Логарифмический усилитель на оу. Логарифмические усилители: принцип работы, виды и применение

Что такое логарифмический усилитель. Как работают логарифмические усилители на диодах и транзисторах. В чем отличие антилогарифмического усилителя. Где применяются логарифмические усилители в электронике. Какие преимущества дает использование логарифмических усилителей.

Что такое логарифмический усилитель

Логарифмический усилитель — это электронное устройство, выходное напряжение которого пропорционально логарифму входного напряжения или тока. Основное свойство таких усилителей — сжатие широкого диапазона входных сигналов в относительно узкий диапазон выходных.

Принцип работы логарифмического усилителя основан на нелинейной вольт-амперной характеристике полупроводниковых приборов — диодов или транзисторов. При этом используется экспоненциальная зависимость тока через p-n переход от приложенного напряжения.

Виды логарифмических усилителей

Существует два основных типа логарифмических усилителей:

• На базе операционных усилителей с диодами в цепи обратной связи
• Многокаскадные усилители с последовательным ограничением сигнала

Диодные логарифмические усилители обычно применяются на более низких частотах до десятков МГц. Многокаскадные позволяют работать на высоких частотах до единиц ГГц.

Принцип работы логарифмического усилителя на диоде

В простейшем случае логарифмический усилитель строится на операционном усилителе с диодом в цепи отрицательной обратной связи. Выходное напряжение такого усилителя определяется формулой:

V_out = -V_T * ln(V_in / I_s * R)

Где:

• V_T — температурный потенциал (около 26 мВ при комнатной температуре)
• I_s — ток насыщения диода
• R — сопротивление в цепи обратной связи

Таким образом, выходное напряжение пропорционально логарифму входного с некоторым масштабным коэффициентом.

Логарифмический усилитель на транзисторе

Логарифмические усилители также часто строятся на биполярных транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером. При этом используется логарифмическая зависимость напряжения база-эмиттер от коллекторного тока транзистора:

V_be = V_T * ln(I_c / I_es)

Где I_es — ток насыщения эмиттерного перехода.

Такая схема позволяет получить более широкий динамический диапазон по сравнению с диодным вариантом.

Антилогарифмический усилитель

Антилогарифмический усилитель выполняет обратную функцию — его выходное напряжение пропорционально экспоненте от входного:

V_out = K * exp(a * V_in)

Где K и a — постоянные коэффициенты.

Антилогарифмические усилители строятся по аналогичным схемам, но с инвертированным включением нелинейного элемента в цепь обратной связи.

Применение логарифмических усилителей

Основные области применения логарифмических усилителей:

• Сжатие широкого динамического диапазона входных сигналов
• Измерение мощности и вычисление децибел
• Математические операции умножения и деления аналоговых сигналов
• Обработка сигналов в радиолокации и системах связи
• Аудиотехника (компрессоры динамического диапазона)
• Нелинейные преобразования в измерительной технике

Преимущества логарифмических усилителей

Использование логарифмических усилителей дает ряд преимуществ:

• Сжатие широкого динамического диапазона входных сигналов (до 100 дБ и более)
• Возможность работы с очень слабыми сигналами
• Линеаризация экспоненциальных зависимостей
• Упрощение операций умножения и деления аналоговых сигналов
• Удобство измерений в логарифмическом масштабе (дБ)

Особенности проектирования логарифмических усилителей

При разработке логарифмических усилителей необходимо учитывать ряд факторов:

• Температурная зависимость характеристик полупроводниковых приборов
• Влияние токов утечки на точность при малых сигналах
• Ограничение полосы пропускания на высоких частотах
• Необходимость температурной компенсации и подстройки
• Выбор оптимальной схемы в зависимости от требуемого частотного диапазона

Для получения высоких характеристик часто используются специализированные интегральные микросхемы логарифмических усилителей.

Заключение

Логарифмические усилители — важный класс аналоговых устройств, позволяющих эффективно обрабатывать сигналы с широким динамическим диапазоном. Их применение дает возможность решать многие задачи в радиотехнике, измерительной технике, системах связи и других областях электроники.

Логарифмические усилители, их виды и повадки

Копаев Виталий

PDF версия

13.10.202013.10.2020 Электронные компоненты Логарифмические усилителе Статьи #Analog Devices #Texas Instruments

В статье описано несколько видов логарифмических усилителей, предназначенных для различных частотных диапазонов. Приведены типичные характеристики и области применения.

Введение

Сигналы с широким динамическим диапазоном требуют особого внимания. Действительно, непростой задачей является подача сигнала, амплитудные изменения которого превышают 100 дБ, на вход линейного усилителя или АЦП с динамическим диапазоном 60–100 дБ. Такие сигналы широко используются в эхолокации, например в радарах, системах связи, а также в оптоволоконных системах.

Для усиления сигналов с малой амплитудой используется высокий коэффициент усиления, а для сигналов с большой амплитудой – низкий коэффициент усиления. Соответственно, необходим метод динамического масштабирования, чтобы не допустить ни потерь при малом сигнале, ни срезания амплитуды при большом.

Логарифмические усилители (ЛУ) решают эту проблему, обеспечивая разные коэффициенты усиления в зависимости от уровня входного сигнала.

 

Принцип работы

Логарифмические усилители являются нелинейными аналоговыми усилителями, выходной сигнал которых представляет собой логарифм входного сигнала. Они позволяют сжать входной сигнал, имеющий большой динамический диапазон, в выходной сигнал с фиксированным диапазоном амплитуды. Как упоминалось, это достигается за счет изменения коэффициента усиления: он высок при малом входном сигнале и низок при большом (см. рис. 1). Сверху показан входной сигнал с амплитудной модуляцией несущей. Модулирующий сигнал представляет собой линейную функцию. В середине показан выходной логарифмический сигнал. Ниже расположена огибающая выходного сигнала. Такую форму может иметь сигнал детектирующего логарифмического усилителя. В АЦП, расположенный на выходе ЛУ, поступает уже сжатый сигнал, находящийся внутри фиксированного входного диапазона АЦП.

Рис. 1. Сжимание сигнала в логарифмическом усилителе: входной сигнал (сверху), логарифм входного сигнала (в середине), огибающая выходного логарифмического сигнала

 

Разновидности

Существуют два типа ЛУ: многокаскадные и с диодом в цепи ОС.

В многокаскадных усилителях применяется последовательное ограничение сигнала цепью усилителей. Эта топология, как правило, подходит для ВЧ-сигналов с частотой до нескольких ГГц и обычно применяется в радарах, а также в системах связи.

Усилители с диодом в цепи ОС основаны на использовании диодов или транзисторов в диодном включении в контуре обратной связи, охватывающей ОУ. Усилители этого типа имеют ограниченный частотный диапазон 20 МГц и широко применяются для усиления сигналов с датчиков в управляющих системах.

 

Многокаскадные усилители

В многокаскадных логарифмических усилителях используется последовательность линейных усилителей. Выходной сигнал каждого усилителя подается на вход последующего каскада и на вход сумматора. На рисунке 2 показан четырехкаскадный (N = 4) усилитель, каждая ступень которого имеет один и тот же коэффициент усиления А. При малых входных сигналах ниже порогового значения, при котором начинается ограничение амплитуды на каком-либо из каскадов, коэффициент усиления равен N∙A, или 4A в нашем случае, что видно на передаточной характеристике на рисунке 2.

Рис. 2. Принцип работы и передаточная характеристика четырехкаскадного ЛУ

На сегменте слева, выделенном красным, наклон характеристики наиболее крутой, коэффициент усиления равен N∙A. Амплитуда выходного сигнала находится в диапазоне от нуля до V_MAX/A⁴, где V_MAX – максимальное входное напряжение. По мере увеличения входного сигнала усилитель в последнем каскаде в какой-то момент насыщается. Общий коэффициент усиления уменьшается до (N–1)∙A, или 3A. Наклон на зеленом участке между уровнями входного сигнала V_MAX/A³ и V_MAX/A⁴ представляет этот диапазон усиления. Аналогично, когда уровень входного смещения продолжает увеличиваться, один за одним переходят в насыщение усилители на предыдущих каскадах. Синим показан участок с коэффициентом усиления (N–2)∙A, на сиреневом КУ=(N–3)∙A, на голубом КУ=(N–4)∙A, или 0.

Рис. 3. Улучшенная схема с суммированием в каждом каскаде

Описанная модель полезна при объяснении принципа получения логарифмического отклика, однако в ней есть одно упущение: не учтена задержка распространения сигнала, вносимая каждым каскадом. Составляющая сигнала с первого каскада достигает сумматор перед появлением сигнала с других каскадов, что приводит к искажению выходного сигнала. Для коррекции этого эффекта следует внести изменения в базовую схему. На рисунке 3 показана схема, в которой каскады содержат по два усилителя. В каждой паре один усилитель обеспечивает требуемый коэффициент усиления, второй является буферным с единичным коэффициентом усиления, если не требуется дополнительное усиление. Суммирование производится в каждом каскаде. Малые сигналы проходят через ограничивающие усилители. По мере увеличения амплитуды сигнала последний каскад начинает насыщаться; при этом доминирующим усилителем становится усилитель единичного усиления. По мере роста амплитуды сигнала насыщение происходит на все более ранних стадиях. В итоге общий коэффициент усиления уменьшается. Разновидность каскадной схемы для последовательного детектирующего ЛУ показана на рисунке 4.

Рис. 4. Схема последовательного обнаружения с обнаружением пика после каждого каскада

Последовательный детектирующий ЛУ построен на основе цепи из ограничивающих усилителей, которую мы уже описали, однако к ней добавлена функция обнаружения пика после каждого каскада. Выходы с детекторов суммируются и образуют огибающую выходного сигнала ЛУ. Детекторы могут быть полуволновыми или волновыми в зависимости от схемы. Огибающая используется в случаях, когда необходимо выделить уровень обнаруженного сигнала. Например, при автоматическом управлении коэффициентом усиления в индикаторах принятого сигнала.

Рис. 5. Общая схема AD8310

Для иллюстрации коммерческого многокаскадного демодулирующего ЛУ рассмотрим AD8310ARMZ-REEL7 от Analog Devices (см. рис. 5). В нем имеется дифференциальный вход с динамическим диапазоном 95 дБ, полоса равна 440 МГц, логарифмическая линейность составляет ±0,4 дБ. Имеются шесть усилительных каскадов с номинальным усилением 14,3 дБ каждый (коэффициент усиления 5,2) и полосой 900 МГц. Выходной сигнал с усилителей поступает в детектор, токовый выход которого преобразуется в напряжение во внутреннем буферном усилителе и поступает на выход.

 

Усилитель с диодом

Рассмотрим ЛУ второго типа. Они построены на использовании диодов или транзисторов в диодном включении в петле ОС операционного усилителя. Транзисторы используются чаще (см. рис. 6а). Напряжение перехода база–эмиттер транзистора пропорционально логарифму протекающего тока. Таким образом, выходной сигнал ОУ пропорционален логарифму отношения входного тока к току насыщения эмиттера I_ES.

Рис. 6.
а) ЛУ на транзисторах в диодном включении и его зависимость от температуры;
б) два усилителя в дифференциальном включении

В простой конфигурации на рисунке 6а имеется ограничение, заключающееся в том, что выходной сигнал зависит от температуры:

V_BE = (kT/q) ∙ ln (I_C/I_ES),

где Т – температура, К.

На рисунке 6б показана схема с двумя такими усилителями, включенными как дифференциальная пара. В таком включении эта зависимость намного слабее.

Дифференциальная версия является трансимпедансным усилителем, который рассчитывает логарифм выражения I_IN2/I_IN1 и имеет выходной сигнал в виде напряжения. Как правило, I_IN1 представляет собой фиксированный опорный источник тока.

Динамический диапазон логарифмического усилителя LOG114AIRGVT от Texas Instruments покрывает восемь декад, а полосу пропускания усилителя составляет 5 МГц. Его можно сконфигурировать как ЛУ, вычисляющий логарифм отношения. Помимо ЛУ с температурной компенсацией в состав LOG114AIRGVT входят два масштабирующих усилителя и опорный источник напряжения 2,5 В (см. рис. 7).

Рис. 7. Функциональная схема с внешними компонентами усилителя LOG114

Для упрощения проектирования компания Texas Instruments предлагает симулятор TINA-TI (см. рис. 8). В схеме используется встроенный источник напряжения 2,5 В для установки опорного тока I₁ = 1 мкА. На передаточной характеристике видно, что выходной сигнал имеет линейную форму на семи декадах, нарастая cо 100 пА до 1 мА, что соответствует диапазону 140 дБ. Выходной сигнал масштабируется с помощью одного или двух ОУ для получения характеристики:

V_OUT = –0,249lg (I₁/I₂) + 1,5 [В].

Рис. 8. Моделирование усилителя LOG114 в TINA-TI. Линейность усилителя наблюдается на семи декадах входного тока

 

Выводы

Логарифмические усилители предоставляют возможность обрабатывать сигналы с очень широким динамическим диапазоном, сжимая их в выходной сигнал с фиксированным диапазоном, не допуская перегрузки в последующих каскадах. Для готовых ЛУ часто предлагаются средства моделирования, что ускоряет процесс разработки.

Подробный анализ работы некоторых схем на операционных усилителях

Операционные усилители

Подробный анализ работы некоторых схем на операционных усилителях

Подразделы: 4.14 4.15 4.16

На работу представленных ниже схем существенно влияют присущие операционным усилителям ограничения; рассмотрим их более подробно, чем остальные схемы.

В схеме, представленной на рис. 4.35, логарифмическая зависимость напряжения U_бэ от тока I_к используется для получения выходного напряжения, пропорционального логарифму положительного входного напряжения. Благодаря потенциальному заземлению инвертирующего входа резистор R

1 преобразует напряжение U_вх в ток. Этот ток протекает через транзистор T₁ и создает на его эмиттере потенциал, который, согласно уравнению Эберса-Молла, на величину падения напряжения U_бэ ниже потенциала земли. Транзистор Т₂, который работает при фиксированном токе и обеспечивает корректирующее напряжение, равное по величине падению напряжения на диоде, служит для температурной компенсации. Источник тока (роль которого может выполнять резистор, так как потенциал точки В отличается от потенциала земли на несколько десятых долей вольта) задает входной ток, служащий для установки выходного напряжения на нуль. Второй операционный усилитель является не инвертирующим, его коэффициент усиления по напряжению должен быть равен приблизительно 16, для того чтобы напряжение на выходе изменялось в отношении — 1.0 В на декаду входного тока (напомним, что напряжение U

бэ увеличивается в отношении 60 мВ на декаду коллекторного тока).

Рис. 4.35. Логарифмический преобразователь. Транзисторы Т₁ и Т₂ образуют монолитную согласованную пару.

Еще несколько деталей: если базу транзистора Т₂ соединить с его коллектором, то базовый ток будет создавать ошибку (дело в том. что ток I_к связан точной экспоненциальной зависимостью с напряжением U_бэ). В этом схеме благодаря потенциальному заземлению напряжение на базе равно напряжению на коллекторе, однако базовый ток ошибку не создает. В качестве T₁ и Т₂ следует использовать согласованную пару транзисторов (лучше всего взять согласованную монолитную пару типа LM394 или МАТ-01). Такая схема обеспечивает точную логарифмическую зависимость выходного напряжения от входного тока в пределах семи или более декад (приблизительно от 1 нА до 10 мА) при условии, что транзисторы имеют небольшие токи утечки, а ОУ — малый входной ток смешения. Операционный усилитель типа 741, в котором ток смешения равен 80 нА, для этой схемы не подходит; для получения линейной характеристики в пределах семи декад обычно используют ОУ с полевыми транзисторами на входах, например ОУ типа 411. Кроме того, для получения хорошей характеристики при малых входных токах входной ОУ следует точно настроить на нуль сдвига.

Дело в том, что при токах, близких к нижнему предельному значению, напряжение U_вх может составлять всего несколько десятков микровольт. Лучше всего применить в этой схеме источник тока на входе и вообще не использовать резистор R₁.

Конденсатор С

1 служит для частотной стабилизации при включении обратной связи, так как усиление по напряжению в контуре ОС определяет транзистор Т₁. Диод Д₁ предотвращает пробой и разрушение перехода база-эмиттер транзистора Т₁ в случае появления отрицательного напряжения на входе; это необходимо, так как транзистор Т₁ не обеспечивает цепь обратной связи при положительном выходном напряжении операционного усилителя. Обе эти проблемы можно устранить, если транзистор Т₁ включить как диод, т. е. соединить его базу с коллектором.

Температурная компенсация усиления. Транзистор Т₂ компенсирует изменения падения напряжения U_бэ в транзисторе Т₁, связанные с изменением температуры окружающей среды, однако изменение наклона графика зависимости напряжения U_бэ от тока I_к не компенсируется. В разд. 2.10 мы установили, что зависимость «60 мВ/декада» пропорциональна абсолютной температуре. Выходное напряжение в нашей схеме иллюстрируется графиком, представленным на рис. 4.36. Идеальная компенсация обеспечивается в том случае. когда входной ток равен I

0 — коллекторному току транзистора Т₂. Изменение температуры на 30°С вызывает изменение угла наклона графика на 10% и сопровождается появлением соответствующей ошибки в выходном напряжении. Единственный выход из положения состоит в том, чтобы заменить резистор R₂ последовательным соединением обычного резистора и резистора с положительным температурным коэффициентом. Зная температурный коэффициент резистора (например, температурный коэффициент резистора типа TG1/8 фирмы Texas Instruments равен + 0,67%/°С), можно определить сопротивление обычного резистора, который при последовательном соединении обеспечит идеальную компенсацию. Например, к только что упомянутому резистору типа TG1/8 с сопротивлением 2,7 кОм следует последовательно подключить резистор с сопротивлением 2,4 кОм.

Рис. 4.36.

Промышленность выпускает несколько интегральных логарифмических преобразователей. Они обладают очень хорошими характеристиками и имеют внутреннюю температурную компенсацию Среди фирм — изготовителей назовем Analog Devices, Burr-Brown Philbnck, Intersi и National Semiconductor.

Упражнение 4.7. Дополните схему логарифмического преобразователя следующими элементами: а) внешним источником входного тока; б) цепью температурной компенсации с использованием резистора типа TG1/8 (с температурным коэффициентом равным — 0,67%°С) Подберите компоненты таким образом, чтобы относительное изменение выходного напряжения составляло U_вых = + 1 В на декаду. Предусмотрите возможность управления выходным сдвигом, которая позволяла бы при любом входном токе устанавливать нулевое значение для U_вых (путем смежная инвертирующего усилителя, а не за счет регулировки тока I₀).

Подразделы: 4.14 4.15 4.16

Диэлектрическое поглощение

7 фактов о логарифмическом и антилогарифмическом усилителе: что, работает, схема, использование цепи, известны как логарифмический усилитель и антилогарифмический усилитель соответственно.

В этом разделе мы подробно узнаем о логарифмическом усилителе и антилогарифме.

В комплекте: 9 шт.0006

• Introduction
• Logarithmic (Log) Amplifier
• Log amplifier configuration
• Diode based Log amplifier configuration
• Transistor based Log amplifier configuration
• Output and Working Принцип логарифмического усилителя
• Применение логарифмического усилителя
• Что такое Antilog?
• Антилюг -усилитель
• Конфигурация усилителя журнала
• Конфигурация антилога на основе диодного усилителя
• усилитель

Логарифм (Log) Усилитель

Операционный усилитель, в котором выходное напряжение усилителя (В ₀ ) прямо пропорциональна натуральному логарифму входного напряжения (V _i ) и известна как логарифмический усилитель. По сути, натуральный логарифм входного напряжения умножается на постоянное значение и выдается на выходе.

Цепь логарифмического усилителя

Логарифмический усилитель на транзисторе Логарифмический усилитель на транзисторе

Логарифмический усилитель на диоде Логарифмический усилитель на 4 диоде0005 Выходные данные и принцип работы логарифмического усилителя

Это можно выразить следующим образом:

Где K — постоянный член, а V _ref — константа нормализации, с которой мы познакомимся в этом разделе.

Как правило, для логарифмических усилителей может потребоваться более одного операционного усилителя, и в этом случае они известны как компенсированные логарифмические усилители. Им даже требуются высокопроизводительные операционные усилители для их правильного функционирования, такие как LM1458, LM771 и LM714, которые являются одними из широко используемых логарифмических усилителей.

Диод подключен в режиме прямого смещения. Итак, ток диода можно представить в виде:

Где I _s  ток насыщения, V _D  падение напряжения на диоде. V _T — тепловое напряжение. Ток диода можно переписать с условием высокого смещения,

i ₁ , выраженным как,

Поскольку напряжение на инвертирующем выводе операционного усилителя находится на виртуальной земле, следовательно, выходное напряжение определяется как V ₀ = -V _D

Отмечая, что I ₁ = I _D , мы можем написать

, но, как отмечалось ранее, V _D = -V ₀ и, так,

= -V ₀ и, 9 0003

= -V ₀ и, как отмечалось, _D = -V ₀ и, как уже отмечалось, v _D = -V ₀ , и, как отмечалось, _D = -V ₀ и.

Прологарифмировав обе части этого уравнения натуральным логарифмом, мы нашли

Или,  

                      

разность фаз 180 ^или . Или, 

                                                                   

. В этом типе конфигурации логарифмического усилителя выходное напряжение задается как:

Применение логарифмического усилителя

Логарифмический усилитель используется для математических приложений, а также в различных устройствах в соответствии с их потребностями. Вот некоторые из приложений логарифмического усилителя:

• Логарифмические усилители используются для математических приложений, в основном при умножении. Он также используется в делении и других экспоненциальных операциях. Поскольку он может выполнять операцию умножения, поэтому он используется в аналоговых компьютерах, при синтезе звуковых эффектов, измерительных приборах, требующих операции умножения, например, при расчете мощности (умножение тока и напряжения).
• Поскольку мы знаем, что когда нам нужно рассчитать децибеловый эквивалент данной величины, нам требуется использование логарифмического оператора, и, следовательно, логарифмические усилители используются для расчета значения децибел (дБ) величины.
• Монолитные логарифмические усилители используются в определенных ситуациях, например, в области радиочастот, для эффективного разнесения (уменьшения компонентов и пространства, необходимого для них), а также для улучшения полосы пропускания и подавления шума.
• Он также используется в различных приложениях, таких как преобразователь среднего квадрата, аналого-цифровой преобразователь и т. д.

Что такое Antilog?

Усилитель Antilog

Операционный усилитель, в котором выходное напряжение усилителя (В ₀ ) прямо пропорциональна антилогарифмическому входному напряжению (V _i ), известен как антилогарифмический усилитель или антилогарифмический усилитель. Здесь мы собираемся подробно обсудить конфигурацию операционного усилителя, который формирует антилогарифмический усилитель.

Схема антилогарного усилителя

Антилоговый усилитель с использованием транзистора

Антилютный усилитель с использованием диода

В AntIlog Amplifier, входной сигнал, на intortting int -int -int -int -int -int -int -int -intttting int -intttting int -inttttting диод.

Антилогарифмический усилитель с использованием диода

Выход и принцип работы антилогарифмического усилителя

Как видно из схемы, показанной выше, отрицательная обратная связь достигается подключением выхода к инвертирующему входу. В соответствии с концепцией виртуальной земли между входными клеммами усилителя напряжение V ₁ на инвертирующей клемме будет равно нулю. Из-за идеально бесконечного входного импеданса ток, протекающий через диод из-за приложенного входного напряжения на инвертирующем выводе, не будет поступать на операционный усилитель; вместо этого он будет течь по пути обратной связи через резистор R, как показано на рисунке.

Дополнительная или обратная функция логарифмического усилителя является «экспоненциальной», антилогарифмической или просто известной как «антилогарифмическая». Рассмотрим схему, представленную на рисунке. Ток диода равен

, где V _D — напряжение диода. В соответствии с концепцией виртуального заземления V ₁ = 0, так как неинвертирующий терминал заземлен, как показано на рисунке. Следовательно, напряжение на диоде можно выразить как В _D = В _i – В ₁  или V _D  = V _i Следовательно, ток через диод равен

Из-за идеальных характеристик операционного усилителя (бесконечное входное сопротивление) ток, протекающий через диод ( i _D ) течет по пути обратной связи через резистор R, как мы можем наблюдать на рисунке.

Следовательно, I _D = I ₂

и, V ₀ = -i ₂ R = -i _D R

Замена I _D В вышеупомянутом уравнение мы получаем

.0003

Параметры n, V _T и I _S являются константами (они зависят только от характеристик диода, которые всегда постоянны для конкретного диода). Следовательно, если значение резистора обратной связи R фиксировано, то выходное напряжение V ₀ прямо пропорционально натуральному антилогарифму (экспоненциальному) приложенного входного напряжения V _i . Приведенное выше уравнение может быть просто представлено как

 

Где K = – I _S R и a =

Следовательно, мы можем заметить, что антилогарифмический операционный усилитель выдает свой выходной сигнал как экспоненциальное значение приложенного сигнала входного напряжения.

Коэффициент усиления антилогарифмического усилителя определяется значением K, равным -I _S R.

Знак –ve указывает на наличие разности фаз в 180 градусов между приложенным входом s и выход антилогарифмического усилителя.

Для получения дополнительной статьи об электронике нажмите здесь

Применение операционных усилителей — компаратор и логарифмический усилитель

В этом руководстве мы узнаем о различных применениях операционных усилителей. Операционные усилители являются одними из основных аналоговых схем, которые имеют широкий спектр реализаций. В этом посте мы познакомимся с некоторыми важными, но наиболее часто используемыми приложениями операционных усилителей.

Краткое описание

Компаратор операционных усилителей

Компаратор в электронике представляет собой схему, которая сравнивает два напряжения (или тока) и указывает, какое из них больше. Таким образом, входы компаратора должны быть разными по своей природе. Компараторы могут быть легко сконфигурированы с использованием операционных усилителей, так как операционные усилители имеют высокий коэффициент усиления и сбалансированные разностные входы.

[адсенс1]

Теоретически в качестве компаратора можно использовать операционный усилитель в разомкнутой конфигурации (без обратной связи). Когда входное напряжение на неинвертирующей клемме V ₊ больше, чем напряжение на инвертирующей входной клемме V _– , выход операционного усилителя насыщается при его положительном экстремуме. Когда неинвертирующее входное напряжение падает ниже инвертирующего входного напряжения, выход операционного усилителя переключается на отрицательный уровень насыщения. Схемы компараторов наиболее широко используются в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) и генераторах.

НАВЕРХ

Инвертирующий компаратор операционного усилителя

В инвертирующем компараторе входное напряжение V _в подается на инвертирующий вход операционного усилителя, а неинвертирующий вход подключается к опорное напряжение, через резисторы R ₁ и R ₂ . Пока входное напряжение V _в меньше, чем опорное напряжение V _ref , выход операционного усилителя остается положительно насыщенным. Когда В _в превышает опорное напряжение, выход операционного усилителя переключается на отрицательный уровень насыщения и остается отрицательно насыщенным до тех пор, пока V _в меньше, чем V _ref . Схема компаратора на ОУ показана на рисунке ниже.

Выбирая значения резисторов R ₁ и R ₂ , опорное напряжение V _ref можно отрегулировать, а компаратор можно использовать для сравнения входного напряжения с соответствующим опорным напряжением.

В _вых = +В _сб ; если V _в < V _ref

        = -V _sat ; if V _in > V _ref

Формы входного и выходного сигналов инвертирующего компаратора на операционном усилителе показаны на рисунке ниже.

НАВЕРХ

[adsense2]

Неинвертирующий компаратор на операционном усилителе

В случае неинвертирующего компаратора на операционном усилителе входное напряжение В _в подается на неинвертирующую входную клемму, а опорное напряжение V _ref подается на инвертирующую входную клемму. Когда входное напряжение V _в больше опорного напряжения V _ref , выход операционного усилителя насыщается положительно. На практике разница (V _в -V _ref ) будет положительной величиной. Поскольку обратная связь на вход операционного усилителя отсутствует, коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи будет равен бесконечности. Следовательно, выход будет колебаться до максимально возможного значения, +Vsat. Когда входное напряжение падает ниже опорного напряжения, выход переключается на отрицательное напряжение насыщения.

В _вых = +В _сб ; если V _в > V _ref

        = -V _sat ; if V _in < V _ref

НАВЕРХ

Операционный усилитель Логарифмический усилитель

Операционный усилитель можно настроить для работы в качестве логарифмического усилителя. Логарифмический усилитель представляет собой нелинейную конфигурацию схемы, где выходной сигнал в K раз больше -кратного логарифмического значения приложенного входного напряжения. Логарифмические усилители находят применение в таких вычислениях, как умножение и деление сигналов, вычисление степеней и корней, сжатие и распаковка сигналов, а также в управлении технологическими процессами в промышленных приложениях. Логарифмический усилитель может быть построен с использованием биполярного переходного транзистора в обратной связи с операционным усилителем, поскольку ток коллектора биполярного транзистора логарифмически связан с его напряжением база-эмиттер.

Схема логарифмического усилителя основной частоты на операционном усилителе показана на рисунке выше. Необходимым условием работы логарифмического усилителя является то, что входное напряжение всегда должно быть положительным. Можно видеть, что V _из = – V _будет .

Поскольку клемма коллектора транзистора удерживается на виртуальном заземлении, а клемма базы также заземлена, отношение напряжения к току становится таким же, как у диода и определяется выражением

I _E = I _S .[e ^q(Vbe)/kT – 1]

Где: )

Поскольку I _E = I _C для транзистора с заземленной базой,

I _C = I _S . [e ^q(Vbe)/kT – 1]

(I _C /I _S ) = [e ^q(Vbe)/kT – 1]

(I _{C9 С} ) + 1 = [e ^q(Vbe)/kT ]

(I _C +I _S )/I _S  = e ^q(Vbe)/kT

2 e

Vbe)/kT  = (I _C /I _S ) поскольку I _C >> I _S

Взяв натуральный логарифм в обеих частях вышеприведенного уравнения, мы получим

V = _{be (kT/q) ln[I C /I S ]}

Ток коллектора I _C = V _in /R ₁ и V _OUT = -V _BE

Следовательно,

V _OUT = -(KT /Q) LN [V _в /R ₁ . I _S ]

Таким образом, схема пропорциональна логарифму входного напряжения. Однако выходной сигнал зависит от тока насыщения, который варьируется от транзистора к транзистору, а также от температуры. Могут быть добавлены схемы компенсации, чтобы стабилизировать выходной сигнал против этих изменений.

НАВЕРХ

Антилогарифмический усилитель или экспоненциальный усилитель

Антилогарифмический или экспоненциальный усилитель (или просто антилогарифмический усилитель) представляет собой конфигурацию схемы операционного усилителя, выходной сигнал которой пропорционален экспоненциальному значению или антилогарифмическому значению входа. . Антилогарифмический усилитель делает полную противоположность логарифмическому усилителю. Антилогарифмические усилители вместе с логарифмическими усилителями используются для выполнения аналоговых вычислений над входными сигналами. Схема антилогарифмического усилителя на ОУ показана на рисунке ниже.

Следует отметить, что, поменяв местами транзистор и резистор, можно заставить логарифмический усилитель работать как антилогарифмический усилитель. Напряжение база-коллектор транзистора поддерживается на уровне потенциала земли в соответствии с концепцией виртуальной земли. Ток I _E для транзистора определяется выражением

I _E = I _S .[e ^q(Vbe)/kT – 1]

Для транзистора с заземленной базой I _E = Я _С . Следовательно,

I _C = I _S .[e ^q(Vbe)/kT – 1]

Где I _S = ток насыщения транзистора,

= 8 C out .R ₁

В _вых = I _S .[e ^q(Vbe)/kT – 1].R ₁

9007 В 9 =07 в 9 =07 в 9 выше V _будет . Следовательно,

V _out = R ₁ .I _S .[e ^{q(-V _в )/kT} – 1]

Усилители Antilog также страдают нестабильностью выходного сигнала из-за различий I _S для разных транзисторов и зависимости от температуры. Можно добавить компенсационные цепи для стабилизации выходного сигнала от таких изменений. Преобразователь тока в напряжение выходное напряжение. Схема преобразователя тока в напряжение чаще всего используется для усиления выходного тока фотодиодов, фотодетекторов, акселерометров и других сенсорных устройств до заметного и пригодного для использования уровня напряжения.

Простая схема преобразователя тока в напряжение будет иметь резистор обратной связи с большим значением сопротивления. Коэффициент усиления усилителя зависит от этого резистора. В зависимости от применения преобразователь тока в напряжение может быть выполнен по-разному. Все конфигурации преобразуют выходной ток низкого уровня сенсорного устройства в значительный уровень напряжения. Усиление и полоса пропускания схемы меняются с датчиками разных типов.

Схема базового преобразователя тока в напряжение показана на рисунке выше. Сенсорное устройство, в данном случае фотодиод, подключено к инвертирующему входу, а неинвертирующий вход заземлен. Это обеспечивает нагрузку с низким импедансом для фотодиода, что поддерживает низкое напряжение на фотодиоде. Высокий коэффициент усиления операционного усилителя удерживает ток фотодиода Ip равным току обратной связи через резистор R9.0078 ф . Входное напряжение смещения из-за фотодиода очень мало, так как фотодиод не имеет внешнего смещения. Это обеспечивает большой выходной коэффициент усиления без какого-либо выходного напряжения смещения.

Выходное напряжение вышеприведенной схемы может быть выражено как преобразователь в напряжение. Если коэффициент усиления велик, любое входное напряжение смещения на неинвертирующем входе операционного усилителя приведет к выходному напряжению смещения. Чтобы свести к минимуму эти эффекты, преобразователи тока в напряжение обычно проектируются с полевыми транзисторами на входе операционного усилителя, которые имеют очень низкие входные напряжения смещения.

НАВЕРХ

Инвертор на операционном усилителе

Инвертор на операционном усилителе, или инвертор, инвертирует входной сигнал, а также усиливает его. Положительный сигнал на входе инвертирующего усилителя приведет к отрицательному сигналу на выходе и наоборот. Синусоидальный сигнал переменного тока на входе будет 180 ^o синусоидальным сигналом на выходе, не совпадающим по фазе.

На рисунке выше показана схема типичного инвертирующего усилителя на операционном усилителе. В схеме используется подключение с отрицательной обратной связью, через резистор R _ф . Входной сигнал подается на инвертирующую входную клемму, а неинвертирующая входная клемма заземляется.

Поскольку входной ток ОУ в идеале равен нулю, ток I, обусловленный входным напряжением, протекает через резисторы R ₁ и R _f . Входное и выходное напряжения можно рассчитать как

В _in = I.R ₁

В _out = -I.R _f

0078 CL , IS

A _CL = V _OUT /V _в = -(I.R _F /I.R ₁ ) = -r _F /R ₁

_FIT /R ₁

_{F. Таким образом, V в усиливается в -R f /R 1 раз на выходе. Можно заметить, что если сопротивления обоих резисторов, R 1 и R f , равны, то выходное напряжение равно,}

В _вых = – В _вх

Такая схема известна. как инвертирующий буфер или просто инвертор.

НАВЕРХ

Неинвертирующий усилитель с операционным усилителем

Неинвертирующий усилитель представляет собой схему схемы операционного усилителя, которая создает усиленный выходной сигнал, синфазный с входным сигналом. В неинвертирующем усилителе используется соединение с отрицательной обратной связью, но вместо того, чтобы подавать весь выходной сигнал на вход, только часть напряжения выходного сигнала возвращается в качестве входа на инвертирующий вход операционного усилителя.

На рисунке выше показан типичный неинвертирующий усилитель. Входной сигнал подается на неинвертирующую входную клемму, а выходной сигнал подается на инвертирующую входную клемму через сеть резистивного делителя потенциала.

При подаче положительного входного сигнала на неинвертирующую входную клемму выходное напряжение будет смещаться, чтобы инвертирующая входная клемма оставалась равной приложенному входному напряжению. Следовательно, на резисторе R 9 будет развиваться напряжение обратной связи.0078 2 ,

V _R2 = V _IN = I ₂ R ₂

Where, I ₂ is the current flowing at the junction of resistors R ₁ and R ₂ .

V _OUT = I ₂ (R ₁ + R ₂ )

усилитель можно рассчитать как

A _CL = V _OUT /V _IN

                       = I ₂ (R ₁ + R ₂ ) / I ₂ R ₂

                = (R ₁ + R ₂ ) / R ₂

A _CL = 1 + (R ₁ /R ₂ )

Вышеупомянутое уравнение усиления положительно, что указывает на то, что при подаче выходного сигнала оно будет синфазным. входной сигнал. Коэффициент усиления по напряжению замкнутого контура неинвертирующего усилителя определяется отношением резисторов R ₁ и R ₂ используются в схеме.

Практические неинвертирующие усилители должны иметь резистор, включенный последовательно с источником входного напряжения, чтобы обеспечить равный входной ток на обеих входных клеммах.

НАВЕРХ

Краткий обзор применений операционных усилителей

В этой статье представлен обзор широкого спектра применений операционных усилителей. Операционный усилитель можно использовать для выполнения различных математических операций, таких как сложение, вычитание, умножение, а также вычислительных операций, таких как дифференцирование и интегрирование. Операционные усилители используются для различных приложений, таких как усиление сигналов переменного и постоянного тока, фильтры, генераторы, регуляторы напряжения, компараторы в большинстве бытовых и промышленных устройств.