Антилогарифмирующий усилитель

 

Это устройство, у которого выходное напряжение пропорционально во

времени антилогарифму входного напряжения. Для нахождения по значению логарифмов исходных величин необходимо найти значение экспоненциальной функции от логарифма e^{ln x} = x. Антилогарифм определяется как экспонента логарифма. Для выполнения этой операции на входе ОУ включается транзистор, а в цепи ОС резистор, как показано на рис. 11.20.

Так как ток в цепи коллектора связан с током эмиттера следующей зависимостью , а напряжение на выходе U_выx = RI_oc = –RI_k, то величина выходного напряжения равна

. (11.31)

Для получения положительного выходного напряжения при отрицательном входном, на входе схемы необходимо включать транзистор n–p–n типа. Входное сопротивление антилогарифмического усилителя мало и определяется сопротивлением открытого транзистора (эмиттерного перехода).

Глава 12

КОМПАРАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

 

Компараторы предназначены для сравнения двух входных сигналов и скачкообразного изменения выходного напряжения в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого. Один из входных сигналов называют опорным. Компараторы являются специализированными ОУ с дифференциальными входами и одиночным или парафазным цифровым выходом. На один вход компаратора подается исследуемый сигнал, на другой – опорный сигнал. Компараторы используются в самых различных областях: для сравнения уровня сигнала с пороговым значением, для получения прямоугольных сигналов из треугольных, в усилителях класса D, при импульсно-кодовой модуляции, для переключения источников питания, включения освещения и отопления и т.д. Основная идея при построении компаратора заключается в том, что транзистор выходного каскада должен включаться или выключаться в зависимости от уровня входных сигналов. Работа схемы основывается на том, что один из двух выходных транзисторов в любой момент находится в режиме отсечки. На выходе компаратора формируются сигналы высокого логического уровня, если разность входных сигналов меньше напряжения срабатывания компаратора или низкого логического уровня, если разность входных сигналов превышает напряжение срабатывания компаратора. В связи с этим приемником выходных сигналов компараторов являются схемы ТТЛ, ЭСЛ или КМОП логики. Любой ОУ может быть использован в качестве компаратора, однако промышленностью выпускается большое число специально спроектированных компараторов:

– общего применения (К521СА2, К521СА5, K554CA2),

– прецизионные (К521САЗ, К597САЗ),

– быстродействующие (К597СА1, К597СА2),

– специализированные (K521CAl, К521СА4, K1121СА1, K1401СA1).

Точность измерения компаратора характеризуется напряжением, на которое необходимо превысить уровень опорного напряжения, чтобы выходное напряжение достигло порога срабатывания логической схемы. Точностные параметры компараторов определяются параметрами ОУ. Компараторы должны обладать низким напряжением сдвига, низким значением тока смещения, устойчиво работать без самовозбуждения. Входным каскадом компаратора является дифференциальный каскад, обеспечивающий очень слабую чувствительность к синфазным входным сигналам. А так как компараторы нагружаются логическими схемами (КМОП и ТТЛ логики), обладающими временем переключения десятки наносекунд, то необходимо, чтобы и компараторы обладали таким же 6ыстродействием.

Основными параметрами компараторов являются: чувствительность (точность, с которой компаратор может различить входной и опорный сигнал), быстродействие t_здр (определяемое временем от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение достигает порога срабатывания логической схемы), нагрузочная способность (способность компаратора управлять определенным числом входов цифровых устройств).

Для повышения быстродействия компараторов необходимо, чтобы транзисторы схемы работали в активном режиме или быстро выходили из состояния насыщения. Это обеспечивается применением транзисторов с барьером Шотки. В быстродействующих интегральных компараторах почти все используемые транзисторы являются транзисторами с барьером Шотки.

Скоростные компараторы обычно делают с двумя противофазными цифровыми выходами, что позволяет в последующих цифровых устройствах исключить несколько ключей и тем самым повысить быстродействие всей схемы. Часто для повышения быстродействия компараторов полупроводник легируют золотом, что уменьшает время жизни неосновных носителей и способствует быстрому выходу транзистора из режима насыщения. Рассмотрим работу компаратора с использованием обычного ОУ в диапазоне низких частот, представленного на рис. 12.1,a.

На инвертирующий вход подается постоянное положительное опорное напряжение величиной U_oп, а на неинвертирующий вход – синусоидальное напряжение. На выходе компаратора за счет большого коэффициента усиления ОУ получается последовательность почти прямоугольных импульсов (рис. 12.1,б). Переключение схемы происходит тогда, когда U_вх = U_oп, однако реальный ОУ имеет небольшой входной ток и ненулевое напряжение смещения нуля, что вносит ошибки в работу компараторов, сдвигая моменты переключения в одну или другую сторону. При наличии большого дифференциального входного напряжения для защиты микросхемы на входе включаются встречно-параллельно два диода (pис. 12.1,а), которые с резисторами R₁ и R₂ образуют ограничители. Роль резисторов могут выполнять внутренние сопротивления источников напряжений U_oп и U_вх.

Если напряжение опорного сигнала равно нулю, то компаратор называют нуль-индикатором или детектором нулевого уровня. При необходимости сравнения двух разнополярных напряжений входной и опорный сигналы подаются на один вход (обычно инвертирующий) (рис. 12.2,а). Для компенсации ошибки, вызванной входным током, второй вход заземляется через резистор R₃. Обычно R₃ выбирают из условия R₃ = R₁||R₂. Достоинство одновходовой схемы в том, что отсутствует синфазная составляющая входных напряжений, что в свою очередь уменьшает ошибку, обусловленную недостаточным ослаблением синфазных помех. Срабатывание схемы при равенстве R₁ = R₂ происходит когда U_вх = –U_oп (рис 12.2, б).

При очень медленных изменениях или малых амплитудах входного сигнала время переключения схемы сравнения зависит от скорости изменения входного напряжения, частоты единичного усиления и коэффициента усиления ОУ.

Для лавиноо6разного переключения компаратора его охватывают петлей положительной обратной связи, подавая ее на неинвертирующий вход (рис. 12.3,а) с помощью резисторов R₁ и R₂.

Такие компараторы называют регенеративными. Компаратор в данной схеме срабатывает в моменты времени, когда входной сигнал равен или превышает предельное U_п (максимальное) значение напряжения обратной связи

.

Задержка переключения на величину (U_п называют гистерезисом. Передаточная характеристика имеет вид замкнутого контура (рис. 12.3,б), который называют петлей гистерезиса. Наличие напряжения порога срабатывания уменьшает воздействие шумов на входе компаратора, но уменьшает точность срабатывания. При работе компаратора в диапазоне высоких частот часто резистор R₂ шунтируют небольшой емкостью. Наличие двух устойчивых состояний компаратора, охваченного положительной обратной связью, превращает его в триггер. Если подается только входной сигнал, а опорный отсутствуют, то триггер срабатывает по уровню напряжения U_п, которое регулируется резисторами R₁ и R₂, и такое устройство называется триггером Шмитта. Он используется для преобразования переменного сигнала любой формы в последовательность прямоугольных импульсов. Для согласования компараторов с цифровыми логическими схемами верхний предел выходного напряжения должен составлять величину порядка +3,5 В, что соответствует логической единице, а нижний, соответствующий логическому нулю, лежать в диапазоне –0,5…+1,4 В. В компараторе обычно имеется три каскада, как и в ОУ: входной дифференциальный усилитель, промежуточный усилитель и выходной каскад (выходной формирователь). Рассмотрим принципиальную электрическую схему и условное графическое обозначение компаратора К554СА2 (рис. 12.4).

Компаратор К554СА2 имеет два дифференциальных усилительных каскада, выходной эмиттерный повторитель, стабилитронные схемы сдвига уровня и цепь ограничения амплитуды выходного сигнала. Дифференциальный входной каскад, собранный на транзисторах VT₁ и VT₄, имеет малое напряжение смещения нуля. В эмиттерных цепях входного каскада включен генератор стабильного тока на транзисторах VT₅ и VT₁₀, за счет чего коллекторные токи транзисторов VT₁ и VT₄ почти не зависят от входного синфазного сигнала. Второй дифференциальный каскад собран на транзисторах VT₃ и VT₆ и имеет балансную схему подачи смещения. В сбалансированном состоянии выходное напряжение этого каскада при колебании положительного напряжения питания не изменяется. За счет этого фиксируется потенциал базы транзистора VT₂. При увеличении положительного напряжения питания коллекторные токи транзисторов VT₃ и VT₆ так же увеличиваются, оставляя напряжение на коллекторе транзистора VT₃ постоянным. Нагрузкой второго дифференциального каскада является эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе VT₈. Стабилитрон VD₁, включенный в эмиттерные цепи транзисторов VT₃ и VT₆ второго каскада, рассчитан на опорное напряжение +6,2 В. Благодаря этому потенциалы баз транзисторов VT₃ и VT₆ фиксируются примерно на уровне +6,9 В. А это значит, что допустимое входное напряжение сигнала на входах компаратора приближается к 7 В. Стабилитрон VD₂, включенный в эмиттер транзистора VT₈, сдвигает уровень выходного сигнала "вниз" на 6,2 В, что обеспечивает согласование выхода компаратора со входом цифровых микросхем ТТЛ серий. Транзистор VT₉ изолирует выход схемы от генератора стабильного тока входного каскада, собранного на транзисторе VT₅ и транзисторе VT₁₀, имеющего диодное включение. Транзистор VT₇ за счет диодного включения ограничивает размах выходного положительного сигнала. При уровне сигнала на выходе более +4 В транзистор VT₇ открывается и шунтирует выход второго каскада. Ограничение амплитуды выходного сигнала значительно увеличивает быстродействие компаратора.

Глава 13