L'integrato AD8307 è un amplificatore logaritmico: accetta un segnale in ingresso e ne produce uno in uscita che è proporzionale al logaritmo dell'inviluppo del segnale di ingresso. Questi tipi di amplificatori sono anche detti demodulating log amplifier.

Accetta segnali dalla corrente continua (DC) fino a 500 MHz. L'ampiezza  in ingresso può variare da qualche decina di microvolt (praticamente al livello del rumore), fino a qualche volt: la dinamica è di circa 90 dB.

L'errore è limitato a ± 1dB per una dinamica di 88 dB.

AD8397 E' disponibile in due contenitori : DIP (-Dual in Line Package) o SOIC (Small Outline Package).

L'alimentazione può variare  da 2,7V a 5,5V.

Da queste caratteristiche, di massima, emerge un componente molto flessibile e facilmente utilizzabile in molte applicazioni. Frequente è l'impiego in strumenti di misura di segnali in RF, ma può essere impiegato anche in campo audio.

L'uscita logaritmica è comodamente interpretabile in dB, semplificando la valutazioni del valore, ad esempio per determinare l'amplificazione di un amplificatore.

Per chi vuole approfondire logaritmi e dB suggerisco questo link: http://www.ari-parma.it/documenti/i-db

La documentazione di questo integrato è molto ampia e una ricerca in Internet riporta molti esempi ed impieghi, pertanto di seguito si vuole approfondire alcuni aspetti che non sempre sono evidenti, se non  dopo una attenta lettura del data sheet.

Fra le prime considerazioni, è bene sottolineare che l'amplificatore manipola tensioni e in particolare il valore di picco, non di potenza anche se i dati di ingresso sono espressi in dBm (potenza).

Nei data sheet dell'integrato, per un motivo che mi viene difficile da capire, l'input è definito in dBm, la potenza all'ingresso, e non in volt o nel loro logaritmo. Nella documentazione si legge: "Because most users think about and specify RF signals in terms of power, more specifically, in dBm re: 50 Ω, this convention is used in specifying the performance of the AD8307."

Questo modo di operare da un lato semplifica le valutazioni legate alla potenza, ma non semplifica le operazioni legate al segnale di uscita. Mi ripeto, l'AD8307 manipola tensioni, non potenza. La potenza è legata alla tensione di picco, attraverso il fattore di forma,  e all'impedenza di carico. Il fattore di forma,  come noto, è 0,7 (il valore efficace è 0,7 volte il valore di picco) solo se si opera con un segnale sinusoidale. Il vero valore efficace lo si può misurare solo con un dispositivo a vero valore efficace (True RMS Root Mean Square ), ma non è il caso del chip in esame.

I valori di input, dichiarati dal costruttore, variano da -74 dBm  (40 pW) a +17 dBm (50 mW) a cui corrispondono le tensioni in ingresso di  circa 44uV (61uVp) e 1,6 V (2,25 Vp o 4,5 Vpp, che richiede l'alimentazione di almeno 3.3 V).
 

Intercetta e pendenza (slope)

Il grafico che riporta l'andamento della tensione di uscita in funzione della potenza , in dB, in ingresso è un retta ad eccezione dei punti estremi di funzionamento dell'AD8307.

A 0 dBm la tensione di uscita è di 2,1 V (con una leggera variabilità in funzione della frequenza del segnale).

Oltre i 16 - 17 dBm il grafico presenta una forte non linearità e quindi un errore.
Allo stesso modo quando il segnale in ingresso scende al di sotto dei -74 dBm, la tensione di uscita tende ad un valore di circa 0,5V. Il comportamento è lecito: quando l'ingresso è 0 il logaritmo non può essere calcolato parchè il logaritmo di 0 non esiste. Inoltre in ingresso sarà presente rumore, quindi una tensione non eliminabile).

Idealmente è possibile tracciare una riga che prolunga la parte lineare fino ad intersecare l'asse orizzontale. La lettura, in dBm, di quel punto è detta intercetta, che per l'AD8307 è di -84 dBm (20 uV, tensione di picco). L'intercetta non indica il minimo valore gestibile dall'integrato, ma un punto ideale raggiungibile se il comportamento fosse completamente lineare.
La pendenza della parte lineare della curva (slope) ha il valore di 25 dBm per dB, ad ogni 25 mV di variazione della tensione d uscita corrisponde la variazione di 1 dB.
Intercetta e pendenza forniscono un modo semplice per legare la tensione di uscita alla potenza (tensione) di ingresso.
Vout = Penenza(Pin- PInt), da cui è facile calcolare la potenza di ingresso in funzione della tensione di uscita. Pin = Vout/Pendenza -Intercetta = (Vout/0,025 - 84) . Ad esempio se la tensione di uscita è di 1,5 V, l'ingresso vale (1,5/0,025)-84 = -24 dBm

I valori di intercetta e di pendenza possono essere modificati in funzione delle necessità dell'applicazione o per ottenere una misura più precisa.

Una tensione variabile da 0 a al valore della alimentazione, sul pin 5, modifica l'intercetta. La curva Vout/Pin trasla parallela a se stessa (il che equivale a cambiare il guadagno).

 

 

Uscita

L'uscita (pin 4) è generata da una corrente di 2uA/dB fatta circolare su una resistenza interna di 12,5 KΩ. Per alterare la pendenza basta inserire una resistenza esterna fra il pin 4 e massa. Questa è fisicamente in parallelo alla resistenza interna di 12,5 KΩ. Ad esempio con una resistenza di 50 KΩ si porta la pendenza a 20 mV/dB.
Internamente al chip,  in parallelo all'uscita, c'è una capacità di circa 2.5pF che, in parallelo alla resistenza da 12,5 KΩ, formano un filtro che limita l'inevitabile ripple dovuto al segnale in ingresso. Il filtro ha frequenza di taglio di circa 5MHz. Se il chip deve lavorare a frequenze più basse e bene porre in parallelo all'uscita un condensatore per ridurre al frequenza di taglio del filtro, anche se questo riduce i tempi di risposta del circuito.

Ingresso.

L'ingresso, differenziale, presenta una impedenza di 1100Ω con in parallelo 1,4 pF. Per utilizzare l'ingresso in modo sbilanciato ci sono alcuni metodi:

• Utilizzare un trasformatore che disaccoppia ingresso ed uscita.
• disaccoppiare gli ingressi con due condensatori (C1 e C2 in figura) e collegare un capo a massa (es. pin 1).

In entrambi i casi è semplice modificare l'impedenza di ingresso. Con il traformatore variando il rapporto del numero di spire (es. con un trasformatore in ingresso con rapporto 1:4,8 si porta l'impedenza a 50 ohm). Nel secondo caso con una resistenza in parallelo all'ingresso (R_T in figura).
Attenzione: modificando l'impedenza di ingresso si modificano le tensioni di ingresso (che è il vero valore manipolato dell'integrato e non la potenza), un ingresso a 50 ohm modifica la tensione di 13,4 dB.
Se non è necessaria una banda larga in ingresso, ma il chip è interessato ad una specifica frequenza (esempio una media frequenza), l'impedenza di ingresso può essere adattata con una rete L -C centrata sulla frequenza di interesse, il che riduce interferenze fuori banda e rumore.

I due condensatori C₁ = C₂ = C_C, di disaccoppiamento, formano con l'impedenza di ingresso (1,1K) un filtro passa alto e nel contempo eliminano disturbi a frequenze basse. il Valore di C_C è facilmente calcolabile come frequenza di taglio di un passa alto RC ricordando che Xc_c la reattanza capacitiva è Xc_c = 1/( 2*pi*f*C) dove pi = 3.14, f è la frequenza e C è la capacità. Da notare che C1 e C2 risultano entrambi in serie all'ingresso, per cui il valore calcolato deve essere raddoppiato.
Ad esempio, per un ingresso a 1 MHz, si può porre Xc <1/10 Rin, Xc < 110 Ω C = 1,3 pF. Cc può essere 3,3 pF o maggiore.
 

Offset

I vari stadi che compongono l'integrato sono tutti accoppiati in continua. Anche una piccola deriva di corrente sugli stadi differenziali interni, porta un sensibile errore all'uscito. Il pin 3 è dedicato alla gestione di questa deriva (offset). Internamente al pin 3 è connesso un condensatore che forma un loop di retroazione utile a correggere il problema. Questo loop funziona correttamente per segnali di 1,5 MHz a salire. Il pin 3 è normalmente aperto. Per frequenze più basse è bene connettere un condensatore esterno, verso massa, al pin 3. Il data sheet dice: "An external capacitor reduces the high-pass corner to arbitrarily low frequencies; using 1 μF, this corner is below 10 Hz".
 

Enable

Il pin 6, ENB, è normalmente connesso alla alimentazione, ma può anche essere gestito per disabilitare l'integrato, senza toglierne l'alimentazione. L'AD8307 disabilitato assorbe 150 uA contro 8 mA in funzionamento pieno.
L'uso di enable può rivelarsi comodo in strumenti di misura automatici. Il tempo di ripristino, da disabilitato ad abilitato, è inferiore a i 100 nS, molto inferiore  ai tempi di assestamento in caso di alimentazione del chip.

 

Realizzazione

La foto riporta una semplice realizzazione pensata per fare alcuni test di funzionamento. Lo schema è classico con valori di componenti che ne consentono il corretto funzionamento da 500 KHz. Il circuito è stato provato fino a 50 MHz perchè inteso per un progetto in HF.

 

 

 

Lo schema è il seguente.