October 17 2017 05:02:28
Навигация
Авторизация
Логин

Пароль



Вы не зарегистрированы?
Нажмите здесь для регистрации .

Забыли пароль?
Запросите новый здесь.
Схемы нелинейного преобразования сигналов на ОУ
Схемы нелинейного преобразования сигналов на ОУ

Часто возникает необходимость сформировать такое напряжение U2, которое было бы нелинейной функцией напряжения U1, т.е. U2=f(U1), например, U2=Ualog(U1/Ub) или U2=|U1|. Для реализации таких зависимостей существует три возможных способа. Можно применять либо физические эффекты, которые позволяют реализовать заданные зависимости, либо аппроксимировать их полиномиальными или степенными рядами.

Логарифмирующие и экспоненциальные преобразователи

В логарифмирующих и экспоненциальных преобразователях для получения требуемой функциональной характеристики используются свойства смещенного в прямом направлении p-n-перехода диода или биполярного транзистора. 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 пере-крывают динамический диапазон в 140 дБ или 7 декад.

На рис. 24 приведена схема простейшего логарифмирующего преобразователя. Эта схема очень проста, но имеет много недостатков, в частности большие отклонения от логарифмической зависимости и дрейф выходного напряжения при изменениях температуры.

Основная схема логарифмирующего преобразователя

Рис. 24. Основная схема логарифмирующего преобразователя

Ток диода приближенно описывается выражением:

form231.gif (1587 bytes) (31)

где U – напряжение на диоде,q – заряд электрона, k – постоянная Больцмана,I0 – обратный ток диода, Т – температура в градусах Кельвина.

Тогда для вышеприведенной схемы получим:

form231a.gif (1851 bytes)

следовательно

form231b.gif (1920 bytes)

Для получения логарифмической зависимости необходимо, чтобы U1/R1 » I0, т.е.

form232.gif (1914 bytes) (32)

Для кремниевого диода I0 = 1 нА, а значение kT/q = 25 мВ при комнатной температуре.

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

Во-первых, как следует из (32), он очень чувствителен к температуре.

Во-вторых, диоды не обеспечивают хорошей точности преобразования, т.е. 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 двух декад.

Лучшие характеристики имеют логарифмирующие преобразователи на биполярных транзисторах. При этом возможно два вида включения транзистора – с заземленной базой (рис. 25а) и диодное (рис. 25б).

Схемы логарифмирования с транзистором

Рис. 25. Схемы логарифмирования с транзистором

Зависимость тока коллектора транзистора от напряжения база-эмиттер при нулевом напряжении коллектор-база определяется выражением:

form232a.gif (1688 bytes)

где IK0 – обратный ток насыщения транзистора. Его значение для маломощных транзисторов составляет около 0,1 пА при комнатной температуре. Выходное напряжение этих схем определяется выражением:

form233.gif (2627 bytes) (33)

Поскольку IK0 транзистора существенно меньше, чем I0 диода, приближенное равенство (33) значительно точнее, чем (32). Это обеспечивает динамический диапазон схемы на рис. 25а до 7 декад.

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

Схема на рис. 25б менее точна (динамический диапазон до 4 декад) 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 рис. 25б достаточно просто “перевернуть” транзистор. В схеме на рис. 25а для отрицательных входных напряжений необходимо использовать pnp-транзистор.

Входные сигналы обратной полярности могут вывести из строя транзистор в схеме на рис. 25а, 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 за-щиты 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. Даже усилитель с полной внутренней коррекцией может потерять устойчивость при увеличении контурного усиления. На диаграмме Боде этому 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. Схема скорректированного логарифмирующего преобразователя приведена на рис. 26.

Схема скорректированного логарифмирующего преобразователя

Рис. 26. Схема скорректированного логарифмирующего преобразователя

В экспоненциальных преобразователях обычно применяется показанное на рис. 27 включение транзистора с заземленной базой.

Схема экспоненциального преобразователя

Рис. 27. Схема экспоненциального преобразователя

Выходное напряжение этой схемы определяется выражением:

form234.gif (1545 bytes)при form234a.gif (1251 bytes) (34)

Промышленность 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. Хорошие характеристики имеют такие ИМС, как LOG100 с динамическим диапазоном 5 декад и суммарной погрешностью не более 0,37% и AD8309 с динамическим диапазоном 95 дБ в полосе частот до 350 МГц.

Комментарии
Нет комментариев.
Добавить комментарий
Пожалуйста, залогиньтесь для добавления комментария.
Рейтинги
Рейтинг доступен только для пользователей.

Пожалуйста, авторизуйтесьили зарегистрируйтесь для голосования.

Нет данных для оценки.

Время загрузки: 0.03 секунд 2,254,303 уникальных посетителей