带宽范围为120dB的双对数变换器ADL5310

１ ADL5310的主要特点

ＡＤＬ５３１０是美国ＡＤＩ公司生产的具有两个独立通道的双对数变换器。它具有对光电转换的最优化接口和温度特性稳定的对数输出，同时带有可由用户配置的输出缓冲放大器，其对数转换传递函数的斜率和截距均可由用户通过外部电阻来进行调整。可广泛用于增益与吸光度测量、多通道电源监测、通用基带对数压缩等方面。

ＡＤＬ５３１０具有两个独立的，可各自配置传递函数常量（对数斜率和截距）的信号通道，为了降低功耗和提高通道间的匹配，其内部偏置电路是两通道公用的，相当于两个拓展了动态范围（１２０ｄＢ）的ＡＤ８３０５。

ＡＤＬ５３１０利用二极管基射极电压与集电极电流之间精确的对数关系为光电转换提供了一个非常理想的线性传输结构，其对数传递函数的斜率在初始时被设定为１０ｍＶ／ｄＢ(２００ｍＶ／ｄｅｃ)，不过也可由外部电阻和独立缓冲放大器进行调整。每个通道的传递函数的截距可由各自的参考电流定义，参考电流在初始时一般通过连接在ＶＲＥＦ （２．５Ｖ）引脚和ＩＲＦ１（ＩＲＦ２）引脚间的电阻将其输入最大值设置为３μＡ，而将ＶＲＤＺ引脚连到ＶＲＥＦ引脚可有效地将Ｘ轴截距设置为参考电流的１／１００００，一般参考电流为３μＡ时，截距为３００ｐＡ。

在测量增益或吸收系数时，若两个通道的输入电流范围不一样，ＡＤＬ５３１０可采用两通道独立的参考电流。ＡＤＬ５３１０的参考电流允许输入幅值也是该电路的整个动态输入范围，而且参考输入电流可以作为分母参与对数运算。ＡＤＬ５３１０的工作温度范围为－４０℃～＋８５℃。它由高精度电流发生器提供合适的偏置电流以补偿二极管固有的温度影响。

ＡＤＬ５３１０在光学通讯系统的光源检测上有着广泛的应用，如激光控制电路、光学转换器、衰减器、放大器以及系统监测等。

２ ADL5310的引脚功能

ＡＤＬ５３１０的引脚排列如图１所示，引脚功能如下：

ＶＳＵＭ：保护引脚，用来保护ＩＮＰ１和ＩＮＰ２的输入电流，而且用于自动调整输入总节点的电压；

ＩＮＰ１、ＩＮＰ２：通道１、２的分子输入，光电二级管电流ＩＰＤ１、ＩＰＤ２由此流入，通常连到光电二极管的正极；

ＩＲＦ１、ＩＲＦ２：通道１、２的分母输入，参考电流ＩＲＦ１、ＩＲＦ２由此流入；

ＶＲＥＦ：２．５Ｖ的参考输出电压；

ＶＰＯＳ：正电源，ＶＰ－ＶＮ≤１２Ｖ；

ＶＮＥＧ：可调负电源，此引脚常常接地；

ＯＵＴ１、ＯＵＴ２：通道１、２ 的缓冲输出；

ＳＣＬ１、ＳＣＬ２：通道１、２ 的缓冲放大转换输入；

ＢＩＮ１、ＢＩＮ２：通道１、２ 的缓冲放大非转换输入；

ＬＯＧ１、ＬＯＧ２：通道１、２ 的对数前置放大输出；

ＣＯＭＭ：模拟地；

ＶＲＤＺ：截距转化参考输入，通常情况下接至ＶＲＥＦ，当提供单极输入时也可接地。

３ ADL5310的主要结构

ＡＤＬ５３１０可为光纤管理系统提供非常方便的接口方式，同时它也可以应用于非光纤系统。图２为独立在线放大器的主要原理结构。图中，二级管的电流ＩＰＤ流经ＩＮＰ１（ＩＮＰ２），该节点的电压近似等于临近保护引脚的电压ＶＳＵＭ，也就是参考输入ＩＲＦ１（ＩＲＦ２）的电压，它是由ＪＥＦＴ型运放的微小失调电压产生的。晶体管Ｑ１可将电流ＩＰＤ转化成相应的对数电流。一般在单电源供电情况下，应接一个有限的正电压ＶＳＵＭ来偏置Ｑ１的集电极，在ＡＤＬ５３１０中，ＶＳＵＭ被内置为０．５Ｖ（ＶＲＥＦ引脚参考电压２．５Ｖ的１／５）。

４ 应用分析

４．１ 噪声分析

在估计截距稳定性的时候，应将ＩＲＦ１(ＩＲＦ２)的任何温度变化都考虑进去。而且如果ＩＲＦ１(ＩＲＦ２)的值很小，温度引起的整体噪声就会增加。在固定截距应用时（电路如图３所示），不要使用大的参考电流，以免在单电源供电情况下压缩小电流的动态截止范围。不过有必要在ＶＳＵＭ与地之间加上电容，这样可减小这一点的噪声，同时减小通道之间的交互影响，协助提供整个参考电流。

    另外，任一个输入端和参考端（ＩＮＰ１、ＩＮＰ２，ＩＲＦ１、ＩＲＦ２）都应有一个由电阻和电容构成的补偿网络。发光二极管的连接电容和输入系统的网络电容在传递函数中会构成一个很大的随输入电流变化的极点。ＲＣ网络以一定频率同步可减小这个极点，同时插入一个零点也可以补偿输入系统的另一个固有极点以稳定整个系统。一般来讲，１ｎＦ和１ｋΩ的阻容网络适用于任意的光电二极管接口。然而如果使用更大动态范围的光电二极管，或用于输入路径很长的时候，就需要换用更大的电容以确保系统稳定。在ＩＲＦ１（ＩＲＦ２）和地之间需要接入４．７ｎＦ和２ｋΩ的滤波器件。在要求苛刻的地方（比如补偿网络），还要用到温度稳定器件，Ｙ５Ｖ型片状电容由于温度稳定性不高应该避免使用。

连接引脚ＬＯＧ１（ＬＯＧ２）和地的可调电容与引脚处的５ｋΩ电阻构成了一个单极点低通滤波器，当ＩＰＤ很小时，该滤波器有益于抑制输出噪声，而多极点滤波器在抑制总体噪声方面效果会更好。

４．２ 最小串扰

将两个大动态范围的对数转换器集成在一个ＩＣ芯片上的同时也带来了通道间需要相互隔离的潜在问题。为了将串扰控制在可接受的范围内，应采用严格的电源旁路（保证整个系统的稳定性也需要这个）和细心的版面布局。

虽然偏置保护电路可增进通道间的匹配，减小电源功耗，但它却是必须要减小的串扰源。由于ＶＳＵＭ是两个输入系统共有的电压参考值，所以在该引脚与地间至少连接１ｎＦ电容才可以达到旁路效果，而在低电流（小于３０ｎＡ）时，则需要２０ｎＦ的电容。这样，ＶＳＵＭ引脚在输入带宽之内的干扰将被反馈回路所控制，而不会在输出端产生扰动（ＩＲＦ１和ＩＲＦ２引脚电压变化引起的参考电流的微小波动除外）。

在小电流时，要是没有带宽限制，初始电流就会有损耗。所以，ＶＳＵＭ（具有一个典型的１６ｋΩ源电阻）处的极点频率必须设置为低于可能遇到的最小电流输入时系统的最小带宽，ＶＳＵＭ引脚处的低频噪声也应同样得到带宽范围内反馈回路的跟踪控制，以减小由于ＶＳＵＭ处１６ｋΩ源电阻的热噪声而引起的输出扰动。而ＶＳＵＭ引脚由一个１０ｎＦ的电容（两个２０ｎＦ电容并联）和１６ｋΩ源电阻构成一个５００Ｈｚ的极点，其极点频率远远小于最小输入电压３ｎＡ时的带宽。

５ 两点校准

ＡＤＬ５３１０的每一个通道都具有自己独立的斜率和截距，在ＬＯＧ１（ＬＯＧ２）处为２００ｍＶ／ｄｅｃａｄｅ?３００ｐＡ。这个值并不是最后固定的，其斜率受温度影响所发生变化可达７．５％。对此，推荐使用一个简单的校正以达到提高精度的目的。如果随机选择一对ＡＤ８３０５对数运算放大器，那么要达到要求精度，就必须对各自通道分别校准，而选用ＡＤＬ５３１０则完全提高了两通道间斜率与截距的匹配而无需再校准。