Экспоненциальные преобразователи

Основная схема (рис. 12) похожа на простой логарифмирующий преобразователь (см. рис. 4), но в ней диод и резистор меняются местами. Получение экспоненциальной передаточной характеристики основывается на приведенной ранее экспоненциальной зависимости между током и напряжением p-n перехода. Данная схема очень проста и может по­служить отправной точкой для разработки практической схемы экспоненциального преобразователя. Проектирование таких преобразователей имеет много общего с разработкой логарифмирующих схем, поскольку для них справедливо многое из того, что было сказано выше.

Рис. 12. Основная схема (а) и передаточные характеристики (б)
экспоненциального преобразователя:

1 – идеальная экспоненциальная характеристика;

2 – характеристика реального преобразователя при U_вх > 0

Исходные выражения для расчета передаточной характеристики:

,

; (11)

следовательно,

. (12)

 

С учетом смещения ОУ и его входных токов:

, (13)

где – входной ток смещения ОУ;

– входное напряжение смещения.

Основные проблемы этой схемы заключаются в том, что I₀ и зависят от температуры, а характеристика диода не точно совпадает с экспоненциальной. Как правило, диод заменяют транзистором, характеристика которого ближе к экспоненциальной (с точностью до 0,5%) в широком диапазоне, достигающем иногда 7 декад.

В экспоненциальных преобразователях обычно применяется включение с заземленной базой (рис. 13), которое обеспечивает лучшее соответствие передаточной характеристики экспоненте по срав­нению с диодным включением транзистора. Для этой схемы:

, (14)

где – обратный ток насыщения (примерно 0,1 нА), зависящий от температуры.

Рис. 13. Основная схема экспоненциального преобразователя

с заземленной базой

Напомним, что транзисторы весьма чувствительны к большим обратным напряжениям база – эмиттер, поэтому на входе схемы необходимо включать защитный диод для предохранения ее от отрицательных входных сигналов. Входное напряжение не должно превышать 1 В; в противном случае ток базы транзистора может оказаться слишком большим, что приведет к выходу его из строя. Для расширения диапазона входных сигналов можно было бы включить делитель напряжения. Для преобразования отрицательных входных напряжений вместо р-п-р транзистора используют п-р-п транзистор.

Наименьшее входное напряжение, которое можно преобразовать с до­статочной точностью, ограничивается уравнением транзистора:

, (15)

следовательно, имеем >> >> kT/q. Для комнатной температуры = 25 мВ. Таким образом, входной сигнал U_вх должен быть >> = 25 мВ.

Вместе с тем, требования к входному напряжению и входному току ОУ при малых входных сигналах для экспоненциального преобразователя не такие жесткие, как для логарифмирующего преобразователя. Это обусловлено малым коэффициентом передачи в экспоненциальном преобразователе при малых входных сигналах. Максимальный входной сигнал ограничен влиянием объемного сопротивления транзистора.