Логарифмічні і експоненціальні підсилювачі, homeelectronics
логарифмічні підсилювачі
В основі логарифмічного підсилювача лежить залежність струму, що протікає через p-n-перехід напівпровідникового приладу, від напруги на цьому p-n-переході. Найпростішим приладом, який має p-n-перехід, є напівпровідниковий діод. у якого відношення струму що протікає через p-n-перехід і напруги має такий вигляд
де I - струм, що протікає через діод,
Iобр - зворотний струм насичення діода,
q - заряд електрона, q ≈ 1,6 * 10 -19 Кл.
U - напруга на діоді,
k - постійна Больцмана, k ≈ 1,38 * 10 -23 Дж / К.
T - абсолютна температура в градусах Кельвіна.
Для того, щоб на виході ОУ напруга змінювалося за логарифмічною закону, необхідно діод включити в ланцюг зворотного зв'язку так, як показано на малюнку нижче
Схема найпростішого логарифмічного підсилювача.
В даній схемі струм, що протікає через діод VD1, дорівнює вхідному струмі схеми, але протилежний за значенням, а напруга на діоді UVD1 дорівнюватиме вихідній напрузі UBbIX
Отже, вихідна напруга буде визначатися таким виразом
Для того, щоб дотримувалася логарифмічна залежність вихідної напруги від вхідного струму ОУ, необхідно щоб вхідний струм значно перевищував зворотний струм насичення діода, в цьому випадку вихідна напруга складе
Основна характеристика логарифмічного підсилювача - коефіцієнт передачі визначається як відношення вихідної напруги до декаді зміни вхідного напруги. Таким чином, четирёхдекадний логарифмический підсилювач працює при зміні вхідної напруги від 1 мВ до 10 В.
Логарифмічного підсилювача з транзистором в ланцюзі ОС
Найпростіший логарифмический підсилювач має кілька суттєвих недоліків, тому застосовується вкрай рідко. Більш широке поширення отримав логарифмический підсилювач в колі зворотного зв'язку, якого варто біполярний транзистор.
Головний недолік діодних підсилювачів полягає в тому, що його провідність визначається електронами і дірками одночасно. У той же час транзисторная провідність визначається або дірками або електронами, в залежності від типу транзистора (n-p-n або p-n-p). Тому температурна залежність транзистора менше, ніж діода. Залежність колекторного струму від напруги між базою і емітером транзистора, визначається, як і для діода
де IC - колекторний струм транзистора,
UBE - напруга між базою і емітером транзистора.
Транзистор, для отримання логарифмічною вихідний характеристики, включають двома основними способами: з заземленою базою і в діодному включенні, об'єднуючи базовий і колекторний висновки транзистора. Дані схеми включення транзисторних логарифмічних підсилювачів наведені нижче
Схеми логарифмічних підсилювачів з транзистором в колі зворотного зв'язку.
Напруга на виході логарифмічного підсилювача в таких схемах визначається за наступним виразом
Застосування логарифмічного підсилювача з транзистором в колі зворотного зв'язку дозволяє значно розширити динамічний діапазон роботи підсилювача, так підсилювач з діодом в ланцюзі ОС має динамічний діапазон приблизно 3 декади, а підсилювач з транзистором в ланцюзі ОС - 7 декад.
Удосконалення логарифмічного підсилювача
В процесі роботи логарифмический підсилювач з транзистором, на досить високих частотах схильний самовозбуждению, для усунення якого паралельно транзистору вводиться коригуючий конденсатор СК. А для обмеження вихідного струму ОУ послідовно з транзистором в ланцюзі ОС вводиться опір RЕ. У підсумку схема буде мати вигляд
Резистор R2 у схемі призначений для компенсації зміщення напруги по входу ОУ і має дорівнювати вхідному резистору R1. Резистор RЕ вводиться в схему для обмеження вихідного струму ОУ і транзистора. Його величина повинна забезпечити необхідний струм навантаження і обмежити максимальний емітерний струм транзистора
де UВИХ.ОУ - максимальна вихідна напруга ОУ,
IЕ.МАХ - максимальний струм емітера транзистора VT1,
IН - максимальний вихідний струм навантаження схеми.
експонентні підсилювачі
Поряд з логарифмічними підсилювачами знаходять застосування також експоненціальні або антілогаріфміческіе підсилювачі. Робота цих підсилювачів також заснована на залежності струму що протікає, через p-n-перехід від напруги на цьому переході. Для отримання експоненціального підсилювача досить поміняти місцями діод і резистор в схемі простого логарифмічного підсилювача.
Схема найпростішого експоненціального підсилювача.
Вихідна напруга схеми буде в експоненційної залежності від вхідної напруги і обчислюється за наступним виразом
де Iобр - зворотний струм насичення діода,
q - заряд електрона, q ≈ 1,6 * 10 -19 Кл.
UВХ - напруга на діоді,
k - постійна Больцмана, k ≈ 1,38 * 10 -23 Дж / К.
T - абсолютна температура в градусах Кельвіна.
Найпростіший експонентний підсилювач застосовують рідко, в зв'язку з недоліками зумовленими тим, що в роботі діода беруть участь як електрони, так і дірки. На відміну від діодів в роботі транзистора беруть участь або електрони або дірки, в залежності від типу транзистора (n-p-n або p-n-p транзистори). Тому використання транзисторів в експоненційному підсилювачі збільшує температурну стабільність.
Найчастіше застосовують схему експоненціального підсилювача, в якій вхідний транзистор включений за схемою з заземленою базою. Дана схема приведена нижче
Схема експоненціального підсилювача з транзистором у вхідному ланцюзі.
Значення вихідної напруги даної схеми обчислюється за такою формулою
де IЕО - зворотний струм насичення емітера.
Внаслідок того, що транзистори досить чутливі до зворотних напруженням база-емітер (не повинно перевищувати 1 В), то на вході схеми часто ставлять захисний діод для запобігання від негативних вхідних напруг.
Вибір елементів логарифмічних і експоненційних підсилювачів
Операційні підсилювачі для логарифмічних схем повинні мати польові транзистори на вході, так як величина вхідних напруг і струмів зміщення повинна мати мінімальну величину. Для експоненційних ж підсилювачів допустимо використовувати ОУ загального застосування з невеликими зсувами на вході.
Досить часто послідовно з резисторами в схемах підсилювачів застосовують термістори з ТКС приблизно рівним 0,3% / ᵒС, для компенсації температурних змін.
Теорія це добре, але теорія без практики - це просто струс повітря. Перейшовши за посиланням все це можна зробити своїми руками