Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микроэлектроника. Лабораторный практикум. Учебно-методическое пособие
.pdf
рис. 2.2. Емкость конденсатора C подбирается при настройке схемы и
обычно лежит в пределах от 100 до 1000 пФ, сопротивление резистора
составляет, как правило, 1…3 кОм.
R
3
ЛУ VT
С
120
U
R2
51к
вх
2
3
R3
6
1к
U
вых
Рис. 2.2. Схема логарифмического усилителя (транзистор в диодном
включении) с корректирующими элементами
3. Снять амплитудную характеристику логарифмического усили-
теля U
= f (Uвх), подавая на его вход постоянное напряжение через по-
вых
тенциометр (рис. 2.3) и контролируя выходной сигнал осциллографом с
целью не допустить самовозбуждение схемы. При снятии амплитудной
характеристики ЛУ к резистору R
подключаем постоянное напряжение
1
от источника питания +15 В. Измерения (10…15 точек) проводить с помощью цифрового вольтметра.
ЛУ
VT
U
+
7
4
п
6
U
вых
U
-
п
R1
U
+
2.2к
п
U
R2
51к
вх
2
3
Рис. 2.3. Схема для снятия амплитудной характеристики ЛУ
21
4. Собрать логарифмический усилитель по схеме рис. 2.4 (транзи-
стор с заземленной базой) и убедиться в его работоспособности, подав
на вход положительную полуволну синусоидального напряжения (аналогично п. 1).
Внимание! Поскольку данная схема обладает повышенной склон-
ностью к самовозбуждению, корректирующие элементы С и R
необхо-
3
димо включить в схему сразу (аналогично рис. 2.2). Если конденсатора
емкостью 120 пФ будет недостаточно для устранения самовозбуждения в
схеме, нужно заменить его конденсатором большей емкости (1,2 нФ).
Убрать из схемы корректирующий конденсатор С. Наблюдая
5.
осциллографом выходное напряжение ЛУ, определить частоту паразитных колебаний, вызванных процессом самовозбуждения. Вернуть корректирующий конденсатор С обратно в схему.
ЛУ VT
ЗЦ
С
120
VD
U
ген
R1
1к
Рис. 2.4. Схема для проверки работоспособности
логарифмического усилителя (транзистор с заземленной базой)
6. Снять амплитудную характеристику ЛУ (рис. 2.5). Наблюдая
осциллографом выходное напряжение, контролировать отсутствие самовозбуждения ЛУ (аналогично п. 3).
Построить амплитудные характеристики предложенных схем
7.
ЛУ в одних осях и сравнить их с графиком натурального логарифма
(качественно). При построении графика логарифма подберите коэффи-
циент k (см. формулу 2.1) таким образом, чтобы расчетный график проходил как можно ближе к экспериментальному.
U
вх
R2
51к
2
3
R3
6
1к
U
вых
22
ЛУ VT
С
120
R3
6
1к
U
вых
R1
+
U
п
U
R2
51к
вх
2
3
2.2к
Рис. 2.5. Схема для снятия амплитудной характеристики ЛУ
(транзистор с заземленной базой)
8. Собрать схему антилогарифмического усилителя (АЛУ) по
схеме рис. 2.6. Убедиться в её работоспособности, подав через защитную цепь VD, R
на вход положительную полуволну синусоидального
1
напряжения. Установить величину сигнала на выходе генератора 0,4 В,
частота – 1 кГц. После включения схемы плавно уменьшать амплитуду
входного сигнала до исключения насыщения операционного усилителя.
АЛУ
R2VT5.1к
ЗЦ
+U
7
п
VD
2
-U
6
U
вых
п
U
ген
R1
1к
Рис. 2.6. Антилогарифмический усилитель
U
вх
23
3
4
9. Зарисовать сфазированные осциллограммы напряжений на выходе генератора, на входе и выходе усилителя с характерными для АЛУ
нелинейными искажениями синусоидального напряжения.
Снять амплитудную характеристику антилогарифмического уси-
10.
лителя (рис. 2.7). Напряжение на потенциометр R
подавать с
выхода I лабораторного источника питания (установите ми-
в этой схеме нужно
1
нимально возможное для этого выхода значение напряжения 3 В).
АЛУ
+3В
VT
R1
U
вх
2.2к
Рис. 2.7. Схема для снятия амплитудной характеристики АЛУ
R2
7
2
3
4
+U
-U
5.1к
п
6
п
U
вых
11. Оценить погрешность антилогарифмирования, сравнив амплитудную характеристику с графиком экспоненты (построив их на одном
графике).
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Логарифмический усилитель
Логарифмическим усилителем называют электронный усилитель, в
котором выходное напряжение пропорционально логарифму от входного.
Амплитудная характеристика такого усилителя удовлетворяет уравнению
U
= k · lg(Uвх). (2.1)
вых
Применяют логарифмические усилители для сжатия (компрессии)
аналоговых сигналов и выполнения операций умножения. Используются в детекторах и системах измерения, когда требуется получить выходное напряжение в шкале дБ (аудиоустройства, радиотехника и т. п.). Вот
лишь некоторые применения ЛУ: приёмники в частотных и фазовых
модуляторах, индикаторы уровня сигнала, системы обработки сигнала
24
в
радарах и сонарах, измерители оптической плотности, составная часть
I
I
анализаторов спектра, системы контроля передаваемой мощности в передатчиках сигнала в системах GSM (Global System for Mobile
Communications), CDMA (Code Division Multiple Access – множественный доступ с кодовым разделением), TDMA (Time Division Multiple
Access – множественный доступ с разделением по времени), а также индикация принимаемого сигнала RSSI (Received Signal Strength Indicator).
Нелинейная амплитудная характеристика усилителя может быть
получена путем включения нелинейного элемента
либо во входную
цепь операционного усилителя (ОУ), либо в цепь отрицательной обратной связи (ООС).
Iос=I
вх
VD
I
a
ВАХ диода
U
ак
U
вх
I
вх
R
U
вых
I
0
Рис. 2.8. Логарифмический усилитель с диодом в цепи обратной связи
Рассмотрим схему усилителя на рис. 2.8. В этой схеме в цепь ООС
ОУ включен полупроводниковый диод, прямая ветвь вольтамперной
характеристики которого описывается выражением
где I
Um Um
TT
IIe Ie
a0 0
– прямой ток диода;
a
– обратный ток диода;
I
0
U
– напряжение между анодом и катодом;
ак
26 мВ – тепловой потенциал p-n-перехода;
φ
Т
1
, (2.2)
ак/ ак/
m – корректирующий множитель (≈1).
Прологарифмируем выражение (2.2) и, решив его относительно
, получим:
U
ак
Um
ак
T
a
. (2.3)
ln
0
25
Считая операционный усилитель идеальным, можно записать, что
R
= –Uак, а Iос = Iвх = Uвх/R. После подстановки в (2.3) получим:
U
вых
U
вх
Um
вых
ln
T
. (2.4)
I
0
Поскольку в правой части выражения (2.4) параметры m, φ
в явном виде от U
не зависят, то можно записать:
вх
lnUkU
вых вх
.
, R, I0
Т
Таким образом, рассматриваемая схема является логарифмическим
усилителем. В реальных условиях величина корректирующего множителя m зависит от величины анодного тока диода, поэтому удовлетворительное логарифмирование входного напряжения в рассматриваемой
схеме возможно только в относительно узком диапазоне входного тока
(в пределах двух-трех декад).
Применение в качестве элемента нелинейной обратной связи
тран-
зистора позволяет расширить динамический диапазон входного сигнала.
VT
Входная характеристика
Iос=I
к
вх
R
I
транзистора в схеме ОБ
I
э
U
вх
U
вых
U
эб
Рис. 2.9. Логарифмический усилитель с транзистором в цепи обратной
связи, включенным по схеме с заземлённой базой
Рассмотрим схему логарифмического усилителя, приведенную на
рис. 2.9, в которой в качестве нелинейного элемента используется транзистор, включенный по схеме с общей базой.
Для этой схемы током обратной связи является ток коллектора
транзистора I
= Iк. В свою очередь, Iк = α·Iэ, где α – коэффициент пере-
ос
дачи тока в схеме с общей базой. Вольтамперная характеристика эмиттерного перехода описывается выражением
бэ/
Um
T
где I
IIe
ээ0
– ток эмиттера транзистора;
э
26
1
, (2.5)
Iэ0 – обратный ток эмиттерного перехода, который на 3–4 порядка
R
R
меньше обратного тока коллектора.
С учетом (2.5) выражение для тока коллектора транзистора примет вид
бэ/ бэ/
Um Um
TT
IIe Ie
кэ0 э 0
1
.
Решив это уравнение относительно U
(после логарифмирования),
бэ
получим:
I
Учитывая, что U
Um
бэ
= –Uбэ, а Iк = Iвх = Uвх/R, выражение (2.6) при-
вых
T
к
ln ln
I
э0
. (2.6)
мет вид
U
Um
вых
T
вх
ln ln
RI
э0
. (2.7)
В литературе [2] показано, что корректирующий множитель m и коэффициент передачи тока эмиттера α имеют противоположную зависимость
от входного тока, поэтому выражение (2.7) можно переписать в виде
U
U
вых
T
ln
вх
, (2.8)
I
э0
где γ – коэффициент пропорциональности, который слабо зависит от
входного тока в широком диапазоне от 10
–12
до 10–3 А и приблизительно
равен единице.
Поэтому логарифмический усилитель с транзистором в цепи обратной связи имеет лучшую точность и более широкий динамический диапазон по сравнению с усилителем на диоде. Рассмотренная схема ЛУ получила название схемы с транзистором с заземленной базой. Кроме того, часто ЛУ строят по схеме,
приведенной на рис. 2.10, известной под названи-
ем «логарифмический усилитель с транзистором в диодном включении».
В этой схеме током обратной связи является ток эмиттера I
Учитывая, что U
= –Uбэ, Iос = Iвх = Uвх/R, а также с учетом выра-
вых
= Iэ.
ос
жения (5) получим:
U
Um
вых
T
ln
вх
. (2.9)
I
э0
Полезный диапазон входного тока в данной схеме составляет от
–9
10
до 10–3 А.
Отметим, что соотношение между натуральным и десятичным логарифмами – величина постоянная. Таким образом, переход от нату-
27
рального логарифма к десятичному и наоборот осуществляется соглас-
x
но простейшим формулам:
lg( ) 0,4343ln( )
x
ln( ) 2,303lg( )xx
;
.
VT
=I
I
ос
э
I
вх
U
вх
Рис. 2.10. Логарифмический усилитель с транзистором в диодном включении
Обратите внимание, что выходное напряжение логарифмических
усилителей – величина относительно небольшая (ведь это напряжение на
прямосмещённом p-n-переходе) и составляет десятки-сотни милливольт.
Антилогарифмический усилитель
Антилогарифмический (экспоненциальный) усилитель предназначен для выполнения операций, обратных операции логарифмирования.
R
U
вых
R
Iос=I
э
VT
U
вх
Рис. 2.11. Антилогарифмический усилитель с транзистором
в диодном включении
28
U
вых
Рассмотрим схему, приведенную на рис. 2.11, в которой нелиней-
ный элемент – транзистор – включен во входную цепь операционного
усилителя, а в цепи обратной связи включен резистор. Для этой схемы
RIU
освых
.
Если операционный усилитель считать идеальным, то ток обратной
связи I
равен входному току схемы. В рассматриваемой схеме входной
ос
ток схемы является током эмиттера транзистора VT, который связан с
входным напряжением соотношением (2.5), поэтому можно записать:
вх/
Um
T
UIRе
вых 0
э
1
. (2.10)
Откуда следует, что выходное напряжение в рассматриваемой схеме является экспонентой, зависящей от U
ма является антилогарифмическим усилителем. Величина
. Таким образом, данная схе-
вх
/
Umе
вх
T
1
,
поэтому в выражении (2.10) единицей в скобках можно пренебречь.
Учитывая это, получим:
вх/ φ
Um
Ukе
вых
T
, (2.11)
где k = –I
э0
·R.
Допускается использовать транзистор по схеме с заземлённой базой, при этом входное напряжение должно быть приложено к его базаэмиттерному переходу.
Недостатком антилогарифмического усилителя является его низкое
входное сопротивление.
Интегральные логарифмические усилители
Выпускаются интегральные микросхемы логарифмических преобразователей, например ICL8048 (Intersil), LOG100 (Burr-Brown).
Функциональная схема интегрального логарифмического усилителя ICL8048 приведена на рис. 2.12. Известно, что обратный ток эмиттерного перехода I
зависит от температуры, поэтому передаточная ха-
э0
рактеристика простейших схем логарифмического усилителя (см. рис.
2.9, 2.10) также существенно зависит от температуры. Чтобы повысить
точность преобразования в интегральных логарифмических усилителях
используют температурную компенсацию. Дифференциальное включение двух согласованных по параметрам транзисторов VT
и VT2 позво-
1
ляет исключить влияние теплового тока.
С помощью резистора R
зистора VT
ния U
оп
), а с помощью резистора R4 и источника опорного напряже-
1
– постоянный эталонный ток Iоп для транзистора VT2. Тогда к
задают входной ток ЛУ (он же ток тран-
1
29
неинвертирующему входу операционного усилителя DA2 прикладывает-
ся разность напряжений база-эмиттер этих двух транзисторов:
UUUmII II
вх.2 бэ2 бэ1 оп э0 э1 э 0
DA T
ln ln ln ln
mI I
ln ln .
T
оп э1
Учитывая, что ток эмиттера первого транзистора примерно равен
входному току I
рующий масштабный усилитель) равен
, а коэффициент усиления каскада на DA2 (неинверти-
вх
1 RR
, можем записать вы-
56
ражение для выходного напряжения
RR
55
11φ ln ln
UU II
вых вх.2 оп вх
RR
66
DA T
RU
1lnln.
RR
5 вх
61
I
T
оп
Видно, что в последнем выражении отсутствует составляющая I
и температурная зависимость U
потенциалом
.
T
определяется лишь температурным
вых
U
R4
оп
I
оп
,
э0
16
VT1
VT2
ICL8048
R3
U
вх
вх
R2
2
1
DA1
DA2
R1
I
R5
715
U
DA1
R6
Рис. 2.12. Функциональная схема логарифмического усилителя ICL8048
10
U
вых
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]