1. Логарифмический усилитель

ЛУ относятся к функциональным преобразователям – выходное напряжение пропорционально логарифму входного.

Л У применяются для усиления сигналов, изменяющихся в широком диапазоне. Их так же называют компрессорами – малые входные сигналы усиливаются с большим К_ус, а большие – с меньшим.

Для получения логарифмической характеристики используют:

- нелинейные элементы в цепи ООС;

- метод кусочно-линейной аппроксимации, когда непрерывная кривая заменяется прямыми отрезками.

ЛУ с нелинейными элементами в цепи ООС

Чаще всего в качестве нелинейного элемента используют p-n переход полупроводникового диода или транзистора, которые имеют экспоненциальную зависимость тока от напряжения.

,

где

I₀ – обратный ток диода,

μ – температурный коэффициент, причем при t⁰≈20⁰C величина

Поэтому при

U_D»26 мв

имеем

и можно записать

.

Прологарифмировав это выражение, получим

ЛУ с диодом в цепи ООС

Рассмотрим идеальный ОУ

К₀=∞; φ_А=0; i_ВХ=0; Δe=0.

На основании этого имеем

Т.к. φ_А=0, все выходное напряжение компенсируется падением напряжения на диоде U_D.

Т.к. I₀=(10^-8—10^-6) А, то членом можно пренебречь.

В результате окончательно получаем

.

Логарифмическая зависимость сохраняется достаточно точно при изменении I_D на одну – две декады, что допускает изменение U_вх в 10 – 100 раз.

ЛУ с транзистором в цепи ООС

Учитывая, что φ_А=0, считаем, что выходное напряжение полностью уравновешивается напряжением U_бэ, т.е.

Рассмотрим равенство токов

где α – коэффициент передачи тока эмиттера.

При имеем .

В результате получаем

,

→

После логарифмирования получаем

Т.к. окончательно получаем

Использование транзистора в зависимости от типа и способа включения позволяет расширить диапазон входного сигнала от 6 до 9 декад. Однако они имеют значительную температурную нестабильность, которая может достигать нескольких процентов на градус Цельсия.

Антилогарифмический усилитель

В АЛУ p-n переход (диод или транзистор) включается во входную цепь ОУ.

,

Приравниваем токи

→ .

Учитывая, что

окончательно получаем

.

Логарифмические и антилогарифмические преобразователи можно использовать в устройствах аналоговой обработки сигналов, например, для выполнения операции умножения

.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В

ПОСТОЯННОЕ

Переменное напряжение бывает трех видов:

1. Синусоидальное

2. Пульсирующее

3. Импульсное

Любое из представленных видов характеризуется следующими параметрами:

1. Пиковое

2. Амплитудное

3. Среднее ;

4. Средневыпрямленное ;

5. Среднеквадратическое .

Выпрямление переменного напряжения производится с помощью одно- или двухполупериодных диодных выпрямителей. основным их недостатком является то, амплитуда выпрямленного сигнала меньше входного на величину падения напряжения на открытом диоде, примерно на 0,8 В. Если применительно к силовой электронике эта разница несущественна, то при измерении переменных сигналов это обстоятельство вносит существенную погрешность в результат.

Для исключения этого эффекта диод включают в цепь ООС ОУ.

"Идеальный диод"

1. 

VD – открыт.

Решаем относительно U_вых

При получаем

Влияние уменьшается в раз.

2. VD – закрыт. ООС разорвана

.

Выходное напряжение ОУ достигает максимального значения и он входит в насыщение

Это напряжение полностью компенсируется падением напряжения на закрытом диоде, в результате выходное напряжение схемы равно нулю.

При смене полярности входного сигнала требуется некоторое время, что бы вывести ОУ из насыщения. Это приводит возникновению искажений и падению коэффициента преобразования.

Однополупериодный выпрямитель

В практических схемах преобразователей для предотвращения насыщения ОУ цепь ООС выполняют из встречно-параллельно включенных диодов VD1 и VD2, которые в процессе работы поочередно открываются и замыкают цепь ООС.

На выходах при этом возникают полуволны напряжения противоположной полярности:

Для преобразования сигналов с небольшой амплитудой во входную цепь и в цепи ООС включены масштабирующие сопротивления, обеспечивающие заданный коэффициент усиления по каждому выходу:

Недостатком данной схемы является непостоянство выходного сопротивления:

- если диод открыт, то R_вых≈R_{вых оу};

- если диод закрыт, то R_вых≈(R₂ или R₃).

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

Такая схема широко применяется в аналоговых электронных вольтметрах переменного напряжения. Нагрузкой моста является обмотка измерительного механизма магнитоэлектрической системы, которая имеет небольшое сопротивление. Поэтому преобразователь имеет характеристики усилителя с токовым выходом.

Нагрузка (обмотка мкА) не заземлена.

В зависимости от полярности полуволн входного сигнала диоды моста попарно оказываются либо в открытом, либо в закрытом состоянии:

- VD1 и VD4 – открыты, VD2 и VD3 - закрыты;

- VD1 и VD4 – закрыты, VD2 и VD3 – открыты.

Попеременная смена состояний диодов обеспечивает, во-первых, постоянство цепи ООС, что предотвращает насыщение ОУ и, во-вторых, однонаправленность тока через нагрузку моста (по схеме – сверху вниз) от разных полуволн входного сигнала.

Ток через нагрузку равен

Двухполупериодный выпрямитель с заземленной нагрузкой

Двухполупериодный выпрямитель можно построить на основе однополупериодного, если его выходы подключить к входам ДУ.

К аждый из каналов ДУ усиливает и передает на выход "свою" полуволну, поступающую с выходов однополупериодного выпрямителя: инвертирующий – положительную, неинвертирующий – отрицательную. На выходе поучают двухполупериодное

п ульсирующее напряжение отрицательной полярности.

Для правильной передачи полуволн через ДУ необходимо обеспечить одинаковые коэффициенты передачи по обоим каналам. Это достигается подбором сопротивлений в цепях ДУ.

В итоге получают

Преобразователь амплитудного (пикового) значения

(пиковый детектор, детектор амплитудно-модулированного сигнала)

В основе схемы использован "идеальный диод", нагруженный на фильтрующую емкость.

Проведем анализ.

1. U(t)>0, U_оу>0, VD – открыт, быстрый заряд конденсатора за время t_зар через суммарное сопротивление

2. U(t)<0, U_оу<0, VD – закрыт, медленный разряд конденсатора за время t_разр через суммарное сопротивление

Считаем, что

В установившемся режиме количество накопленного в конденсаторе заряда q_зар равно количеству отданного q_разр:

где

.

Обозначим

– коэффициент отклонения U_c от U_вх=U_m.

Разрешим уравнение относительно U_с при К₀»1

.

Таким образом, применение ОУ уменьшает погрешность детектирования в К₀ раз.

УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ОУ С ЧАСТОТНО-ЗАВИСИМЫМИ

СВЯЗЯМИ

- интеграторы и дифференциаторы;

- активные фильтры;

- генераторы Sin сигналов.