Логарифмический и антилогарифмический усилители

В качестве примера нелинейных преобразователей аналоговых сигналов рассмотрим два устройства на ОУ – логарифмический и антилогарифмический (экспоненциальный) усилители. Эти усилители находят широкое применение, например, при реализации математических операций умножения и деления.

Логарифмическим называется усилитель, выходное напряжение которого пропорционально логарифму от его входного напряжения.

Для получения логарифмической характеристики в цепь ООС ОУ включают p-n-переход. Это могут быть диод или биполярный транзистор, включенный по схеме с общей базой. Примеры реализации логарифмических усилителей приведены на рисунках 3.19 и 3.20.

Рисунок 3.19 – Логарифмический усилитель на ОУ

с диодом в цепи ООС

Рисунок 3.20 – Логарифмический усилитель на ОУ

с транзистором в цепи ООС

Выражение, связывающее входное и выходное напряжения для схемы с диодом (рисунок 3.19), имеет вид

, (3.32)

где j_T – температурный потенциал (при комнатной температуре j_T » 26 мВ);

I_д0 – обратный (тепловой) ток диода.

Для схемы, приведенной на рисунке 3.20, связь между выходным и входным напряжениями устанавливается выражением

, (3.33)

где I_Э0 – обратный ток эмиттерного перехода.

Как видно из приведенных соотношений, при достаточно малых значениях обратных токов полупроводниковых приборов в обоих устройствах выходное напряжение пропорционально логарифму входного напряжения.

При использовании схем, приведенных на рисунках 3.19 и 3.20, следует иметь ввиду, что при больших токах диода или транзистора приведенные выражения дают значительную погрешность, что является следствием действия собственных активных сопротивлений приборов. Чтобы выполнялись выражения (3.32) и (3.33), необходимо использовать только нелинейный участок прямой ветви ВАХ диода (или, соответственно, входной ВАХ транзистора). Поэтому максимальное выходное напряжение для приведенных схем не должно превышать примерно 0,6 В. При необходимости иметь большие напряжения выходной сигнал схемы должен быть усилен с помощью масштабирующего усилителя.

Логарифмические усилители формируют на выходе напряжение только одной полярности. Так, для схем, рассмотренных ранее, при положительном входном напряжении на выходе схемы формируется отрицательное напряжение. Для получения положительного выходного напряжения при отрицательном входном диод в схеме на рисунке 3.19 необходимо включить в обратном направлении. Аналогичный эффект в схеме на рисунке 3.20 можно получить, если применить транзистор р-п-р-типа.

Антилогарифмическим называется усилитель, выходное напряжение которого пропорционально экспоненциальной функции от его входного напряжения.

Для реализации экспоненциальной зависимости между выходным и входным напряжениями в рассмотренных выше схемах достаточно поменять местами полупроводниковый прибор и резистор (рисунки 3.21 и 3.22).

Рисунок 3.21 – Антилогарифмический усилитель с диодом

Рисунок 3.22 – Антилогарифмический усилитель с транзистором

Выражения, связывающие входное и выходное напряжения для приведенных схем, имеют вид, соответственно

, (3.34)

. (3.35)

В схемах антилогарифмических усилителей также возможно получение выходного напряжения только одной полярности. Так, в устройствах на рисунках 3.21 и 3.22 при положительном входном напряжении на выходе формируется отрицательное напряжение, связанное соотношениями (3.34) или (3.35). Для изменения полярностей входных и выходных сигналов в схеме на рисунке 3.21 диод должен быть включен в обратном направлении, а в схеме на рисунке 3.22 – необходимо использовать транзистор с обратным типом проводимости.