2. Логарифмический усилитель

Логарифмический усилитель – это такой усилитель, выходное напряжение на котором пропорци­онально логарифму входного, а в антилогарифмическом (экспо­ненциальном) – наоборот, входное пропорционально логарифму выходного. Первые применяют для перевода в децибелы, сжатия динамического диапазона сигналов. Оба вида усилителей исполь­зуются в быстродействующих устройствах возведения в степень, перемножения и деления сигналов. Сжатие (уменьшение) динами­ческого диапазона применяется для регистрации сигналов, уровень. которых изменяется в очень широких пределах, а также для по­вышения КПД усилителей, помехоустойчивости устройств связи и других целей.

В настоящее время для логарифмирования и антилогарифмиро­вания сигналов широко применяют ОУ, охватываемые нелинейной ОС. В качестве нелинейного элемента используют полупроводнико­вый p-n-p переход, например диод, ток которого, экспоненциально зависит от напряжения и_л на нем.

Логарифмический и антилогарифмический усилители строятся по инвертирующей схеме. В логарифмическом усилителе (рис.2.1.а) диод включается между выходом и инвертирующим входом ОУ. Полагая, что ОУ идеальный, имеем и

Pис.2.1

Реальная передаточная характеристика усилителя, нанесенная сплошной линией на рис.2.1б), совпадает с идеальной логариф­мической зависимостью отраженной выше указанной формулой, нанесенной штрихами, лишь в ди­апазоне входного напряжения , которые определяют ди­намический диапазон логарифмирования .

а) б)

Pис.2.2 а), б)

Для сжатия динамического диапазона знакопеременных вход­ных сигналов применяют так называемый двухсторонний логариф­мический преобразователь (рис. 2.2.а). Его передаточная харак­теристика (рис. 2.2.б) симметрична относительно начала коорди­нат и состоит из двух логарифмических кривых, соединенных пря­мой, проходящей через начало координат. Наклон этой прямой определяется отношением .Резистор оказывает заметное влияние только при слабых сигналах, когда сопротивления диодов очень велики. Он уменьшает сдвиг нуля выходного напряжения ЭУ и нестабильность усиления, так как увеличивает глубину отрицательной ОС.

Pис. 2.3

Логарифмирование осуществляется точнее, если вместо диода использовать эмиттерный переход транзистора. Динамический диапазон логарифмирования подучается наибольшим. при включении транзистора по схеме с ОБ, как показано на рис. 2.3.а. Здесь выходное напряжение, как и ранее, также равно напряжению на открытом диоде (эмиттер — база), ток через который равен входному току схемы .В зави­симости от полярности логарифмируемого напряжения транзистор должен быть типа p—n—p или n—p—n. Очевидно, для построения двухстороннего логарифматора необходимо включить параллельно два транзистора разных типов проводимости.

Коллекторная нагрузка транзистора, равная , является высокоомной. Поэтому транзистор вносит большое усиление в сиг­нал ОС, а входная емкость ОУ создает дополнительный полюс на характеристике петлевого усиления, увеличивая фазовый сдвиг по петле. Эти обстоятельства делают схему с транзистором неустой­чивой.

Для обеспечения устойчивости эмиттер транзистора соединяют с выходом ОУ через добавочный резистор (рис. 2.3.б), что снижает усиление в цепи ОС, а выход ОУ соединяют с инвертирующим входом конденсатором С (около 100 пФ), что компенсирует сдвиг фазы цепью ОС, обусловленный входной ем­костью ОУ. Резистор одновременно предохраняет выход ОУ от перегрузки большим током. Выходное напряжение по-прежне­му снимается с диода эмиттер — база. Для защиты переходов тран­зистора от пробоя его эмиттер и коллектор шунтируют на землю диодами.

Чтобы уменьшать погрешность выходного напряжения, нужно выбирать ОУ с малыми и и вводить термокомпенсацию не­стабильности величин и .

В антилогарифмическом усилителе диод или транзис­тор включается вместо резистора R1 на входе ОУ (рис. 2.3.в). При идеальном ОУ выходное напряжение , следовательно:

Оно экспоненциально зависит от входного. Полярность входного напряжения для рассмотренной схемы должна быть положительной. Если же входное напряжение отрицательно, транзистор надо взять типа n-p-n, а в случае применения диода его надо раз­вернуть. Входное сопротивление антилогарифмического усилителя равно сопротивлению открытого диода и поэтому является низким.

На практике логарифмирующие свойства p-n переходов используются довольно часто и очень разнообразно, например существуют схемы на основе логарифмирующий усилителей, извлекающие алгебраические квадратные корни. Если логарифм сигнала умножить на ½ и проантилогарифмировать, то получим значение квадратного корня, пример такой схемы можно увидеть на рис. 2.4

Pис. 2.4

Логарифмический усилитель с динамическим диапазоном 60 дБ.

Для получения логарифмического закона изменения выходного сигнала применяется усилитель с большим выходным сопротивлением, который работает на диод. Большое выходное сопротив­ление усилителя по переменному сигналу обеспечивается включением динамической нагрузки я цепь коллектора транзистора VT3 — со­ставного эмиттерного повторителя, в базовую цепь которого подается выходной сигнал. В результате этого в эмиттере транзистора VT2 будет сигнал, близкий к сигналу в коллекторе VT3. Через резистор R5 отсутствует ток сигнала. Получается эквивалентное сопротивле­ние около 250—500 кОм. С этим выходным сопротивлением усили­тель работает на диодную нагрузку. Диоды определяют логариф­мический закон изменения выходного сигнала

Задание к лабораторной работе:

Pис.2.5

1. Изучить теоретическую часть лабораторной работы.

2. Собрать усилитель по схеме, изображенной на рисунке 2.5.

В отчет по этой работе внести таблицу с исходными данными (табл. 1)

Таблица 1

R1,кОМ	R2,кОМ	R3,кОМ	R4,кОМ	R6,кОМ	C1,мкФ	C2,мкФ	C3,мкФ

3. Подать напряжения на вход схемы

4.Проследить за изменением входного напряжения при помощи осциллографа. Зарисовать картинку с осциллографа.

5. Сравнить полученную на осциллографе характеристику с идеальной характеристикой логарифмического усилителя

Контрольные вопросы

1.Где применяются логарифмические усилители?

2.Что такое динамический диапазон? Где применяется сжатие динамического диапазона?

3.Какие элементы используют для логарифмирования и антилогарифмирования сигналов?

4.Как выглядит передаточная характеристика ?

5. Какими элементами определяется максимальное?

6.Использование каких элементов улучшит характеристики логарифмического усилителя?

7. Что такое двухстороннее логарифмирование? Как его осуществить?

8.Какими элементами обеспечивается усиление?

9.Какие элементы используют для обеспечения устойчивости?

10.Каким способом можно устранить погрешность выходного напряжения?