Логарифмический усилитель. 
Схемотехника аналоговых электронных устройств. 
Функциональные узлы

Назначение логарифмического усилителя — преобразование входного напряжения в выходное, изменяющееся по логарифмическому закону:

где N— некоторый коэффициент пропорциональности, а Щ — уровень отсчета. Логарифмический усилитель может быть выполнен на ОУ с диодом в цепи ОС. Ток через/ьл-переход экспоненциально зависит от напряжения на переходе.

Для диода (прямосмещенного) хорошей аппроксимацией ВАХ /_д = Я[ С/д) является зависимость (1.11). Прологарифмировав выражение (1.1 1), получаем соотношение, определяющее напряжение на диоде при заданном токе через него:

Выражение (11.1) определяет достаточно точно связь между током чрез диод и напряжением на нем для маломощных диодов при значениях /_д в пределах (10^-|2-Н0^-3)А.

Рис. 11.1.

На рис. 11.1 приведена схема логарифмического усилителя с диодом.

В схеме на рис. 11.1 потенциал на неинвертирующем входе е₊ = 0. Для идеального ОУ принцип виртуального замыкания обусловливает в = 0. В этом случае входной ток.

а напряжение на диоде

Имеет место нормировка тока. При заданных входных напряжениях выбором резистора R получаем значения токов в желаемом диапазоне. В схеме с идеальным ОУ входной ток — ток в цепи ОС:

⁷ВХ ^{= /}Д;

Таким образом, соотношение (11.1) определяет.

Переход от натурального логарифма к десятичному позволяет записать:

Рис. 11.2.

где U₀ = I_r$R — уровень отсчета.

В качестве диода может применяться транзистор в диодном включении. Также возможно применение в цепи ОС транзисторной структуры (рис. 11.2). Статическая ВАХ прямой передачи представляет собой экспоненциальную зависимость. При заданном токе /_к коллектора напряжение.

Выходное напряжение U_BbiX = t/₆ = — — результат логарифмирования входного напряжения U_BX, задающего входной ток — ток коллектора

К недостаткам рассмотренных усилителей следует отнести:

• а) изменение уровня отсчета при переходе от одного экземпляра к другому из-за разброса параметров диодов (транзисторов);
• б) существенную температурную нестабильность (ток /_RS примерно удваивает свое значение при повышении температуры на каждые 10 °С).

Поэтому при создании таких усилителей предпочтение отдается вариантам, использующим в качестве выходного напряжения.

Рис. 11.3.

напряжение, пропорциональное разности напряжений база—эмиттер пары идентичных транзисторов.

На рис. 11.3 приведен вариант подобного схемного решения. Усилитель рис. 11.3 содержит два корпуса ОУ (/ и 2) и пару идентичных транзисторов. Принцип виртуального замыкания (е ,=е₊₁, а е₊₁=0) определяет величину входного тока:

Входной ток — коллекторный ток транзистора Т:

Ток от опорного источника сигнала (от ГСТ — генератора стабильного постоянного тока) — коллекторный ток транзистора Т₂:

Принцип виртуального замыкания для корпуса 2 определяет.

е.₂=0н U_3K2=U^₂.

Напряжение на базе Г, — напряжение на резисторе R_t: ?/_f)| =U_Rr

Напряжение на этом резисторе задается выходным напряжением:

Для контура «инвертирующий вход 2 — коллектор Т₂—эмиттер Т, — база Т,—резистор R— общая точка» закон Кирхгофа позволяет записать:

Последнее равенство, с учетом предыдущих соотношений, представляется в виде.

Из этого выражения следует:

Связь тока транзистора с напряжением база—эмиттер определяет:

Для идентичных транзисторов /_Д5| =/_Rs₂- В этом случае выходное напряжение усилителя (см. рис. 11.3):

где U_(] = /_оп R — уровень отсчета.

Влияние изменений температуры связано уже только с вариацией величины температурного потенциала. Уменьшить влияние температуры на результат преобразования можно установкой в цепи ОС терморезистора (например, в качестве резистора R, поставить сопротивление с отрицательным ТКС). Если в схеме на рис. 11.1 поменять местами диод и резистор, то получим устройство, выполняющее преобразование в виде степенной функции (антилогарифмирование).

Промышленные логарифмические усилители, выпускаемые рядом фирм в виде микросхем, позволяют осуществлять логарифмирование, вычисление логарифма отношения двух сигналов, компрессию входного сигнала. Для таких ИС к типичным параметрам относятся:

диапазон входных токов 1 нА-НО мА; ток потребления 1^-20 мА; частотный диапазон 100 кГц; диапазон рабочих температур (—40^-+85) °С.

Так, ИС фирмы Burr Brown (Texas Instruments) LOG К) I в диапазоне изменения входного сигнала 5 декад (с полным динамическим диапазоном 7,5 декад) обеспечивает погрешность при логарифмировании не более 0,01%. Диапазон температур (—40^-+85) °С. Ток потребления 2 мА. Прецизионная ИС LOG 104 при тех же параметрах выпускается в сверхминиатюрном корпусе размером 4×4 мм.