Нелинейными функциональными преобразователями сигналов называют электронные схемы, выходные сигналы которых являются нелинейными функциями входных. Логарифмические преобразователи (иногда их называют логарифмическими усилителями, что неверно, так как логарифмирование – процесс нелинейный, а усиление – линейный) получают посредством включения в цепь обратной связи ОУ нелинейного элемента, сопротивление которого меняется при изменении приложенного к нему напряжения. В качестве такого элемента обычно используют диод (рис. 5.20) или транзистор.
|
| Рис. 5.20 |
При этом достаточную для практики точность обеспечивает аппроксимация вольт-амперной характеристики p – n -перехода логарифмической функцией (на самом деле зависимость тока через открытый диод представляет собой дробно-степенную функцию). Так, для всех трех указанных схем можно записать:
U выx = –U н. э = – N lg(I вx / I 0) = –N lg(U вx / I 0 R 1) =
= –N lg(U вx) + N lg(I 0 R 1) = –N lg(U вx),
где U вx – напряжение на входе схемы; U выx – выходное напряжение схемы; U н.э– напряжение на нелинейном элементе (диоде или транзисторе); I вx – входной ток схемы (и одновременно, в силу огромного значения входного сопротивления ОУ, ток через нелинейный элемент); I 0– обратный ток диода или ток неосновных носителей p – n -перехода «эмиттер – база» транзистора; N – масштабный коэффициент; значение R 1 подбирают таким, чтобы выполнялось равенство I 0 R 1 = 1 В. Диодная схема (рис. 5.20) обладает большим динамическим диапазоном входных напряжений (до 7 декад), однако она может работать только с однополярным входным сигналом. Транзисторная схема работает с разнополярными входными сигналами, однако точность логарифмирования при ее использовании ниже, чем при использовании диодной схемы, и динамический диапазон меньше (4…6 декад). Наличие транзистора в обратной связи ОУ способствует повышению склонности схемы к самовозбуждению. В качестве противодействия такому нежелательному явлению в цепь эмиттера транзистора включают сопротивление. Схема логарифмического преобразователя является инвертирующей, так как входное напряжение подается на инвертирующий вход ОУ.
| 
|
| Рис. 5.21 | Рис. 5.22 |
На ином принципе построена схема логарифмического преобразователя с кусочно-линейной аппроксимацией (КЛА) амплитудной характеристики (рис. 5.21). Получение кусочно-линейной аппроксимации логаримической зависимости с помощью схемы рис. 5.21 поясняют графики рис. 5.22.
В этой схеме не используется какая-либо нелинейность и логарифмическая зависимость заменяется кусочной аппроксимацией с помощью ломаной линии.
Фактически схема представляет собой линейный инвертирующий усилитель на ОУ, у которого коэффициент усиления КU зависит от уровня входного сигнала. Входной сигнал сравнивается с многочисленными порогами, формируемыми резистивным делителем. Если порог превышен, то открывается диод, включенный в цепь обратной связи усилителя и эта цепь начинает влиять на значение КU = − R ос/ R вx.
Сопротивления R во всех цепях обратной связи одинаковы. Если превышен только самый нижний порог, то включена одна цепь обратной связи, R ос = R, КU = − R / R вx; при превышении второго порога появляется вторая цепь, параллельная первой и R ос = R /2, КU = − R /2 R вx (в два раза меньше, чем при самом малом входном сигнале), далее R ос по мере превышения все новых порогов принимает значения R ос = R /3, R ос = R /4ит. д., а КU, соответственно, снижается в 3, 4 раза и т. д.
