- •Часть II
- •Общие сведения…………………………………………………………. 46
- •Общие сведения………………………………………………………… 51
- •Общие сведения……………………………………………………………. 80
- •Основные сокращения
- •1. Обратные связи в аэу
- •1.1. Основные понятия
- •1.2. Влияние ос на передаточные свойства устройства
- •1.3. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления
- •1.4. Влияние обратной связи на стабильность коэффициента передачи
- •1.5. Влияние обратной связи на амплитудно-частотную, фазочастотную и переходную характеристики
- •1.6. Влияние обратной связи на внутренние помехи
- •1.7. Влияние обратной связи на нелинейные искажения
- •1.7. Устойчивость устройств с обратной связью
- •2. Режимы работы и цепи питания усилительных элементов
- •2.1. Режимы работы усилительных элементов
- •2.1.1. Режим а
- •2.1.2. Режим в
- •2.1.3. Режим с
- •2.1.4. Режим d
- •2.2. Температурная нестабильность режима биполярного транзистора
- •2.3. Температурная нестабильность режима полевого транзистора
- •2.4. Методы стабилизации
- •2.5. Обобщенная схема задания и стабилизации рабочей точки
- •2.6. Схема эмиттерной стабилизации
- •2.7. Схема коллекторной стабилизации
- •2.8 Цепи питания полевых транзисторов
- •2.8.1. Цепи питания с фиксацией напряжения на затворе
- •2.8.2. Схемы истоковой стабилизации
- •2.9. Генераторы стабильного тока
- •3. Каскады предварительного усиления
- •3.1. Особенности каскадов предварительного усиления
- •3.2. Резисторный каскад на биполярном транзисторе
- •3.2.1. Принципиальная и эквивалентная схемы
- •3.2.2. Область средних частот
- •3.2.3. Область нижних частот и больших времен
- •3.2.4. Область верхних частот и малых времен
- •3.3. Коррекция амплитудно – частотных и переходных характеристик
- •3.3.1. Общие сведения
- •3.3.2. Схема эмиттерной высокочастотной коррекции
- •3.3.3. Схема индуктивной высокочастотной коррекции
- •3.3.4. Схема низкочастотной коррекции
- •3.4. Дифференциальный каскад
- •3.4.1. Общие сведения
- •3.4.2. Принцип действия
- •3.4.3. Параметры дифференциального каскада
- •3.5. Усилительные каскады на составных транзисторах
- •3.5.1. Общие сведения
- •3.5.2. Резисторный каскад на составном транзисторе
- •3.6. Усилительные каскады с динамическими нагрузками
- •4. Устойчивость операционных усилителей
- •4.1. Устойчивость многокаскадного усилителя постоянного тока
- •4.2. Условия устойчивости операционных усилителей
- •4.3. Коррекция ачх операционных усилителей
- •4.4. Косвенные признаки относительной устойчивости
- •4.5. Влияние емкости нагрузки и входной емкости на устойчивость оу
- •4.6. Частотная коррекция в цепи ос
- •5. Обработка аналоговых сигналов операционными усилителями
- •5.1. Инвертирующий усилитель
- •5.2. Неинвертирующий усилитель
- •5.3. Суммирующий усилитель
- •5 .4. Дифференциальный усилитель
- •5 .5. Интегратор
- •5.5. Дифференциатор
- •5.7. Логарифмирующие и антилогарифмирующие усилители
- •6. Перемножители напряжений
- •Общие сведения
- •6.2. Перемножители с переменной крутизной
- •6.3. Интегральные перемножители и их параметры
- •Особенности применения интегральных перемножителей
- •7. Компараторы напряжения
- •7.1. Назначение, параметры
- •7.2. Особенности применения полупроводниковых компараторов
- •7.3. Специализированные компараторы на операционных усилителях
- •Однопороговые компараторы
- •Регенераторные компараторы
- •Двухпороговые компараторы
- •8. Литература
5.7. Логарифмирующие и антилогарифмирующие усилители
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).
И звестно, 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.
О шибку, 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.
И з 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.