Логарифмический преобразователь

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 К_U 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 К_U = − 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, К_U = − R / R _вx; при превышении второго порога появляется вторая цепь, параллельная первой и R _ос = R /2, К_U = − 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 К_U, соответственно, снижается в 3, 4 раза и т. д.