Introducción a amplificadores logarítmicos y anti-Logarítmicos

Los amplificadores logarítmicos y antilogarítmicos son circuitos especializados que explotan las características no lineales de los dispositivos semiconductores para producir salidas que son funciones logarítmicas o exponenciales de la entrada. Cuando se construyen alrededor de amplificadores operativos (amplificadores), estos circuitos ofrecen precisión, estabilidad y facilidad de integración en sistemas más grandes.

Un amplificador logarítmico (log amp) produce un voltaje proporcional al logaritmo de la corriente de entrada o tensión. Un amplificador antilogarítmico (exp amp o antilog amp) hace lo contrario: su salida es proporcional al exponencial de la entrada. Al emparejar estas dos funciones, los ingenieros pueden crear sistemas de compandación que primero comprimen el rango dinámico de la señal para la transmisión posterior

Este artículo proporciona una guía detallada para diseñar, implementar y aplicar amplificadores logarítmicos y antilogarítmicos usando amplificadores op. Cubre los principios básicos, configuraciones de circuitos prácticos, métodos de compensación de temperatura y aplicaciones del mundo real, con un enfoque particular en la compresión de rango dinámico. Al final, tendrá una sólida base para construir estos circuitos en sus propios proyectos.

Fundamentos de amplificadores logarítmicos y anti-Logarítmicos

[LT] [L]] [L]] [L] [L]] [L]] [L]] [L]]] [L]] [L]] [L]] [L]] [L] [L]] [L]] [L]]

¿Por qué Op Amps?

Los amplificadores operativos proporcionan la alta ganancia y la retroalimentación que permiten controlar precisamente el voltaje a través del elemento no lineal. En un amplificador de registro, el amplificador de op mantiene un terreno virtual en su entrada de inversión, por lo que la corriente de entrada se ve forzada a través del diodo o transistor. La salida del amplificador de op se ajusta a mantener el voltaje de unión a un nivel que satisface la ecuación exponencial.

De forma similar, en un amplificador antilog, el amplificador de op obliga a aparecer a través de la unión base-emitter de un BJT, causando una corriente de colector que es una función exponencial de ese voltaje. El amplificador de op convierte esta corriente en una salida de tensión. La alta ganancia abierta de la amplificación op minimiza los errores, mientras que su baja tensión de tensión de tensión de tensión de tensión de tensión de tensión de tensión permite operar sobre amplios dinámicas.

Principios básicos de diseño

Usando la Diode Exponential Características

El amplificador de registro más simple utiliza un diodo en la ruta de retroalimentación. Cuando la corriente de entrada fluye a través del diodo, el voltaje a través del diodo es proporcional al logaritmo de la corriente. Sin embargo, el comportamiento de un diodo se desvía de la ley exponencial ideal debido a la resistencia de serie y los efectos de inyección de alto nivel.

Configuración de la configuración de la hoja de retroalimentación

El dispositivo de retroalimentación básica se utiliza tanto para circuitos de registro como para circuitos antilog. En el amplificador de registro, el elemento no lineal se coloca en la ruta de retroalimentación desde la salida hasta la entrada invertida, mientras que la señal de entrada se aplica a través de un resistor al mismo nodo invertido. El dispositivo de retroalimentación no invertido de opinvertir ahora se conecta al suelo.

La sensibilidad de la temperatura es un reto importante.El voltaje térmico VT] y la corriente de saturación IS varían con la temperatura, causando una deriva significativa a menos que se indemnice. Los diseños de amplificación de troncos modernos suelen incorporar pares de transistores y resistores sensibles a la temperatura para cancelar estos efectos.

Diseño de un amplificador logarítmico

Circuito básico con Diode

[LT][LT] [FLT] [4] [4]] [4]] [4]] [4]]] [La salida de la salida de la salida y la catoda en la entrada de la entrada [L]] [L] [L]

Técnicas de compensación de temperatura

Para lograr un funcionamiento estable a través de la temperatura, se utilizan tres técnicas:

  • Pareja transistor en bruto: Un segundo transistor, unido térmicamente al primero, proporciona una referencia a la cancelación de términos dependientes de la temperatura. Esta es la base de muchos amplificadores de registro integrados.
  • Fuente actual del TPT: Una corriente proporcional a absoluta (PTAT) puede inyectarse en la red de compensación para compensar la variación VT.
  • Sensing de temperatura del termo o del diodo: Un sensor de temperatura (por ejemplo, un diodo de silicio) ajusta la ganancia de una etapa posterior para corregir el coeficiente VT.

Utilizando Transistores para un mejor rendimiento

El relevo del diodo con un transistor bipolar (base y coleccionista acortado) mejora dramáticamente el rango dinámico. La corriente de colector del transistor sigue la ley exponencial ideal de cinco a siete décadas. Un circuito típico utiliza un transistor NPN (por ejemplo, 2N2222 o BC547) con su base y colector conectados juntos.

Los ICs de log de precisión como los dispositivos Analog AD8306 o los Instrumentos de Texas LOG112 implementan internamente estos principios con transistores emparejados y compensación de temperatura en chip. Simplifican el diseño al tiempo que ofrecen una excelente precisión y ancho de banda.

Diseño de un amplificador anti-Logarítmico

Configuración del circuito

[LT] [LT] [FLT] [El amplificador antilog] es esencialmente el amplificador de registro que se ha convertido en un elemento no lineal (diode o transistor) en el camino de entrada, y una resistencia de retroalimentación lineal establece la ganancia.

Precisión requiere una combinación cuidadosa del par transistor si se utiliza un transistor de compensación. Como con el amplificador de registro, la compensación de temperatura es crítica. A menudo un amplificador de registro y antilog se unen en un bucle de retroalimentación para crear un bloque de ganancia lineal cuya función de transferencia global es inmune a variaciones de temperatura.

Relación con el problema de la lógica

El amplificador antilog es la función recíproca exacta del amplificador de registro. Cuando se encadenó —primero un amplificador de registro, luego un amplificador antilog— la salida general es lineal, siempre que los dos circuitos sean igualados. Esta propiedad es la base para multiplicadores y separadores analógicos. En compresión de rango dinámico, una cantidad controlada de amplificación de registro seguida de expansión antilog (o el reverso) permite la configuración flexible del sobre de señal.

Consideraciones prácticas

Selección de componentes

Elige los amplificadores de operaciones con corriente de sesgo de baja entrada (tipos de entrada FET como TL072, OPA134, o AD8629) para evitar errores al manejar las corrientes de entrada de nanoamp-level. Tensión de baja contracción (bajo 1 mV) y baja deriva son esenciales para la precisión de DC. Para el elemento no lineal, utilice un par de transistor de alta ganancia, igualado como el LM394, MAT-02, excelente seguimiento

Ancho de banda y estabilidad

Los amplificadores de registro y antilog son inherentemente no lineales, lo que complica la compensación de frecuencia. El ancho de banda pequeño-signal depende de la ganancia instantánea, que varía con el nivel de señal. A las corrientes de entrada muy bajas, la ganancia del transistor en el bucle de retroalimentación puede ser extremadamente alta, lo que conduce a la inestabilidad.

Noise and Offset

Debido a que los amplificadores de registro funcionan sobre rangos dinámicos extremadamente amplios, el ruido a bajos niveles de entrada puede ser problemático. Utilizar resistores de baja altura (película metálica) y fuentes de energía de bypass cuidadosamente. Tensión de desactivación en la entrada de op amp parece un error actual en el nodo de inversión, que puede cambiar la salida de registro significativamente a bajas corrientes.

Para los amplificadores antilog, el ruido en el voltaje de entrada es exponencialmente amplificado, por lo que el diseño de ruido bajo es aún más crítico. Mantenga las rutas de señal corta y utilice anillos de guardia alrededor de los nodos de alta potencia.

Aplicaciones en Compresión de Rango Dinámico

Circuitos de compresión de audio

En audio profesional, la compresión de rango dinámico reduce el volumen de picos fuertes al mismo tiempo que aumenta los pasajes tranquilos. Un amplificador de registro convierte el sobre de audio en un voltaje de control logarítmico. Este voltaje ajusta la ganancia de un amplificador controlado por el voltaje (VCA), que comprime la señal. La relación de compresión (por ejemplo, 2:1, 4:1) se establece mediante el voltaje de control de registro de muchos compres clásicos como los registros anativos analógicos.

Las implementaciones modernas utilizan un amplificador de registro para medir el nivel de RMS o pico del audio, luego alimentan una etapa de antilog escalada para controlar el VCA. Las constantes de tiempo (ataque y liberación) se aplican al voltaje de control en el dominio de registro, lo que da un mejor seguimiento de la respuesta psicoacústica del oído.

Pareja de registro/antilog para sistemas de compatibilidad

Compander (compresor/expander) sistemas como el dbx o Dolby de reducción de ruido codifican audio comprimendo el rango dinámico antes de grabar o transmitir, luego lo expanden durante la reproducción. El encoder utiliza una amplificación de registro para comprimir, mientras que el decodificador utiliza una amplificación antilog combinada para expandir. La perfecta combinación entre los dos asegura una distorsión de amplitud neta.

Los sistemas de comunicación inalámbrica también emplean pares log/antilog para linearizar amplificadores de potencia o para implementar los bucles automáticos de control de ganancia (AGC) que mantienen un nivel de señal constante en los amplios rangos de desactivación.

Otras aplicaciones

Medición e Instrumentación

Los amplificadores de registro son ideales para medir señales que abarcan muchas órdenes de magnitud, como potencia óptica en receptores de fibra óptica, intensidad acústica o tasas de desintegración radiactiva. Un fotodiodo puede proporcionar una intensidad proporcional a la luz; el amplificador de registro convierte esto en un voltaje proporcional a dBm. Instrumentos como analizadores de espectro, analizadores de red y convertidores de RMS multi-meter utilizan los amplificadores de log [LTith

Computación analógica

Antes de la dominación de los procesadores de señal digital, los ordenadores analógicos utilizaron amplificadores de registro y antilog para realizar multiplicación, división y exponenciación. Al agregar o subtraer voltajes de dominio del tronco, la multiplicación se convierte en resta. Una etapa antilog recupera el resultado lineal. Esta técnica se utiliza en algunos multiplicadores analógicos de alta velocidad, como el ADI AD734 o el OPAn580.

Los bloques de registro/antilog también forman la base de generadores de función que producen sine, cosine o salidas arctángicas de aproximaciones polinómicas.

Variaciones avanzadas

Multidecade Log Amps

Para lograr nueve o más décadas de funcionamiento, los diseñadores utilizan múltiples etapas de amplificación de troncos cascadados, cada una manejando una parte del rango dinámico. Las salidas se resumen para producir una aproximación lineal de la función logarítmica. Esta arquitectura de “detección exitosa” es común en los detectores de potencia RF y receptores de banda ancha.

Amplificadores de registro de precisión con los transistores emparejados

Las soluciones integradas como el LOG101 de Texas Instruments incluyen un par de transistor en chip, una compensación de temperatura y una referencia de precisión. Estos dispositivos proporcionan una precisión logarítmica de mejor que 0.1% sobre 10 décadas de corriente de entrada. También ofrecen un pin de pendiente logarítmica que permite al usuario establecer el escalado de voltios por década.

Para proyectos educativos, un circuito discreto utilizando un transistor dual barato (por ejemplo, BC847BS) y un amp de op de ferrocarril a peligro todavía puede alcanzar 60 dB de rango utilizable con una compensación de temperatura cuidadosa. Muchos diseños de compresores de audio hobbyista siguen este enfoque.

Conclusión

Los amplificadores logarítmicos y antilogarítmicos construidos alrededor de amplificadores operativos proporcionan un método robusto y flexible para manipular dinámicas de señal. Al explotar las características exponenciales de las uniones semiconductores, estos circuitos pueden comprimir o expandir señales a través de muchas décadas de amplitud. Sus aplicaciones van desde sistemas esenciales de compresión y compandación de audio hasta instrumentación de precisión y computación analógica.

El diseño exitoso requiere una atención cuidadosa a la compensación de temperatura, la selección de componentes y la estabilización. Si elige un par transistor discreto o un IC integrado de log, los principios siguen siendo los mismos. Con una comprensión sólida de la topología de retroalimentación y la ley exponencial, puede personalizar el registro y los amplificadores antilog para satisfacer las necesidades de cualquier tarea de procesamiento de señales no lineal.

Para más lectura, consulte el Analog Devices logarithmic amplificaifier tutorial y el Wikipedia article on logarithmic amplificaifiers para teoría adicional y contexto histórico.