2.4.2. Логарифмирующие и экспоненциальные преобразователи

В функциональных преобразователях этого типа используются нелинейные свойства р-п-переходов диодов или биполярных транзисторов, смещенных в прямом направлении.

Использование биполярных транзисторов дает лучшие результаты по точности. Обычно их включают в цепь обратной связи операционных усилителей по схеме с заземленной базой (рис. 2.29 а) или по схеме диодного включения (рис. 2.29 б).

Рис. 2.29. Схема логарифмирования на транзисторах

В обеих схемах выходное напряжение определяется соотношением

, (2.18)

где k – постоянная Больцмана; Т – температура в градусах Кельвина; q – заряд электрона; I_co – обратный ток насыщения, который для малошумящих транзисторов при комнатной температуре составляет около 0.1 нА.

Для схемы рис. 2.29а рабочий динамический диапазон составляет 140 дБ, а для схемы рис. 2.29б – 80 дБ, но последняя схема менее склонна к самовозбуждению и обладает большим быстродействием. Приведенные на рис. 2.29 схемы работают при положительных входных напряжениях. Для работы с отрицательным напряжением в схеме рис. 2.29б эмиттер с коллектором меняются местами.

Для защиты транзисторов от перенапряжения ставят дополнительные защитные диоды.

Схема на рис. 2.29а может самовозбуждаться из-за того, что VT1 работает в режиме усиления, создавая контур обратной связи. Для предотвращения самовозбуждения используют цепи емкостной коррекции по цепи обратной связи.

Экспоненциальные преобразователи (рис. 2.30) строят обычно, используя биполярные транзисторы, включаемые по схеме с заземленной базой.

Рис.2.30. Электрическая схема экспоненциального преобразователя

Для этой схемы при условии выполняется соотношение

. (2.19)

Схема (рис. 2.30) работает в диапазоне положительных входных напряжений. Диод VD1 защищает VT1 от перенапряжения при отрицательных входных напряжениях.

Промышленностью выпускаются различные типы преобразователей этого типа, например, SSM2100, ICL8049 и др.

2.4.3. Выпрямители

В традиционных выпрямительных схемах используются пассивные диодные цепи, погрешность работы которых определяется достаточно большим падением напряжения на открытых диодах и нелинейностью их вольтамперных характеристик.

В задачах, где требуется точное преобразование сигналов при их выпрямлении особенно в диапазонах малых сигналов, рекомендуется использовать схемы прецизионных выпрямителей, строящиеся на основе операционных усилителей с диодными цепочками.

Для выделения составляющих только одной полярности используют схемы однополупериодного выпрямления (рис. 2.31), работающие в заданных квадратных входных и выходных напряжений.

Рис. 2.31. Электрические схемы однополупериодных выпрямителей.

В схеме 2.31а при отрицательном входном сигнале диод VD2 «замыкается» на землю, создавая нулевой потенциал на выходе. При положительном входном сигнале диод VD2 закрыт, а диод VD1 открыт, создавая отрицательную обратную связь неинвертирующего усилителя через резистор R2. Наклон выходной характеристики схемы (коэффициент передачи) определяется выражением

.

Следует отметить, что в этом режиме выход ОУ периодически «закорачивается» на землю, что предъявляет определенные требования к его выходным каскадам.

Аналогично работает схема рис. 2.31 в, открывая диод VD2 при положительном входном сигнале, а диод VD1 – при отрицательном.

В схеме рис. 2.31 б при положительном входном сигнале, напряжение на выходе ОУ отрицательно, что обеспечивает закрытая VD1 и открытая VD2. При этом VD2 не дает ОУ войти в режим насыщения, тем самым сокращая время перехода ОУ в режим передачи сигнала при переходе входного сигнала из положительной в отрицательную область. В отрицательной области входного сигнала диод VD1 открывается, включая отрицательную обратную связь, в результате чего без учета сопротивления открытого диода VD1 выполняется соотношение

.

Аналогично работает схема рис. 2.31г в четвертом квадранте выходной характеристики.

Во всех случаях диод VD2 не дает ОУ выходить в режим насыщения, что повышает быстродействие работы схем однополупериодного выпрямления.

Основным недостатком схем, представленных на рис. 2.31, является их высокое и нелинейное выходное сопротивление.

Для определения абсолютного значения анализируемых сигналов и выпрямления обеих полуволн входных напряжений, используются схемы двухполупериодного выпрямления (рис. 2.32).

Рис. 2.32. Электрические схемы двухполупериодных выпрямителей.

Схема рис. 2.32 а (схема с незаземленной нагрузкой) часто используется при работе на измерительный прибор, в качестве которого изображен резистор R₂. Мостовая схема выпрямляет обе полуволны в соответствии с выражением

.

Эта схема не требует согласования резисторов R₁ и R₂ и обладает высоким входным сопротивлением.

На рис. 2.32 б приведена схема высококачественного прецизионного двухполупериодного выпрямителя с заземленной нагрузкой. Рассмотрим принцип работы этой схемы при R₁=R₂.

При U_вх<0 диод VD1 открыт, а VD2 – закрыт, поэтому потенциалы входов ОУ А2 практически равны нулю, а напряжение на инвертирующем входе ОУ А1 совпадает со входным напряжением. С учетом равенства сопротивлений R₁ и R₂

.

При U_вх>0 диод VD1 закрыт, а VD2 – открыт. При условии идеальности ОУ токи через резисторы R₁ и R₂ равны нулю, а напряжение на выходе ОУ А2 совпадает с потенциалом инвертирующего входа ОУ А1 и как следствие с U_вх. То есть U_вых=U_вх.

Учитывая, что при U_вх>0 ОУ А1 не имеет обратной связи, он может выйти на неустойчивый режим работы. Для предотвращения этого режима в схему включен корректирующий конденсатор С₁.

Схемы, приведенные на рис. 2.31 и 2.32, при работе на переменном токе не сглаживают его пульсаций. В вариантах, когда необходимо получать постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде входного или импульсного напряжения, используются емкостные элементы согласования (рис. 2.32).

На рис. 2.32а показана схема простейшего амплитудного выпрямителя. При U_вх>0 конденсатор С заряжается до амплитуды входного сигнала выходным током ОУ, проходящим через открытый диод. При этом неравное нулю падение напряжения на открытом диоде не будет приводить к погрешности, т.к. диод включен в прямую цепь замкнутого контура. Когда напряжение U_вх примет значение меньше, чем амплитудное (максимальное), то за счет того, что на инвертирующем входе ОУ напряжение станет меньше, чем на инвертирующем входе, напряжение на выходе ОУ станет отрицательным и диод закроется. В дальнейшем диод будет закрыт до тех пор, пока входное напряжение не превысит напряжения запомненного на конденсаторе С. Резисторы R₁ и R₂ в этой схеме не обязательны. Резистор R₁ ограничивает ток разряда конденсатора через входную цепь ОУ при выключении напряжения питания. Резистор R₂ ограничивает выходной ток ОУ при заряде конденсатора и способствует повышению устойчивости цепи. Последующие устройства должны иметь высокое входное сопротивление. В реальных условиях емкость разряжается через R_н и коэффициент пульсаций можно ориентировочно оценить формулой 1/(2ρfCR_н), где f - частота входного сигнала.

Рис. 2.32. Типовые схемы амплитудных выпрямителей

Амплитудный выпрямитель, схема которого приведена на рис. 2.33б имеет низкое выходное сопротивление благодаря повторителю А₂ Цепочка VD₂, R₁ исключает перегрузку усилителя по входу при отрицательном входном сигнале, а цепочка VD₃, R₂ препятствует разряду конденсатора обратным током диода VD₁ Резистор R₂ обеспечивает эквипотенциальность зажимов диода VD₁ при отрицательном входном сигнале.