рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

  • Раздел Связь
  •  / 
  • Логарифмирующий преобразователь

Реферат Курсовая Конспект

Логарифмирующий преобразователь

Логарифмирующий преобразователь - раздел Связь, Общие сведения об аналоговых устройствах на операционных усилителях с нелинейной обратной связью Логарифмирующими Называются Преобразователи (Как Частный Случай Усилители), И...

Логарифмирующими называются преобразователи (как частный случай усилители), имеющие логарифмическую передаточную характеристику (ЛПХ). Они применяются для сжатия большого динамического диапазона входных сигналов в измерительных, радиолокационных и других устройствах. Для построения логарифмирующих схем усиления на ОУ используются полупроводниковые диоды и транзисторы, содержащие p-n переходы с экспоненциальной вольт-амперной характеристикой.

Простейшая схема такого преобразователя и его характеристика приведены на рис. 4.

Прямая ВАХ диода приближенно описывается выражением:

, (1)

где I – ток через диод;

I0 – обратный ток диода;

q – заряд электрона;

U – напряжение на диоде;

k – постоянная Больцмана;

Т – температура, К;

= 25 мВ при Т = 20 0С.

Входной ток равен

, (2)

а выходное напряжение

. (3)

При имеем:

. (4)

Отметим, что для кремниевого диода типичный ток составляет 10-9 А, и условие >>выполняется уже при входных токах более 10-8 А.

Коэффициент передачи логарифмирующего преобразователя обычно определяется в вольтах на декаду изменения входного сигнала. Например,
3-декадный логарифмирующий усилитель должен работать при из­менениях входного сигнала в диапазоне от 10-3 до 1 В; 7-декадный логарифмирующий усилитель обеспечивает преобразование входных сигналов от 10-6 до 10 В.

 

Рис. 4. Логарифмирующий преобразователь:
а – основная схема; б – передаточная характеристика

Согласно (4) при изменении входного напряжения на декаду приращение выходного напряжения составляет = 57,6 мВ и не зависит от величины . При этом крутизна преобразования Kлог = 2,88 мВ/дБ.

На отклонение передаточной характеристики от логарифмической влияет как невыполнение условия , так и наличие объемного сопротивления диода , входных токов и смещения нуля ОУ .

Учет объемного сопротивления диода приводит к соотношению

, (5)

где составляет примерно 10 Ом. Если также учесть влияние напряжения смещения и входных токов ОУ , то для логарифмирующего преобразователя имеем:

, (6)

где – входное напряжение смещения нуля ОУ.

Логарифмирующий преобразователь (рис. 4) работает лишь при положительных значениях входного сигнала. Для логарифмирующего преобразователя при отрицательном входном сигнале необходимо изменить полярность диода VD1, включенного в обратную связь. Недостатком данной схемы является резкое увеличение коэффициента передачи при значении входного сигнала, близком к нулю.

 
 

Вышеназванные проблемы устраняются, когда в схеме логарифмирующего преобразователя включаются в цепь обратной связи два параллельно встроенных полупроводниковых диода и резистор (рис. 5, а). Коэффициент передачи при малых входных напряжениях, когда диоды закрыты, равен отношению резисторов . Характеристика преобразования для данной схемы приведена на рис. 5, б.

а б

Рис. 5. Логарифмирующий преобразователь
с использованием двух полупроводниковых диодов:
а – схема; б – передаточная характеристика

Логарифмирующий преобразователь с диодами в цепи обратной связи (рис. 4, 5) применяется редко из-за двух серьезных ограничений. Во-первых, он очень чувствителен к температуре (температура Т входит в приведенные выше соотношения в явном виде, также сильно зависит от температуры). Во-вторых, диоды не обеспечивают хорошей точности преобразования, т.е. зависимость между их прямым напряжением и током отклоняется от логарифмической. Построить на кремниевых диодах общего назначения логарифмирующие усилители, преобразователи с приемлемой точностью, работающие в диапазоне более 3 декад, практически невоз­можно. Транзисторы обеспечивают лучшую точность преобразо­вания по сравнению с диодами. Многие транзисторы общего назначения в диодном включении обеспечивают удовлетворительное логарифмирова­ние входных токов в диапазоне до 7 декад. Зависимость коллекторного тока от напряжения база – эмиттер при нулевом напряжении база-коллек­тор описывается выражением

, (7)

Здесь Is есть обратный ток насыщения тран­зистора. Значение Is для маломощных биполярных транзисторов общего назначения составляет около 0,1 нА и зависит от температуры. Две рас­пространенные схемы, описанные в (1.8): замена диода биполярным транзистором с заземленной базой и диодное включение – представлены на рис. 6.

Отметим, что в обоих случаях напряжение база – коллектор практически равно нулю. В схеме рис. 6, б база и коллектор соединены, и их токи замыкаются на виртуальную землю. В схеме с заземленной базой (рис. 6, а) коллектор соединяется с виртуальной землей – инвертирую­щим входом ОУ. Основные свойства обеих схем сведены в табл.1.

Рис. 6. Применение биполярных транзисторов для логарифмирования:

а – схема с заземленной базой; б – диодное включение

Выходное напряжение обеих схем, приведенных на рис. 6, изменя­ется от 0 до – 0,7 В, т.е. до напряжения на прямосмещенном диоде. Выходное напряжение можно увеличить, если ввести два резистора R2 и R3 [рис. 7 и выражение (9)]. Сопротивления резисторов R2 и R3 должны быть достаточно малыми, чтобы ток транзистора не влиял на делитель напряжения R2, R3, от которого зависит коэффициент передачи преобразователя.

Логарифмирующий преобразователь инвертирует входное напряжение. Для получения положительного выходного напряжения при отрицатель­ных входных сигналах в схеме с диодным включением нужно изменить подключение выводов транзистора; в схеме с заземленной базой для этого надо заменить n-p-n транзистор на р-п-р транзистор, или вклю­чить на входе инвертирующий каскад.

 


Таблица 1

Свойства двух основных схем логарифмирующих преобразователей

 

Схема с заземленной базой Диодное включение
Широкий диапазон логарифмиро­вания, точность Диапазон логарифмирования огра­ничен 3 или 4 декадами
Склонность к самовозбуждению, устраняется введением в схему дополнительных резистора и конденсатора Устойчивая динамическая характе­ристика
Низкое быстродействие при малых входных токах из-за введения до­полнительного корректирующего конденсатора Более высокое быстродействие
Эмиттер должен быть подключен к выходу ОУ. Для отрицательных входных напряжений используется р-п-р транзистор или дополнительный инвертирующий каскад. Полярность входного напряжения легко изменить на обратную, "перевернув" транзистор. Для получения хорошей точности логарифмирования применяется транзистор с большим значением

 

Рис. 7. Схема логарифмирующего преобразователя с увеличением
размаха выходного напряжения

 

. (8)

Рис. 8. Применение диодов для защиты транзистора:

а – ограничитель выходного напряжения;

б – ограничитель в цепи обратной связи;

в – Т-образный ограничитель для уменьшения токов утечки

Можно показать, что при уменьшении входного тока уменьшается дифференциальное сопротивление транзистора (от сотен килоом при = 0,1 мкА до десятков ом при = 1 мА) и сужается ширина полосы пропускания лога­рифмирующего преобразователя. Такое сужение полосы при уменьшении входного сигнала свойственно большинству схем логариф­мирующих преобразователей.

Схема с транзистором в диодном включении, как правило, оказыва­ется устойчивой при использовании полностью скорректированного ОУ. Менее устойчива схема с заземленной базой, что объясняется дополнительным усилением в петле обратной связи. Одной из основных причин неустойчивости является дополнительный фазовый сдвиг (рис. 9), вносимый конденса­тором С1, входной емкостью и емкостью коллектор – база транзистора.

Можно устранить неустойчивость, включив конденсатор С2 между инвертирующим входом и выходом ОУ; конденсатор ограничивает полосу пропускания логарифмирующего уси­лителя на уровне 1/(2prэС2). Емкость конденсатора С2 может оказаться довольно большой (порядка 1 нФ), так как сопротивление rэ при боль­ших входных токах невелико. Уменьшить необходимую емкость конденсатора можно, увеличив эффективное значение rэ вклю­чением дополнительного резистора R2 (рис. 10). В приведенных выше соотношениях эффективное значение rэ следует заменить на (R2 + rэ).

Рис. 9. Частотная коррекция логарифмирующего преобразователя

Сопротивление R2 нужно выбирать мак­симально возможным, но с учетом того, чтобы ОУ не оказался в состоянии насыщения при максимальном входном токе. Оно определяется соотношением:

, (9)

где – напряжение насыщения ОУ;

– максимальное выходное напряжение;

– максимальный выходной ток;

– максимальный входной ток;

– максимальный ток нагрузки.

Рассмотрим типичный пример: напряжение питания ОУ равно ±15 В. При этом напряжение насыщения обычных ОУ составляет примерно ±12 В. Значение равно падению напряжения на диоде (около 0,7 В), к схеме подключена внешняя нагрузка с потреблением тока не более 1 мА. Максимальный входной ток равен 100 мкА. Следовательно, сопротивление резистора R2 должно быть не более 11 кОм. Выбрав для R2 значение, равное примерно половине максимального, т.е. 4,7 кОм, можно быть уверенным, что ОУ не окажется в насыщении: максимальное выходное напряжение его не превысит 6 В.

Для устойчивой работы преобразователя при максимальном входном токе, вводимый конденсатором С2 полюс должен лежать на частоте, существенно меньшей частоты единичного усиления ОУ f1 (равной 1 МГц), например на 500 кГц. Получаем, что 1/2p(R2 + rэ) = 500 кГц. Тогда минимальная емкость С2 при = 0,1 мА и rэ = 250 Ом получается равной 64 пФ, следовательно выбираем номинальное значение 100 пФ.

Ширина полосы пропускания при минимальном входном токе будет равна при этом:

f0 » 1/2p(R2 + rэ) C2 = 640 Гц

(поскольку rэ = 2,5 МОм при = 0,01 мкА).

Как показано ранее, при уменьшении входных сигналов полоса пропускания логарифмирующего преобразователя сужается. Следовательно, преобразователь будет медленно реагировать на ступенчатые перепады при малых входных сигналах и быстро – при больших.

Кроме того, переходная характеристика логарифмирующего преобразователя будет нелинейной. Он быстрее реагирует на увеличивающие сигналы, чем на уменьшающиеся (т.е. имеет меньшее время нарастания и большее время спада). Объясняется это тем, что при увеличении сигнала постоянная времени уменьшается, а при уменьшении сигнала увеличивается.

В настоящее время логарифмирующие преобразователи строятся также с использованием принципов линейно-ломаной аппроксимации логарифмической характеристики на основе суммирования выходных сигналов каскадно включенных усилителей-ограничителей. Упрощенная функциональная схема построения таких преобразователей приведена на рис. 10.

Рис. 10. Упрощенная функциональная схема логарифмирующих
преобразователей с использованием принципов
линейно-ломаной аппроксимации

Выходное напряжение такого преобразователя можно представить в виде:

, (10)

где N – число каскадов усиления;

– число каскадов, находящихся в режиме ограничения при данном значении входного напряжения.

Соотношение (1.10) можно преобразовать, используя выражение для суммы членов геометрической прогрессии . Тогда .

Входные напряжения, при которых i-й усилитель входит в режим ограничения, можно определить из следующего соотношения:

Число каскадов, находящихся в режиме ограничения:

 

В точках

,

Отсюда следует, что выходное напряжение преобразователя в точках с точностью до постоянного слагаемого пропорционально логарифму входного напряжения. Это смещение можно компенсировать подачей на вход сумматора постоянного напряжения

На рис. 11 приведена передаточная характеристика такого преобразователя.

а б

Рис. 11. Характеристики логарифмирующего усилителя:

а − передаточная характеристика;

б − ошибка логарифмирования

Интегральные логарифмические усилители, построенные по этому принципу (AD606, AD640, AD8306-AD8310), содержат от 6 до 9 усилителей-ограничителей с усилением 10 – 12 дБ и обеспечивают точность преобразования 1,5 – 3 дБ в динамическом диапазоне 60 – 100 дБ полосы частот
до 500 МГц.

Следует отметить, что для реализации такого динамического диапазона в преобразователях на основе АЦП и нелинейного цифрового преобразования потребуется 16- или 17-разрядный АЦП, что в указанном частотном диапазоне в настоящее время нереализуемо.
Развернуть
Открыть в широком формате

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Общие сведения об аналоговых устройствах на операционных усилителях с нелинейной обратной связью

Общие сведения об аналоговых устройствах на операционных усилителях с нелинейной обратной связью... Обобщенную схему аналогового устройства на ОУ с нелинейной обратной связью...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Логарифмирующий преобразователь

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Экспоненциальные преобразователи
    Основная схема (рис. 12) похожа на простой

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги