una ganancia progresivamente más baja para señales de nivel más alto (Figura 1).

Imagen de amplificador de registro que comprime la señal de entrada

Figura 1: El amplificador de registro comprime la señal de entrada (traza superior) al aplicar una ganancia más alta a las señales de amplitud más baja y una ganancia progresivamente más baja a las señales de nivel más alto. La traza central muestra el registro de la entrada, mientras que la traza inferior es la envoltura de la salida del amplificador de registro. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La señal de entrada (traza superior) es un portador modulado en amplitud. La señal moduladora es una rampa lineal. La salida del amplificador de registro (traza media) proporciona una ganancia más alta para las señales de bajo nivel y una ganancia progresivamente más baja a medida que aumenta el nivel de la señal, lo que produce una señal de salida ponderada logarítmicamente. La traza inferior es la envoltura de la salida del amplificador de registro, que es una opción de salida para un amplificador de registro de tipo detector. Un amplificador de registro aplicado antes de un ADC comprimirá la señal de entrada para ajustarse al rango de entrada fijo del ADC.

Topologías de amplificador de registro

Hay dos topologías distintas de amplificador de registro: el amplificador de registro de múltiples etapas y el amplificador de registro de CC. El amplificador de registro de múltiples etapas depende de la limitación secuencial en una serie de amplificadores. Esta topología se usa con mayor frecuencia con señales de alta frecuencia hasta varios gigahercios y se encuentra normalmente en aplicaciones de radar y comunicaciones.

El amplificador de registro de CC utiliza un diodo o un transistor conectado al diodo en el bucle de retroalimentación de un amplificador operacional. Este tipo de amplificador de registro está limitado a frecuencias por debajo de los 20 megahercios (MHz). Los amplificadores de registro que utilizan esta tecnología se utilizan normalmente con sensores en aplicaciones de control.

El amplificador de registro de múltiples etapas

Con los amplificadores de registro de múltiples etapas, se logra una respuesta de amplitud logarítmica utilizando una serie de amplificadores lineales con características de limitación de sobrecarga de buen comportamiento; la salida de cada etapa impulsa la siguiente etapa, así como un circuito de suma (Figura 2).

Diagrama del modelo conceptual simple de una conexión en serie de múltiples amplificadores lineales

Figura 2: Se muestra un modelo conceptual simple de una conexión en serie de múltiples amplificadores lineales cuyas salidas individuales se suman (arriba). El enfoque produce una respuesta de amplitud logarítmica, como se muestra en el gráfico de la función de transferencia (abajo). (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La cadena de amplificadores que se muestra en la Figura 2 usa cuatro amplificadores, cada uno con la misma ganancia de A. Las señales de baja amplitud (por debajo del nivel para causar limitación en cualquiera de las etapas) experimentan una ganancia de N × A ,o 4 × A en este caso. Esto se muestra en la función de transferencia en la parte inferior de la Figura, donde el segmento más a la izquierda (rojo) tiene una ganancia igual a N × A, como lo indica la pendiente del segmento de línea para amplitudes entre cero y VMAX /A4, donde VMAX es el voltaje de entrada máximo.

A medida que aumenta el nivel de entrada, en algún punto el último amplificador, la Etapa 4, comenzará a limitarse. La ganancia general caerá a (N - 1) × A, o 3 × A. La pendiente del segmento verde, entre los niveles de entrada VMAX /A3 y VMAX /A4, representa este rango de ganancia. De manera similar, a medida que el nivel de entrada continúa aumentando, los amplificadores de la etapa anterior comienzan a limitarse sucesivamente. La ganancia del segmento azul oscuro es (N - 2) × A, el segmento magenta tiene una ganancia de (N - 3) × A y la ganancia del segmento celeste es (N - 4) × A, o cero.

Si bien este modelo conceptual es útil para explicar cómo se desarrolla una respuesta logarítmica utilizando una serie de amplificadores, tiene un problema desagradable. Hay un retardo de propagación inherente asociado con cada etapa del amplificador. Los componentes de señal de la primera etapa alcanzan el circuito sumador antes que los de las etapas posteriores, y distorsionan la forma de onda de salida. Esto se puede corregir al alterar el circuito básico (Figura 3).

Diagrama de la arquitectura en cascada con pares de amplificadores (haga clic para ampliar)

Figura 3: La topología del amplificador de registro de la serie se puede modificar para eliminar el retraso mediante el uso de una arquitectura en cascada con pares de amplificadores. Cada par comprende un amplificador limitador para proporcionar ganancia cuando sea necesario, y un búfer de ganancia unitaria para cuando no se requiere la amplificación. La suma se produce en cada etapa al eliminar retrasos. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Esta topología reemplaza los amplificadores de etapa simple con pares de amplificadores. Cada par comprende un amplificador limitador para suministrar ganancia cuando sea necesario, y un búfer de ganancia unitaria si no se requiere ganancia. La suma se produce en cada etapa, lo que elimina el retraso que se produce al usar un solo sumador. Para señales pequeñas, los amplificadores limitadores proporcionan la ruta dominante. A medida que aumenta la amplitud de la señal, la última etapa comenzará a limitarse, lo que permitirá que el amplificador de ganancia unitaria de esa etapa se convierta en la entrada dominante del sumador. Aumentar aún más el nivel de entrada hace que las etapas anteriores se limiten en sucesión, lo que resulta en una disminución general de la ganancia.

Una variante de la topología del amplificador en serie es el amplificador de registro de detección sucesiva (Figura 4).

Diagrama de la envoltura de amplitud de las señales de salida del amplificador de registro

Figura 4: El amplificador de registro de detección sucesiva agrega detección de picos después de cada etapa. Estas salidas se suman para crear la envoltura de amplitud de las señales de salida del amplificador de registro. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

El amplificador de registro de detección sucesiva utiliza la misma cadena de amplificador limitante descrita anteriormente, pero agrega detección de pico después de cada etapa. Estas salidas del detector se suman para crear la envoltura de amplitud de la salida del amplificador de registro. Algunas versiones también emiten las señales de registro amplificadas. Se pueden implementar detectores como onda media u onda completa, según el diseño del circuito. La envoltura de registro es útil en aplicaciones que necesitan extraer el nivel de señal detectado. Tales aplicaciones incluyen controles automáticos de ganancia e indicadores de intensidad de señal del receptor (RSSI).

Un buen ejemplo de un amplificador de registro de demodulación de múltiples etapas comercial es AD8310ARMZ-REEL7 de Analog Devices (Figura 5).

Diagrama del amplificador de registro de demodulación de múltiples etapas AD8310 de Analog Devices

Figura 5: El amplificador de registro de demodulación de múltiples etapas AD8310 conecta en cascada seis amplificadores, cada uno con una ganancia nominal de 14.3 dB (ganancia de 5.2) y un ancho de banda de 900 MHz. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El AD8310 cuenta con una entrada diferencial que tiene un rango dinámico de 95 dB en un ancho de banda de 440 MHz, con una linealidad de registro de ±0.4 dB. Conecta en cascada seis amplificadores, cada uno de los cuales tiene una ganancia nominal de 14.3 dB (ganancia de 5.2) y un ancho de banda de 900 MHz. Cada amplificador acciona un detector que tiene una salida de corriente que se convierte en voltaje mediante un amplificador de búfer interno y luego se emite.

El amplificador de registro de CC

Como se mencionó, una topología de registro alternativa es el amplificador de registro de CC. Este utiliza un diodo o un transistor conectado al diodo en la ruta de retroalimentación de un amplificador operacional. El transistor conectado a un diodo es la configuración más utilizada (Figura 6A). El voltaje a través de la unión base-emisor del transistor es proporcional al logaritmo de la corriente a través de él. Tener el transistor conectado a un diodo en la ruta de retroalimentación de un amplificador operacional da como resultado un voltaje de salida que es proporcional al logaritmo de la relación de la corriente de entrada a la corriente de saturación del emisor (IES).

Diagrama del transistor conectado a un diodo en la ruta de retroalimentación de un amplificador operacional

Figura 6: Se puede realizar un amplificador de registro al utilizar un transistor conectado a un diodo en la ruta de retroalimentación de un amplificador operacional (A). La dependencia de la temperatura de este tipo de amplificador de registro se reduce en gran medida al utilizar dos amplificadores conectados de manera diferencial (B). (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La configuración simple que se muestra en la Figura 6(A) tiene una limitación en que su salida depende de la temperatura, como se indica en la ecuación, donde T es la temperatura en grados Kelvin, y por la corriente del emisor de saturación, IES. Al configurar dos de estos amplificadores como un par diferencial, como se muestra en la Figura 6(B), esta dependencia puede reducirse considerablemente. La versión diferencial es un amplificador de transimpedancia que calcula el registro de la relación de IIN 2/IIN 1 y tiene una salida de voltaje. IIN 1 se configura generalmente como una corriente de referencia fija.

El LOG114AIRGVT de Texas Instruments es un amplificador de registro de CC que tiene un rango dinámico de hasta ocho décadas con un ancho de banda de 5 MHz. Se puede configurar como un amplificador de registro o un amplificador de relación de registro. Además del amplificador de registro de temperatura compensada, incluye dos amplificadores operacionales de escala y una fuente de referencia de voltaje de 2.5 voltios (Figura 7).

Diagrama de bloque funcional y componentes externos asociados del amplificador de registro LOG114

Figura 7: El diagrama de bloque funcional y los componentes externos asociados del amplificador de registro LOG114. El amplificador se basa en un circuito de temperatura compensada e incluye dos amplificadores de escala adicionales. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Texas Instruments ofrece un modelo de circuito para el LOG114 que permite a los diseñadores simular sus diseños en el simulador de circuito de TINA-TI de Texas Instruments (Figura 8).

Imagen de la simulación TINA-TI del modelo de amplificador de registro LOG114 (haga clic para ampliar)

Figura 8: La simulación TINA-TI del modelo de amplificador de registro LOG114 muestra una excelente linealidad de registro durante siete décadas de corriente de entrada. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Este circuito utiliza la referencia de voltaje de 2.5 voltios incorporada para establecer la corriente de referencia I1 en 1 microamperio (µA). La función de transferencia adjunta muestra una respuesta lineal durante siete décadas, desde 100 picoamperes (pA) hasta 1 miliamperio (mA), un rango de corriente de 140 dB. La salida del amplificador de registro se escala al utilizar uno de los dos amplificadores operacionales adicionales para producir una ecuación de función de transferencia: VOUT = -0.249 x registro (I1/I2) + 1.5 voltios.

Conclusión

Los amplificadores de registro ofrecen al diseñador una técnica para manejar señales de amplio rango dinámico, ya sea de banda base o RF. Lo hacen al comprimir una señal de amplio rango dinámico en un rango de salida fijo, lo que evita condiciones de desbordamiento y saturación en las siguientes etapas. Las soluciones de amplificador de registro están fácilmente disponibles y con frecuencia son compatibles con herramientas de simulación en línea para ayudar en el proceso de diseño.

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Acerca de este autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini es un autor que contribuye Digi-Key Electronics. Tiene una Licenciatura en Ingeniería eléctrica de la City College of New York, y un Máster en ingeniería eléctrica de la City University of New York. Tiene más de 50 años de experiencia en electrónica y ha trabajado desempeñando funciones de ingeniería y marketing en Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek y Nicolet Scientific. Le interesa la tecnología de medición y tiene experiencia con los osciloscopios, analizadores de espectro, generadores de formas de onda arbitrarias, digitalizadores y medidores de potencia.

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