Логарифмирующие и антилогарифмирующие усилители - Конспект Лекций, раздел Приборостроение, Аналоговые электронные устройства Логарифмирующий Усилитель (Лу) – Это Устройство, У Которого Выходная Перем...
Логарифмирующий усилитель (ЛУ) – это устройство, у которого выходная переменная, например напряжения, пропорциональна логарифму входной переменной.
ЛУ используются при сжатии (компрессии) сигнала, измерении величин, имеющих большой динамический диапазон, при выполнении аналогового умножения и деления.
Чтобы выполнить логарифмирование аналогового сигнала, необходимо в цепь ОС ОУ включить элемент с логарифмической ВАХ, например полупроводниковый диод (рис. 5.16).
Известно, что ток и напряжение полупроводникового диода связаны выражением:
, (5.52)
где – ток утечки при некотором обратном смещении p-n перехода (тепловой обратный ток). Решив (5.52) относительно UД, получим
,
т.к. узел а – это потенциальная земля (см. раздел 5.1), а входное сопротивление ОУ велико, то и . Поэтому,
, (5.53)
где .
Схема на рис. 5.16 имеет логарифмическую характеристику в пределах трёх декад, так как ВАХ малосигнального диода заметно отличается от логарифмической уже при токе около 1мА. Кроме того, данная схема может работать только с однополярным (положительным) входным напряжением. При этом напряжение на выходе будет отрицательным. Если изменить полярность диода, то изменятся и полярности входного и выходного напряжений.
Современные логарифмические схемы, как правило, основаны на использовании зависимости между током коллектора и падением напряжения UБЭ на эмиттерном переходе транзистора, находящемся в цепи обратной связи ОУ (табл. 5.2). Причём транзистор может включаться как двухполюсник (схема 2), когда коллектор транзистора с высоким h21Э замкнут накоротко с базой, или как трёхполюсник (схема 1), один вывод которого (обычно коллектор, чтобы снизить требования к значению h21Э) соединяется с суммирующей точкой ОУ. Во всех схемах , IK0 – тепловой ток обратно смещенного эмиттерно-базового перехода.
В первых двух схемах ЛУ коллекторное и базовое напряжение транзисторов близки к нулю и почти постоянны при логарифмировании. Однако первая схема не может работать с разнополярными сигналами, поскольку база транзистора заземлена, а точность логарифмирования второй схемы зависит от величины h21Э транзистора. Поскольку h21Э уменьшается при малых токах (10-9А), то диапазон логарифмирования входных токов IВХ у второй схемы почти на 3 декады меньше, чем у первой. Если необходимо минимальное нагружающее действие выхода ОУ ЦОС, то целесообразнее применить третью схему ЛУ. Однако в этом случае из-за использования резистивного делителя в цепи коллектора транзистора дополнительным источником ошибки логарифмирования может стать изменение коллекторно-базового напряжения.
В прецизионных ЛУ обычно применяется первая схема табл.5.2, для которой точное выражение (без учёта ОУ) для выходного напряжения имеет вид:
Таблица 5.2. Основные схемы логарифмических усилителей
Диапазон рабочих токов, А
Ток в цепи ОС
Выходные напряжения
Схема
№
1
1
2
13
3
, где - коэффициент, учитывающий влияния изменения коллекторного напряжения на величину (эффект Эрли). При токе 1мА сопротивление rБ находится в диапазоне 0,25..10 Ом в зависимости от типа транзистора. Кремниевые транзисторы с малым сопротивлением rБ имеют обычно большой тепловой ток . Действием изменения напряжения можно пренебречь, так как , и тогда при больших () и малых
() уровнях входного тока диапазон логарифмирования ограничен соответственно действием напряжения IK rБ и величиной тока IK0.
Ошибку, обусловленную сопротивлением , можно уменьшить, включив в ЦОС резистивный двигатель (рис. 5.17). Для неё .
Если R2/(R1+R2)=rБ/R, то второе слагаемое рано нулю. Однако, выполнив это равенство, трудно достичь полной компенсации действия из-за существенной нелинейности.
Ошибки обусловленные ОУ возникают в первую очередь из-за действия напряжения смещения нуля , входного тока и их температурных дрейфов.
Относительная ошибка логарифмирования, обусловленная этими факторами, (5.54) где и - изменение и в рабочем диапазоне температур, - сопротивление источника сигнала.
В отличие от ошибки, вызываемой действием rБ, влияние статических ошибок ОУ возрастает при уменьшении амплитуды входного напряжения (5.54). Действие ОУ минимально, если осуществлена настройка токовой и потенциальных составляющих ВСП (разд. 4.2.5 в [1]).
Температурный дрейф выходного напряжения ЛУ определяется в первую очередь температурными зависимостями и , и во вторую очередь дрейфом параметров ОУ.
В отличие от узлов с пассивной ОС в ЛУ ЦОС одновременно и активная и нелинейная, её коэффициент передачи зависит от амплитуды входного сигнала, вследствие чего ЛУ склонны к самовозбуждению.
Для устранения самовозбуждения необходимо включить резистор RЭ между эмиттером транзистора и выходом ОУ, а корректирующий конденсатор – в ЦОС (рис. 5.18).
Передаточная функция этого усилителя
, (5.55)
где , - входная ёмкость ОУ.
Из сравнения (5.55) и (4.22) следует, что графики на рисунке 4.13(б) качественно соответствуют рассматриваемому случаю (рис. 5.19). Чтобы ЛУ работал устойчиво, необходимо чтобы взаимный наклон АЧХ и в точке пересечения составлял 20, т.е. чтобы выполнялось неравенство
, т.е. . Обычно ёмкость рассчитывается по формуле
. (5.56)
Если поменять местами входной резистор R и элемент ОС (например, диод в схеме рис. 5.16), то получится схема, в суммирующей точке а которой формируется входной ток, представляющий антилогарифм от входного напряжения соответственно и выходное напряжение будет пропорционально антилогарифму от входного напряжения, т.е.
. (5.57)
Антилогарифмирующие усилители обычно используют совместно с ЛУ в схемах аналогового умножения, при компрессии сигнала, в нелинейных преобразователях и других подобных устройствах.
АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА. ЧАСТЬ II. Конспект лекций для студентов специальности “Радиотехника” всех форм обучения...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Логарифмирующие и антилогарифмирующие усилители
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Влияние ОС на передаточные свойства
устройства
Основное назначение ОС – передача сигнала с выхода устройства на его вход. Кроме того, существует и побочное (как правило нежелательное) влияние ОС на параметры и характ
Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления
Влияние ОС на входное сопротивление зависит от знака, глубины и способа подачи ОС на вход устройства и не зависит от способа снятия ОС с его выхода.
Для получения количественных со
Влияние обратной связи на стабильность коэффициента передачи
В рабочих условиях коэффициент передачи любого устройства не остается постоянной величиной, так как на него воздействуют такие дестабилизирующие факторы как изменение напряжения питания, колебания
Влияние обратной связи на внутренние помехи
Внутренние помехи усилителя ограничивают тот минимальный сигнал, который может быть усилен усилителем без заметных искажений, т.е. ухудшают чувствительность усилителя.
Введение ООС привод
Влияние обратной связи на нелинейные искажения
Введение ООС позволяет уменьшить нелинейные искажения, возникающие в усилителе. Физически это можно объяснить тем, что посторонние составляющие выходного напряжения или тока – гармоники и комбинаци
Устойчивость устройств с обратной связью
Как уже отмечалось в разд.1.1 ООС широко используется в АЭУ для улучшения параметров и характеристик этих устройств. Из-за фазовых сдвигов, вносимых устройством и ЦОС ООС может оказаться положитель
Режим В
Режимом В называют такой режим, при котором ток в выходной цепи УЭ существует в течение половины периода сигнала.
Режим С
В режиме С, так же как в режиме В, УЭ работает с отсечкой выходного тока. Причем угол отсечки q < p/2. Для этого рабочая точка должна располагаться левее точки пересечения спря
Режим D
В режиме D УЭ работает как электронный ключ, т.е. УЭ или закрыт, или открыт. В первом случае через УЭ протекает незначительный ток, а во втором мало падение напряжения на нем. Поэтому и
Температурная нестабильность режима полевого транзистора
Как у всех приборов, построенных на основе полупроводниковых структур, свойства полевого транзистора (ПТ), а значит и его режим работы зависит от температуры.
С увеличением температуры ум
Методы стабилизации
Существуют два метода стабилизации режима работы УЭ:
- параметрический (компенсация температурных изменений);
- автоматический (при помощи ООС).
В первом
Схема эмиттерной стабилизации
Схема эмиттерной стабилизации (рис.2.10) является самой распространенной схемой. Стабилизация осуществляется за счет последовательной ООС по току, возникающей из-за наличия в схеме резистора
Схемы истоковой стабилизации
Эти схемы (рис.2.13) обладают лучшей стабильностью, чем цепи на рис. 2.12, так как за счет
Генераторы стабильного тока
Рассмотренные в предыдущих разделах автоматические способы стабилизации режима в аналоговых интегральных микросхемах (ИМС) не желательны, так как они требуют применение высокоомных резисторов, зани
Особенности каскадов предварительного усиления
Назначение каскадов предварительного усиления (КПУ) – повышение уровня входного сигнала до значения, при котором обеспечивается нормальное возбуждение мощного выходного каскада. Поэтому
Принципиальная и эквивалентная схемы
Достоинством резисторного каскада кроме простоты и малых размеров, является способность создавать равномерное усиление в широкой полосе частот и нечувствительность к воздействию переменных магнитны
Область средних частот
Для любого линейного четырёхполюсника коэффициент передачи по напряжению (табл. 4.1 в [1])
Область верхних частот и малых времен
Эквивалентная схема каскада для этого диапазона частот (времен) приведена на рис. 3.3, в.
Подставляя (3.2) в (3.1) и учитывая, что
Схема эмиттерной высокочастотной коррекции
Схема такой ВЧ коррекции приведена на рис. 3.13. Здесь RКОР, СКОР – корректирующие элементы, RЭ, СЭ – элементы схемы эмиттерн
Схема низкочастотной коррекции
НЧ коррекция чаще всего осуществляется постановкой RФCФ - фильтра в цепь питания (рис. 3.19).
АЧХ для разных значений СФ изображены на рис.
Принцип действия
Пусть на вход ДК, симметрично относительно оси А-А¢ (рис. 3.22), поступают синфазные сигналы (СС), т.е. сигналы, амплитуды и фазы которых совпадают.
Параметры дифференциального каскада
Входное сопротивление для ДС (RВХ) – это сопротивление между полюсами 1–0 (рис. 3.24). Со стороны источника сигнала VT1 включён по схеме ОК с нагрузкой
Усилительные каскады с
динамическими нагрузками
Повышение коэффициента усиления любого кас
Устойчивость многокаскадного усилителя постоянного тока
Пусть многокаскадный УПТ на нулевой частоте охвачен частотно-независимой (В=const) ООС. За счет дополнительных фазовых сдвигов в области верхних частот ООС переходит в положительную и при возвра
Влияние емкости нагрузки и входной емкости на устойчивость ОУ
Пусть ОУ без ОС является системой первого порядка, т.е. его АЧХ не имеет изломов и спадает со скоростью –20дБ/дек. Если ОС частотно-независимая, то порядок возвратного отношения также будет первым
Инвертирующий усилитель
Инвертирующий усилитель (ИУ) – это усилитель, обладающий стабильным (наперёд заданным) коэффициентом усиления с разностью фаз между входным и выходным сигналами 180°.
ИУ является о
Неинвертирующий усилитель
Неинвертирующий усилитель (НУ) – это усилитель, обладающий стабильным коэффициентом усиления при нулевой разности фаз между входными и выходными сигналами.
Суммирующий усилитель
Суммирующий усилитель (сумматор) суммирует сигналы, подаваемые на вход.
Сумматор представляет собой расширение инвертора напряжения путём подключения к инвертирующему входу ОУ допо
Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель (ДУ) предназначен для усиления разности двух входных напряжений (рис. 5.9).
Стабилизация коэффициентов усиления ДУ так же, как и для инвертир
Дифференциатор
Дифференциатор (ДФ) – это устройство, у которого выходной сигнал пропорционален производной по времени от входного сигнала
Перемножители с переменной крутизной
Идея этого метода проста: один сигнал изменяет крутизну активного элемента, который усиливает другой входной сигнал. В результате выходное напряжение схемы будет пропорционально произведению входны
Назначение, параметры
Компараторы являются простейшими аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), т.е. устройствами, преобразующими непрерывный сигнал в дискретный.Они предназначены для сравнения входного сиг
Особенности применения полупроводниковых компараторов
Компараторы, получившие наибольшее распространение, можно разделить на четыре группы: общего применения (К521СА2, К521СА5) , прецизионные (К521СА3, К597СА3), быстродействующие (К597СА1, К597СА2) и
Специализированные компараторы на операционных усилителях
При сравнении низкочастотных сигналов с высокой точностью (десятки микровольт) при минимальной потребляемой мощности использование компараторов на базе ОУ часто оказывается более предпочтительное,
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Известно, что ток и напряжение полупроводникового диода связаны выражением:
, (5.52)
– ток утечки при некотором обратном смещении p-n перехода (тепловой обратный ток). Решив (5.52) относительно UД, получим
,
и 
. Поэтому,
, (5.53)
.
, IK0 – тепловой ток обратно смещенного эмиттерно-базового перехода.
, где 
- коэффициент, учитывающий влияния изменения коллекторного напряжения на величину 
(эффект Эрли). При токе 1мА сопротивление rБ находится в диапазоне 0,25..10 Ом в зависимости от типа транзистора. Кремниевые транзисторы с малым сопротивлением rБ имеют обычно большой тепловой ток 
. Действием изменения напряжения 
можно пренебречь, так как 
, и тогда при больших (
) и малых
) уровнях входного тока диапазон логарифмирования ограничен соответственно действием напряжения IK rБ и величиной тока IK0.
Ошибку, обусловленную сопротивлением 
, можно уменьшить, включив в ЦОС резистивный двигатель (рис. 5.17). Для неё 
.
, входного тока 
и их температурных дрейфов.
, (5.54) где 
и 
- изменение 
и 
в рабочем диапазоне температур, 
- сопротивление источника сигнала.
В отличие от ошибки, вызываемой действием rБ, влияние статических ошибок ОУ возрастает при уменьшении амплитуды входного напряжения 
(5.54). Действие ОУ минимально, если осуществлена настройка токовой и потенциальных составляющих ВСП (разд. 4.2.5 в [1]).
и 
, и во вторую очередь дрейфом параметров ОУ.
, (5.55)
, 
- входная ёмкость ОУ.
Из сравнения (5.55) и (4.22) следует, что графики на рисунке 4.13(б) качественно соответствуют рассматриваемому случаю (рис. 5.19). Чтобы ЛУ работал устойчиво, необходимо чтобы взаимный наклон АЧХ 
и 
в точке пересечения составлял 20
, т.е. чтобы выполнялось неравенство
, т.е. 
. Обычно ёмкость 
рассчитывается по формуле
. (5.56)
. (5.57)
Новости и инфо для студентов