Антилогарифмический преобразователь

Антилогарифмирование и логарифмирование являются взаимно обратными функциями. Поэтому очевидно, что в антилогарифмическом усилителе

Рис. 5.23

Рис. 5.24

нелинейный элемент включен на входе ОУ, а в обратной связи установлено активное сопротивление R₁. Схема усилителя приведена на рис. 5.23. Для этой схемы можно записать: U_выx = = –R I₀anti lgU_вx. При больших значениях U_вxвыходное напряжение приближается по уровню к напряжению источника питания ОУ –Е (рис. 5.24) и перестает изменяться; антилогарифмическая зависимость нарушается. Схема, изображенная на рис. 5.23, обеспечивает антилогарифмирование (потенцирование) однополярных сигналов. При необходимости получения логарифмических и антилогарифмических зависимостей повышенной точности применяют схемы с кусочно-линейной аппроксимацией амплитудной характеристики с использованием диодных матриц.

КОМПАРАТОРЫ

Компараторами называют схемы сравнения двух напряжений (раньше слово «компаратор» не применялось, использовался термин «схема сравнения»). Результат сравнения – дискретный: важен сам факт того, что один сигнал больше другого, а насколько больше – несущественно. Чаще всего компараторы создают на базе ОУ – в этом случае легко можно получить передаточную характеристику с практически вертикальным участком (см. рис. 5.3). Для этого надо иметь очень большой коэффициент усиления, равный отношению сопротивления в обратной связи к входному сопротивлению; проще всего разомкнуть обратную связь (R_ос ® ¥). Отсутствие обратной связи характерно практически для всех схем компараторов. Сигналы на выходе компараторов принимают значения ±Е (где Е – напряжения источников питания ОУ).

Различают двухвходовые, одновходовые и регенеративные компараторы. Особое положение занимает нуль-детектор.

Двухвходовый компаратор

Двухвходовый компаратор предназначен для сравнения двух сигналов одинаковой полярности. Его схема изображена на рис. 6.1. Поясняющий график приведен на рис. 6.2.

Рис. 6.1	Рис. 6.2

Для подачи сигналов используются оба входа ОУ, обратной связи нет. Выходной сигнал принимает значения ±Е, которые меняются скачком. Если сигнал на неинвертирующем входе превосходит сигнал на инвертирующем входе, то выходной сигнал равен +Е, в противном случае –Е.

Сплошная линия на графике рис. 6.2 соответствует идеальному компаратору. Реальные компараторы мгновенно переключиться не могут, в силу ряда причин:

– при переключении компаратора транзисторы в составе ОУ переходят из глубокого насыщения в глубокую отсечку и наоборот, при этом нужно время, чтобы рассосались избыточные носители заряда;

– коэффициент усиления реального ОУ конечен, поэтому ПХ ОУ содержит не вертикальный, а наклонный участок;

– на высоких частотах снижается крутизна S транзисторов в составе ОУ, в результате чего также уменьшается коэффициент усиления ОУ;

– из-за наличия паразитных емкостей импульсные сигналы приобретают фронты.

Одновходовый компаратор

Рис. 6.3	Рис. 6.4

Одновходовый компаратор предназначен для сравнения двух сигналов противоположной полярности по модулю. Его схема изображена на рис. 6.3. Поясняющий график приведен на рис. 6.4.

Для подачи обоих сигналов используется инвертирующий вход ОУ (сигналы поступают на вход ОУ через делитель, состоящий обычно из одинаковых сопротивлений; в результате напряжение = (U_вx1 + U_вx2) / 2), обратной связи нет.

Выходной сигнал принимает значения ±Е, которые меняются скачком в моменты, когда меняется знак . Очевидно, что смена знака возможна только при разных знаках U_вx1 и U_вx2.

Разумеется, реальный одновходовый компаратор отличается по своим свойствам от идеального точно так же, как различаются идеальный и реальный двухвходовые компараторы. На нижнем графике на рис. 6.4 сплошной линией показана зависимость выходного сигнала идеального компаратора, штриховой линией – на выходе реального компаратора.

Регенеративный компаратор

Регенеративный компаратор обеспечивает сравнение входного сигнала с долей выходного. Эта схема редко применяется сама по себе, но зато является необходимой частью мультивибраторов (на ОУ) – генераторов прямоугольных импульсов.

Рис. 6.5	Рис. 6.6

Схема изображена на рис. 6.5. Принцип действия регенеративного компаратора поясняет рис. 6.6. Как и в других компараторах, в ней отсутствует обратная связь между выходом и инвертирующим входом, поэтому ПХ ОУ имеет вертикальный участок и выходной сигнал принимает значения ±Е. Однако имеется другая обратная связь: средняя точка резистивного делителя R₂– R₃ соединена с неинвертирующим входом ОУ. С ее помощью задается значение = ± γЕ (в зависимости от значения выходного сигнала, γ = R₃/(R₂ + R₃) – коэффициент деления делителя).

Допустим, что входной сигнал меняет свое значение от отрицательного к положительному. На выходе схемы вначале +Е, значит на неинвертирующем входе +γЕ. Пока на инвертирующем входе напряжение меньше +γЕ, компаратор не переключается – даже при смене полярности входного сигнала. Только при U_вx > +γЕ происходит срабатывание схемы и на выходе устанавливается –Е. При изменении входного сигнала в обратную сторону – от «плюса» к «минусу» на неинвертирующем входе исходно установлено –γЕ, поэтому компаратор переключается при этом значении сигнала. Зависимость U_выx от U_вx отдаленно напоминает петлю гистерезиса у ферромагнетиков и сегнетоэлектриков, поэтому тоже получила название гистерезисной.

Нуль-детектор

Рис. 6.7

В схемотехнике одной из задач является определение моментов времени, при которых сигнал произвольной формы равен нулю («выделение нуля»). Для этого используется схема, называемая нуль-детектором или нуль-компаратором. Схема нуль-детектора на ОУ приведена на рис. 6.7. Она содержит операционный усилитель, на инвертирующий вход которого подается входной сигнал, и цепь обратной связи в виде диодного моста VD₁ – VD₄ и двух дополнительных источников постоянных напряжений –U₀ и +U₀ (½–U₀½ = +U₀ <½E½). Получение напряжений –U₀ и +U₀ («порогов») не представляет технических трудностей, так как для этого можно использовать шины питания ОУ ±Е, соединив их высокоомным делителем.

Рис. 6.8

В нуль-детекторе используют инвертирующее включение ОУ и охватывают его коммутируемой обратной связью (рис. 6.8). Схема работает в трех режимах, зависящих от соотношения U_вx с –U₀ и +U₀: в двух режимах диоды моста частично закрыты, а частично открыты, причем таким образом, что связь выхода ОУ со входом разрывается и эквивалентное сопротивление цепи обратной связи R_oc ® ¥. В третьем режиме все диоды открыты, выход ОУ накоротко соединен со входом, таким образом, ОУ как бы охвачен цепью обратной связи и R_oc = 0. Эквивалентные схемы нуль-детектора в разных режимах приведены на рис. 6.9.

Рассмотрим эти режимы подробнее.

1. При U_вx > +U₀ на выходе ОУ из-за огромного значения К_ОУ образуется сигнал U_выx = –Е; при этом диод VD₂ открыт (так как U_вx > –U₀), диод VD₄ также открыт (так как +U₀ > –E). Но диод VD₁ закрыт (так как +U₀ < U_вx), закрыт и диод VD₃ (так как –E < –U₀) – обратная связь разорвана.

2. При –U < U_вx < +U₀ открываются диоды VD₁ и VD₂, и так как |–U₀| = = +U₀, то на инвертирующем входе сигнал приобретает значение U_{вx ОУ} = = (+U₀ – U₀)/2 = 0 (разность сигналов U_вx – U_{вx ОУ} = U_вx гасится на сопротивлении R, а сопротивления R₁ и R₂ исключают короткое замыкание источников дополнительных напряжений друг на друга). При U_{вx ОУ} = 0 независимо от значения K_ОУ U_выx = 0, тогда открыты и диоды VD₃ и VD₄. Обратная связь представляет собой короткое замыкание (если пренебречь небольшими внутренними сопротивлениями открытых диодов).

Рис. 6.9

3. При U_вx < –U₀ на выходе ОУ U_выx = +Е открыты диоды VD₁ и VD₃, закрыты VD₂ и VD₄ (режим, «с точностью до наоборот» соответствующий режиму 1).

Хотя в ходе обсуждения уже установлено, что при входных сигналах, близких к нулю (уровни +U₀ и –U₀ можно задать малыми), на выходе нуль-детектора сигнал равен нулю, а во всех остальных случаях – предельным уровням ±Е, но отметим, что к этому же результату можно прийти, и пользуясь универсальной формулой для инвертирующего включения ОУ: K_U = – Z_oc/Z_вх.

В данном случае Z_вx = R = const, а в режимах 1 и 3 равно Z_oc = ¥, тогда K_U = −¥. Значит, U_выx = –Е при положительном U_вx и U_выx = +Е при отрицательном U_вx. В режиме 2 Z_oc = 0, т. е. К_U = 0 и U_выx = 0. Диодный мост выполняет функцию ключа, управляемого входным сигналом.

Рис. 6.10	Рис. 6.11

На рис. 6.10 приведена передаточная характеристика нуль-детектора, на рис. 6.11 показано изменение формы сигнала при его прохождении через нуль-детектор. Если на неинвертирующий вход ОУ подать некоторое постоянное напряжение U_см, то нуль-детектор будет иметь U_выx = 0 при U_вx, близких к U_см.

ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ

Электронные ключи (ЭК) – это схемы, которые либо пропускают сигнал со входа на выход без искажений, либо подавляют его. Иначе говоря, коэффициент передачи ЭК принимает значения 1 или 0 и меняется скачком. Изменение коэффициента передачи происходит под действием дополнительного сигнала, который называют управляющим U_упр. Управляющий сигнал имеет форму прямоугольных импульсов. Графики сигналов на входе и выходе ЭК приведены на рис. 7.1.

Электронные ключи являются аналогами электромеханических реле, причем по большинству эксплуатационных параметров ЭК превосходят реле.

Существуют ЭК двух видов – последовательные (рис. 7.2 а, слева) и параллельные (рис. 7.2 б, справа). Очевидно, что через последовательный ключ сигнал проходит тогда, когда ключ открыт, а через параллельный – наоборот, когда ключ закрыт (при открытом параллельном ключе сигнал уходит на землю и не доходит до нагрузки). Поэтому некоторые параметры ЭК для параллельных и последовательных ключей определяются по разным формулам.

Параметры ЭК:

а
б
Рис. 7.1	Рис. 7.2

1. Коэффициент коммутации К_к– главный параметр, характеризую-щий ключ; он показывает различие в амплитудах сигналов на выходе схемы в разных режимах ЭК. Для последовательных ЭК К_к = U_{вых.отк} / U_{вых.зак}, для параллельных К_к= U_{вых.зак} / U_{вых.отк} (здесь U_{вых.отк} и U_{вых.зак}, соответственно, амплитуды напряжений на выходе открытого и закрытого ключа). Формулы составлены так, чтобы в числителе всегда находилось большее значение U_выx, а в знаменателе – меньшее значение. К_к, в силу этого соображения, всегда больше единицы, а в идеальном ЭК должен быть равен бесконечности. Определить коэффициент коммутации по осциллограмме можно по формуле К_к = а/b (рис. 7.1), которая справедлива как для параллельных, так и для последовательных ЭК.

2. Коэффициент передачи К_п– параметр, характеризующий потери сигнала при его прохождении через ЭК (в режиме пропускания). Для последовательного ЭК К_п = U_{вых.отк}/U_вx, для параллельного К_п = U_{вых.зак}/U_вx. В идеальном ключе потери сигнала отсутствуют и К_п = 1. Определить коэффициент передачи по осциллограмме можно по формуле К_п = а/с (рис. 7.1), которая справедлива как для параллельных, так и для последовательных ЭК.

3. Быстродействие Δt. Под быстродействием понимают время переключения ЭК из одного состояния в другое.

4. Чувствительность ключа – параметр, характеризующий реакцию схемы на управляющий сигнал, он определяется по формуле ΔU_упр =U_упр1 –– U_упр2, где U_упр1 – амплитуда управляющих импульсов, при которой обеспечивается К_к = 10 (b = 0,1 а); U_упр2 – амплитуда импульсов при К_к = 1,1 (b = 0,9 а).

Если одиночный ключ работает недостаточно эффективно и обеспечивает недостаточный уровень коэффициента коммутации, то применяют соединение ЭК: ключи соединяют последовательно по основному сигналу и параллельно – по управляющему. При этом коэффициенты коммутации К_к и передачи К_п составного ключа можно определить по формулам: К_к= = К_к1 К_к2; К_п = К_п1 К_п2 (формулы записаны для случая, когда составной ЭК содержит два ключа, с номерами 1 и 2, но могут быть распространены и на случай, когда объединено большее количество одиночных ключей).

На рис. 7.3 приведен пример параллельного транзисторного ключа на биполярном транзисторе.

Транзистор работает в ключевом режиме и переходит из насыщения в отсечку и обратно под действием управляющего сигнала, подаваемого на его базу. Сопротивление R_К предотвращает закорачивание источника питания на землю при насыщении транзистора, емкости C_р являются разделительными и обеспечивают развязку электронного ключа с соседними каскадами по питанию. Недостатком как данной схемы, так и всех транзисторных ключей является наличие гальванической связи между цепями основного и управляющего сигналов. Наличие гальванической связи между цепями в транзисторных ЭК является недостатком, который отсутствует у реле, хотя по другим параметрам транзисторные ключи превосходят реле.

Указанного недостатка лишены ЭК на оптронах (оптрон – прибор, объединяющий в одном корпусе светодиод и фотодиод). Пример ключа на оптронах приведен на рис. 7.4.

Рис. 7.3	Рис. 7.4

Фактически в этой схеме два ключа – последовательный на оптроне VD₁ и параллельный на оптроне VD₂. При положительной полярности управляющего сигнала загорается светодиод в оптроне VD₁, образующий с ним пару фотодиод открывается и пропускает сигнал. Светодиод в оптроне VD₂ остается темным и параллельный ключ закрыт. При смене полярности управляющего сигнала загорается светодиод в оптроне VD₂, а светодиод в оптроне VD₁ остается темным. Поэтому последовательный ключ закрыт, а параллельный открыт, и через него заземляется тот небольшой сигнал, который смог пройти через закрытый последовательный ключ.