Логарифмирующие преобразователи

Занятие 6

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Схемы нелинейного преобразования сигналов на ОУ

Логарифмирующие и экспоненциальные преобразователи.

В логарифмирующих и экспоненциальных преобразователях для получения требуемой функциональной характеристики используются свойства р-п- перехода диода или биполярного транзистора, смещенного в прямом направлении. Такие преобразователи входят в качестве отдельных узлов в различные устройства, выполняющие математические операции. Логарифмирующие преобразователи применяются также для компрессии сигналов, имеющих большой динамический диапазон, например звуковых сигналов, причем некоторые из них перекрывают динамический диапазон в 140 дБ или 7 декад.

Логарифмирующие преобразователи.

На рисунке приведена схема простейшего логарифмирующего преобразователя.

Основная схема логарифмирующего преобразователя

Эта схема очень проста, но имеет много недостатков, в частности, большие отклонения от идеальной логарифмической зависимости и дрейф выходного напряжения при изменениях температуры.

Ток диода приближенно описывается выражением:

Простейший логарифмирующий преобразователь применяется редко из-за двух серьезных ограничений.

а) как следует из последней формулы, он очень чувствителен к температуре;

б) диоды не обеспечивают высокой точности преобразования, т. к. зависимость между их прямым напряжением и током не совсем логарифмическая. Поэтому удовлетворительная точность в этой схеме может быть получена при изменении входного напряжения в пределах только двух декад.

Лучшие характеристики имеет логарифмирующий преобразователь на биполярном транзисторе, включенном в цепь обратной связи инвертирующего усилителя. При этом возможно два вида включения транзистора — с заземленной базой а) и диодное б).

Зависимость тока коллектора транзистора от напряжения база—эмиттер при нулевом напряжении коллектор-база имеет вид:

Схемы логарифмирования на транзисторе:

а — с включением по схеме ОБ, б — в диодном включении

Поскольку I _С0 транзистора существенно меньше, чем I ₀ диода, приближенное равенство значительно точнее, чем в случае с диодом. Это обеспечивает рабочий динамический диапазон схемы на а) до 7 декад (140 дБ).

Примечание. Для такого широкого диапазона входные токи ОУ должны быть не более 1 пА.

Схема на б) менее точна (динамический диапазон до 4 декад — 80 дБ) из-за того, что здесь ток коллектора транзистора отличается от входного тока схемы на величину тока базы. Однако эта схема менее склонна к самовозбуждению и имеет более высокое быстродействие.

Для изменения полярности входного напряжения в схеме на б) достаточно просто «перевернуть» транзистор. В схеме на а) для отрицательных входных напряжений необходимо использовать p-n-p -транзистор.

Входные сигналы обратной полярности могут вывести из строя транзистор в схеме на а), т. к. операционный усилитель при этом входит в насыщение, и на переход база—эмиттер подается обратное напряжение, практически равное напряжению питания. Поэтому необходимо принять меры для защиты транзистора. С этой целью в схему включают дополнительные диоды.

Как уже отмечалось выше, схема с заземленной базой транзистора склонна к самовозбуждению. Это вызвано тем, что в цепи обратной связи усилителя есть элемент, вносящий дополнительное усиление напряжения (транзистор, включенный по схеме с общей базой), поэтому общий коэффициент передачи петли обратной связи повышается и, кроме того, появляется дополнительный полюс передаточной функции петли регулирования. Даже усилитель с полной внутренней коррекцией может потерять устойчивость при увеличении контурного усиления. На диаграмме Боде этому случаю соответствует перемещение ЛАЧХ вверх относительно оси частот, что вызывает рост частоты среза и резкое сокращение запаса устойчивости по фазе. Для обеспечения устойчивости схемы можно применить такую же частотную коррекцию, что и при работе ОУ на емкостную нагрузку (компенсация емкостной нагрузки). Схемы скорректированных логарифмирующих преобразователей приведены на следующих рисунках.

Схема скорректированного логарифмирующего преобразователя

Схема экспоненциального преобразователя

В экспоненциальных преобразователях обычно применяется показанное на рисунке включение транзистора с заземленной базой.

Выходное напряжение этой схемы определяется выражением:

при

Ряд фирм выпускает несколько видов ИМС логарифмирующих и экспоненциальных преобразователей, например: ICL8048 и ICL8049. Некоторые из них предназначены для выполнения только одной функции, другие, такие, как SSM-2100, могут осуществлять обе функции.

Выпускаются также ИМС радиочастотных логарифмических усилителей, выходное напряжение которых пропорционально логарифму действующего значения входного напряжения. Преобразование осуществляется методом, близким к кусочно-линейной аппроксимации. Примерами могут служить AD606 с диапазоном 80 дБ и полосой пропускания 50 МГц или AD8307 с диапазоном 90 дБ и полосой пропускания 500 МГц.

Поиск по сайту: