Логарифмические усилители

Логарифмические усилители используются чаще всего для следующих целей:

1. Получение значения логарифма некоторой величины.

2. Усиление сигналов с большим динамическим диапазоном. Во многих случаях, в особенности при приеме радиосигналов и оптических сигналов, входная величина изменяется в диапазоне 4-6 десятичных порядков. Если приемное усилительное устройство является линейным, то происходит либо насыщение при большом сигнале, либо потеря слабых сигналов. Логарифмический же усилитель имеет коэффициент усиления, зависящий от величины сигнала таким образом, что максимальные сигналы усиливаются с минимальным коэффициентом усиления, и обратно. Такое преобразование называется сжатием, или компрессией сигнала.

3. Выполнение операций умножения и деления электрических величин. При этом используются следующие элементарные соотношения:

Таким образом, операции умножения и деления заменяются операциями логарифмирования, сложения и потенцирования.

Для получения логарифмической характеристики усилителя необходимо иметь элемент с логарифмической характеристикой и включать его в цепь обратной связи. Примером такого элемента является полупроводниковый p - n -переход, его использование в схеме логарифмического усилителя показано на рис. 2.1, а. Вольтамперная характеристика диода описывается выражением где I _обр – обратный ток диода. В рабочей области, где выполняется условие I >> I _обр, можно принять
Отсюда следует, что

Недостатком логарифмического усилителя с диодом является небольшой диапазон токов, в котором с удовлетворительной точностью соблюдается логарифмическая зависимость – не более двух-трех декад. Больший динамический диапазон обеспечивает логарифмический усилитель с транзистором, включенным по схеме с общей базой (рис. 2.1, б). Напряжение базо-эмиттерного перехода транзистора U _бэ зависит от тока эмиттера I _э следующим образом:

где I _эб0 – обратный ток эмиттерного перехода. Тогда выходное напряжение

(2.1)

Соотношение (2.1) выполняется в диапазоне токов до шести декад (от 10 ^–9 до 10 ^–3 А), при этом погрешность при неизменной температуре не превышает 25 %. Однако описанный усилитель имеет большую температурную погрешность (порядка нескольких процентов на градус), связанную в первую очередь с сильной зависимостью I _ЭБ0 от температуры. Для уменьшения температурной погрешности можно использовать согласованную пару транзисторов, через один из которых протекает постоянный ток, а через другой – ток, зависящий от входного сигнала (рис. 2.2).

Выходной ОУ, выполняющий роль буферного повторителя, передает на выход напряжение базы транзистора VT2, представляющее собой разность напряжений двух эмиттерных переходов:

Как видно, параметры транзисторов не входят в окончательное выражение для U _вых. Поэтому температурная погрешность снижается на порядок.