מבוא ל- Logarithmic Amplifiers in Signal Processing

בעיבוד אותות מודרניים, ניהול מגוון דינמי רחב של אותות קלט הוא קריטי לשמירה על שלמות האות והבהירות.אם היישום הוא דחיסת אודיו, מדידה כוח RF, או רכישת נתונים חיישן, מעגלים חייב להתאים אותות שיכולים להשתנות על ידי פקודות רבות של גודל ללא עיוות. a לוגנרולוג לוגיסטי (אמטען) מטפל ישירות בצורך זה על ידי יישום טרנספורמציה לוגרית לקלט, ביעילות טווח דינמי זה מאפשר לעקוב אחר אותות לחץ גבוה על פני טווח נמוך יותר על פני טווח זה.

מאמר זה חוקר את העקרונות התיאורטיים מאחורי ההגברה הלוגרית, מספק הדרכה עיצובית מעשית ליישום מעגלי mp יומני, ופרטים על ביצועי מפתח ביצועים מתקדמים מהנדסים חייב לשקול.We willנדון גם יישומי עולם אמת וכולל דוגמאות עיצוב שיכולים לשמש כבסיס ליישום מותאם אישית.המטרה היא לספק התייחסות מקיפה, סמכותית לכל מי שמתכננים או לשלב מעגל לתוך שרשרת עיבוד אותות.

עקרונות היסוד של מוזגת לוגית

מגבר לונאריתמי הוא מכשיר אלקטרוני שמתח הפלט שלו (או נוכחי) הוא פרופורציונלי ל-Garithm של מתח קלט (או נוכחי) ניתן לבטא את תפקוד ההעברה האידיאלי עבור אמפ יומן יומן יומן יומן יומן יומן יומן יומן:

(ב) ויקרא י"ד: ויקרא י"ד: ויקרא י"ד: ויקרא י"ד:5 ויקרא י"ד:2 ויקרא יט:2 ויקרא יט: ויקרא יט:

(ב) ,0) ,(ה) ,(ה) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

דחיסה בטווח דינמי נובעת באופן טבעי מתפקוד העברה זה: עלייה פי עשרה באמפליטודה קלט מייצרת רק עלייה ליניארית בפלט (למשל, 1 V) זה מונע אותות גדולים מגלישה בו זמנית מגביר את התרומה היחסית של אותות קטנים, ביעילות למשוך את הטווח הדינמי לתוך להקה צר יותר כי מעגלים במורד הזרם יכול להתמודד עם נאמנות גבוהה.

דחיסה לטווח דינמי: הצורך והמכונאים

דחיסה לטווח דינמי היא תהליך של צמצום הבדל האמפול בין החלקים הרמים והשקטים ביותר של אות. בעיבוד אודיו, זה חיוני למניעת עיוות בטייפ אנלוגי או ממירים דיגיטליים, הבטחת רמות האזנה עקביות, ושיפור אי-אפשרות בסביבה רועשת.במערכות כלי תקשורת, טווח דינמי מגנות על מקלטים רגישים מעומס יתר ומאפשר מדידה מדויקת של פקודות רבות של גודל משקעים, צפיפות או רדאר.

יומן Amp משיג דחיסה על ידי יישום עקומת העברה לא ליניארית כי הוא תלולה יותר עבור אותות קטנים ורדוד יותר עבור גדולים.הפלט הוא אפוא ייצוג "מחוספס" שבו הסקאלה המוחלטת אבדה אך היחס - או רמת decibel - נשמר.זו הסיבה לכך ⁇ s משמשים לעתים קרובות במדידת כוח RF: המתח הפלט הוא פרופורציה ישירות לעוצמה ב dBm, המאפשרת קריאה קלה עם תפיסה קולית של חומר זהה (אשר יכול להיות מתאים ישירות לאותה רמה).

עיצוב מעגל Amplifier: Core toהתנצלות

מקור: Diode-Log Amplifier

(ב) עיין ה[[1948]], [[1924]]]], [[1948]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]], [[[[1924]]]]]], [[1924]]]], [[[[1924]]]]]]]]]]]], [[[[1924]], [[[[1924]]]], [[[[1924]]]]]], [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]

(ב) ויקרא י"א): "וְהִיא אִם עַמְתָּבְהִיתִי" (במדבר כ"ד, כ"ד)

[ה]העיגול פועל היטב במשך כארבעה עשורים (למשל, 1 מ"א ל-10 V), אך יש לו כמה עצירות.ראשון, הגורם האידיאליות FLT:0ncioFLT:1 ו-Savation נוכחי (FLT:2IFLT 3:SFLT:4SFLT: 5 הם רגישים לטמפרטורה, מה שגורם להידרדרות ולתחילה למתח נמוך עד 0.62, הוא רק להפחתה רגילה של 0.

המונחים: Transistor Based Log Amplifier

(ב) שיפור משמעותי משתמש בצומת דו קוטבי (BJT) במקום הגוון.הצומת הראשי של טרנזיטור מחובר כדרוד (בסיס ואספן קצר), והמאפיין האקספוננציאלי של טרנסיסטאור עוקב אחר הפלט האידיאלי:0VFLT:1BEFLT:203FLT לעומת 4,4IFRE) הופך ל-R.

(ב) ויקרא י"א): "וְהִיא אִם עַמְתָּבְהַבְתָּבְהַבְהַבְתָּבְתָּבְתָּבְתָּבְתָּבְתָּבְתִּיִנְתָּבְתְתּבְתּבְתּבְתּבְתּבְתּבְתּבְתּבְתּבְתּבְבְתּבְהַהַהַהַהַהַהַהַהַהַהַבְתּבְתּבְתּבְתּבְבְבְתּבְבְבְתּבְתּבְבְהַהַהַבְבְהַהַהַהַהַהַהַהַהַהַהַהַהַהַבְבְּבְתּבְתּבְבְבְּבְת

שימו לב כי המתח התרמי (FLT:0)VTFLT:1 (לא FLT:2nVTentiFLT 3: 3) מופיע; עבור זוג transistor תואם, הגורם האידיאליות מבטל, ואת המדרון מוגדר טוב יותר.שימוש בטרנסטור כגון 2N04 או BC547 כמו משוב מספק ביצועים יציבים על פני חמישה עשורים של פיץ או מפוספסים, מכמה מ-עשרים, או מכמה מ-עשרים.

טכניקות להורדת טמפרטורה

(ה) המגבלות העיקריות של כל המוליכים למחצה הן התלות הטמפרטורות החזקות שלהם (ה-FLT:0VTreaFLT:1 (אשר קנה מידה עם טמפרטורה מוחלטת) ו-FLT:2IFLT 3SFLT:4sFLT:5 (אשר כפול עבור כל עלייה של 10 מעלות צלזיוס) לגרום לסחף.

  • (ב) ב[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]
  • (ב) [ה] [ה]], לאחר שרשת הנגדית של הטמפרטורה תלויה בטמפרטורה, לאחר שהלוגו Amp. a אנלוגי או רשת התנגדות מבוססת המפרק יכולה להתאים את התפוקה באופן הפוך עם טמפרטורה.
  • (ב) [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]][ה]]][ה]]]][ה]]]][ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה'[ה']'[ה']']'[ה'[ה'[ה']']'[ה']']'[ה'[ה']']'[ב'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ב']']']'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ב']']']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה']']'[ה']']'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה']']']'['['[']'['['[

דוגמה מפורטת: A Wide-Dynamic-Range Log Amp Using a Op-Amp ו Transistor

(ב) כדי להמחיש את תהליך העיצוב, לשקול בניית מחסנית שפועלת על פני טווח מתח של 100 מיקרו-V ל-10 V (כלומר, 5 עשורים) אנו משתמשים בדגימה נמוכה של תפוקה, כגון FLT:0OPA227FLT:1 (FLT:2external LinkFLT3), צומת קטן (Finmple-Finrin) ו-Find)

(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇

  • (FLT:0)Op-ampture: FLT:1 OPA227 יש 5 מיקרוV מכווץ מתח, אשר יהיה רשלני עבור קלטות עד 100 מיקרוV (0.1% שגיאה) רוחב הפס הטרנססרמנטציה שלו עולה על 1 MHz, מספיק עבור אודיו ומכשירים נמוכים.
  • (FLT:0) Transistor:FLT:1 2N3904 יש טווח רחב טווח הנוכחי; בטאו הוא בדרך כלל > 100 בזרם למטה עד 10 nA. צומת הקוללקטור הבסיס הוא קצר (הפעולה כטרנסיסטטור המחובר לגוון).
  • (ב) ויקרא י"א): "ה' (ב"ד): "ה' (ב"ד): "וַיְהִיא נָאֶת הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא
  • (FLT:0) הקצאה הנוכחית: 1.FLT 1 להטמיע פיצוי טמפרטורה באמצעות שיטת ה- Log-ratio, אנו כוללים transistor זהה שני עם צומת הבסיס שלה מונע על ידי זרם התייחסות יציב (למשל, 10 μA ממקור נוכחי).שני מתחי בסיס-מפרס ממושכים באמצעות הבדל (מדגם שלישי כפי שנקבע כמתתתתתתתתתת).

הפלט של שלב תת-התברואה הוא:

(ב) ויקרא י"ד): "וְהִיאוּ נָא אִם עַל עַל עַל עַל עַל עַל עַמֶּה: אִם עַל עַל עַל עַל עַל עַל עַל עַל עַל עַ" (ב"ד: יט, יט)

(בטמפרטורת החדר, 0) ⁇ ⁇ 0.026 V, כך המדרקון הוא 26 mV במשך עשור. לשימוש מעשי, אנו מגבירים את התפוקה הזו על ידי גורם של כ 38.5 כדי לקבל בדיוק 1 V לעשור (למשל, באמצעות שלב ללא סינון עם רווח (1 + RLT2F: 3=R3=R) קומפקטית: 1=R.

שיקולים מעשיים וסימונים

כאשר בונים מעגל כזה, יש לזכור את הדברים הבאים:

  • (FLT:0) חישוב מתח מחלחל 1:1 של הדגה חייב להיות נמוך מספיק כי זה לא יוצר שגיאות בסוף קלט נמוך יותר. רוב הדגמות דיוק (OPA227, LT1490) הם מספיקים.
  • (FLT:0)Parasitic capacitancessveFLT:1) בצומת מופנם יכול לגרום לשינוי שלב ותנוכה. הוסף מחזר קטן (10–100 pF) במקביל עם הטרנזיסטור לייצב את הלולאה.
  • (FLT:0) תגובה לאחור (FLT:1) של הלוגן amp הוא לא ליניארי מטבעו. רוחב הפס יורד כהפחתה הנוכחית של קלט, כי האימפולס הדינמי של ה diode / Transistor עולה. a log טיפוסי amp עשוי להיות רוחב פס של כמה מאות kHz בקלט גבוה אבל רק כמה kHz ב קלטות הנמוכות ביותר.
  • (FLT:0) ectification וסינון 1FLT - אם הקלט הוא AC (למשל, אודיו או כוח RF), גלאי שיא או RMS-to-DC ממיר חייב להדוף את המחסן.

אדריכלות: Amp Architectures

הצלחה - קידוד ® Amps

עבור יישומים גבוהים ⁇ (DC למספר GHz), הגישה של דה-דה-דה-דה-דה-דה-דה-המידה משמשת באופן נרחב.זה מורכב מ- cascade של שלבים מגבילים זהים, כל אחד מהם עקב מאמת (detector) הפלטים של כל הגלאים מסתכם לייצר תצורה DC של אות Ampude.אדריכלות זו מספקת רוחב פס מעולה, דינמי גדול (לדוגמה, כלומר, מ- 50B) ומ-DV 1 מ- 191, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, 000 , כלומר, 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 1DV , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000

Logarithmic Converters for Photodiodes וחיישנים

ביישומים אופטיים וכימיקליים רבים, photocurrent מ photodiode יכול להשתנות לאורך עשרות שנים. a transimpimpedance amplifier with a logarithmic משוב אלמנט (a diode-connected FET או transistor דו קוטבי) מספק ישירות מתח פרופורציה של הליטוגרפיה הנגזרת של עוצמת האור.זה שימושית, ספקטרום, סימטרי, ומערכת כפולה, לעתים קרובות, באמצעות קרינת צילום יציבה.

תגיות: Logarithmic Amplifiers

מגברי Logarithmic הם הכרחיים במגוון רחב של תחומים:

  • (FLT:0)Audio Signal Processing:FLT:1 קומפרסים, מגבילים, ושווה להשתמש ב- amps כדי ליישם את זיהוי רמת ולהשיג עקומות בקרה המחקות את השמיעה האנושית.הם גם מרכזיים באפקטים "מודלים אנלוגיים" אשר מחקים צינור דחיסה וינטג'.
  • (FLT:0RF ומיקרוגל כוח מדידה: FLT:1 כפי שהוזכר, הרבה מ"ר כוח מנתחי ספקטרום מסתמכים על אדים כדי להמיר את כוח RF (אשר עשוי להיות ב dBm) למתח ליניארי DC עבור תצוגה.
  • (FLT:0Medical Imaging:FLT:1 במערכות אולטרסאונד ו-MRI, אותות הד מגבולות רקמות משתנים מאוד ב amplitude. דחיסה Log מוחל על מנת למפות אותות אלה בטווח הדינמי המוגבל של התצוגה (למשל, 8 סיביות אפורscale) תוך שמירה על פרטים עדינים.טווח דינמי המבוצע על ידי גרף הוא צעד קריטי בשרשרת העיבוד.
  • (FLT:0)Sensor Data Acquisition:FLT:1 מטר pH, מ"ר אור, תאי יון, וכמה מדמטרים לייצר פלטים המשתרעים על פני עשרות שנים רבות. A log amp מפשט את הדיגיטציה על ידי צמצום הטווח מ, למשל, 1 מ"א ל 10 V כדי לנהל יותר 0-3 עבור תקן ADC זה מבטל את הטווח עבור מעבר.
  • (FLT:0) קומוניקציות: (FLT:1) בקרת רווח אוטומטית (AGC) במקלטים משתמשת לעתים קרובות ב amp כדי לזהות את אינדיקטור כוח האות המתקבל (RSSI) , תפוקה של mp נותן אינדיקציה מהירה מונוטונית של כוח האות המאפשר לולאה AGC להתאים באופן חלקה ללא מעקב אחר חפצים.

בסביבות שבהן רמות האות הן בלתי צפויות או משתנות באופן נרחב, ®amps מספק קצה אנלוגי חזק כי עיצוב מערכת סימולציות משפר ביצועים הכוללים.עבור סקירה מצוינת של התיאוריה ועיצובי mp מעשיים רבים, את היישום NoteFLT:0Log Amp Basics מ Analog מכשירים FLT:1 (FLT:2external LinkFLT 3) מומלץ מאוד.

בדיקה והתאמה ל- Log Amp

כאשר בוחנים מעגל מחסנית יומן, הפרמטרים המרכזיים למדידה הם טעות התאמה של יומן, טווח דינמי, ואת הטמפרטורה סחף. a טיפוסי מבחן ההתקנה משתמשת מקור מתח מדויק (או מקור נוכחי) שניתן לעבור את הטווח המיועד.עבור כל שלב, להקליט את מתח הפלט המשותף ולהשוות אותו לתפקוד הלוגימי האידיאלי ב- 0.5Bps.

כדי לבדוק יציבות טמפרטורה, להציב את המעגל בתנור מבוקר טמפרטורה (או להשתמש אקדח חום ו thermocouple) ולעקוב אחר הפלט ברמות קלט אחת או שתיים.הסחף צריך להיות פחות מ 0.1B / מעלות צלזיוס עבור מעגלים ללא התאמות ופחות מ 0.01 dB / C עבור עיצובים לפצות.

מסקנה

מגברי Logarithmic נשארים כלי חיוני לדחיסה לטווח דינמי בעיבוד אותות.היכולת שלהם להפוך טווח קלט רב-דה-אקדמי לפלט ליניארי, מהיר-דיגיטלי הופכת אותם אידיאליים עבור אודיו, RF, כלי, יישומים רפואיים.אם אתה בונה לולאות נאותה של רכיבי transrete או מותאם לממשק מותאם אישית או בוחר IC עבור מדידות גבוהות, עקרונות הבסיסים של טיפולית: יישום של מערכת קידוד אמיתי כדי ליישם את הפונקציונליות.

לקריאה נוספת, ייעוץ (FLT:0)Texas Instruments' Log Amplifier Cookbooker Cooker 1LT (FLT:2external LinkveFLT 3:3), המספק גרסאות מעגלים נוספות וניתוח מפורט של טכניקות פיצוי תדירות.