11.9.5. Логарифмические схемы

Логарифмические и антилогарифмические усилители используются в быстродействующих устройствах возведения в степень, перемножения и деления сигналов, сжатия сигналов. Сжатие (уменьшение) динамического диапазона сигнала применяется для регистрации сигналов, уровень которых изменяется в широких пределах, а так же для повышения КПД усилителей, помехоустойчивости устройств связи. Для логарифмирования и антилогарифмирования сигналов используют ОУ, охваченные нелинейной обратной связью. В качестве элемента обратной связи используется полупроводниковый диод.

Логарифмический усилитель обеспечивает получение на выходе сигнала с переменной составляющей пропорциональной во времени логарифму переменной составляющей сигнала на его входе, и его схема представлена на рис. 11.16.

Т ок, протекающий через диод в цепи обратной связи, описывается выражением

. (11.27)

Падение напряжение на диоде равно и противоположно по фазе выходному напряжению и определяется из (11.27)

. (11.28)

Учитывая, что для построения усилителя используется идеальный ОУ, то

, (11.29)

. (11.30)

Используя уравнение (11.30), строится теоретическая передаточная характеристика, представленная на рис. 11.17 штриховой линией, а сплошной линией изображена передаточная характеристика, полученная экспериментально. Экспериментальная передаточная характеристика совпадает с теоретической только в диапазоне значений входного напряжения от до .

У часток передаточной характеристики, где теоретическая и экспериментальная характеристики совпадают, называют динамическим диапазоном логарифмирования: Д=U_вх2/U_вх1. Выходное напряжение логарифмического усилителя имеет только одну полярность, которая определяется включением диода. Логарифмический усилитель, схема которого изображена на рис. 11.16, имеет на выходе напряжение отрицательной полярности при подаче на вход положительного сигнала.

Для получения выходного напряжения как положительной, так и отрицательной полярности при подаче на вход знакопеременного входного сигнала логарифмический усилитель строят по схеме, представленной на рис. 11.18,а.

Передаточная характеристика такого усилителя, представленная на рис. 11.18,б, симметрична относительно начала координат. Наклон этой характеристики определяется отношением R₂/R₁. При малых входных сигналах сопротивления диодов велики, и заметное влияние на передаточную характеристику оказывает резистор R₂. Кроме того, он уменьшает сдвиг нуля выходного напряжения ОУ, повышает стабильность усиления за счет увеличения глубины отрицательной обратной связи.

Недостатком логарифмических усилителей, схема которых представлена на рис. 11.18,а, является небольшое выходное напряжение, которое достигает максимума вблизи 0,6 В. Для получения больших значений выходного напряжения логарифмированный сигнал еще дополнительно усиливают.

Логарифмирование с большей точностью можно осуществить, если вместо диода в цепи ОС использовать транзистор, включенный по схеме с общей базой. Схема такого усилителя представлена на рис. 11.19.

В ыходное напряжение определяется падением напряжения на открытом эмиттерном переходе транзистора. Коллекторная нагрузка транзистора равна R₁||R_вх ОУ и является высокоомной. Выходное напряжение будет отрицательным при положительном входном напряжении. Для получения положительного выходного напряжения при отрицательном входном необходимо в цепи обратной связи использовать транзистор p–n–p типа. Для построения двухстороннего логарифмирующего устройства в цепи ОС необходимо включать параллельно два транзистора различных типов проводимости.