Introduzione agli Amplificatori Logaritmici nella lavorazione dei Segni

Se l'applicazione è compressione audio, misura di potenza RF o acquisizione dati del sensore, i circuiti devono ospitare segnali che possono variare da molti ordini di grandezza senza distorsione. Un amplificatore logaritmico (log amp) può indirizzare direttamente questa necessità applicando una trasformazione logaritmica all'ingresso, comprimendo efficacemente l'intervallo dinamico che consente di mantenere i segnali di picco-ampli di maneggiare

Questo articolo esplora i principi teorici dietro l'amplificazione logaritmica, fornisce una guida di progettazione pratica per l'implementazione dei circuiti di amplificazione di log, e dettaglia i principali operatori di performance trade-offs devono considerare.

Principi fondamentali degli amplificatori logaritmici

Un amplificatore logaritmico è un dispositivo elettronico la cui tensione di uscita (o corrente) è proporzionale al logaritmo della tensione di ingresso (o corrente). La funzione di trasferimento ideale per un ampli di log può essere espressa come:

]]V[]] []] [] []] ] / V]]]]] ]]] [FLT]]] [[Ff:[Ff:7]]]]]]]]][F[F[F[F[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]][F[F[F[F[F[F[F[F[F[F[F[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]][F[F[F[F[F[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]][F[F[F[F[

dove K] è un fattore di scala (spesso ~1 V per decennio) e V[[ref è una tensione di riferimento che definisce il punto di crossover (ad esempio, 1 V). Questo comportamento permette all'amplificatore di comprimere segnali che coprono molti decenni – per

[LT] il meccanismo di accensione fondamentale è il fattore di tensione di corrente esponenziale (I-V) caratteristica di giunzioni di semiconduttore. In un diodo a senso avanzato, la corrente I]D è approssimativamente ]

La compressione dinamica della gamma segue naturalmente da questa funzione di trasferimento: un aumento di dieci volte dell'ampiezza di ingresso produce solo un aumento lineare dell'output (ad esempio, 1 V). Ciò impedisce che i grandi segnali vengano bloccati e aumenta simultaneamente il contributo relativo dei piccoli segnali, tirando efficacemente la gamma dinamica in una banda più stretta che i circuiti a valle possono gestire con alta fedeltà.

Compressione dinamica della gamma: l'esigenza e il meccanismo

La compressione dinamica della gamma è il processo di riduzione della differenza di ampiezza tra le parti più forti e tranquille di un segnale. Nell'elaborazione audio, questo è essenziale per prevenire la distorsione in nastro analogico o convertitori digitali, garantendo livelli di ascolto costanti e migliorando l'intelligibilità in ambienti rumorosi. Nei sistemi di strumentazione e comunicazione, la compressione dinamica della gamma protegge i ricevitori sensibili dal sovraccarico e consente una misurazione accurata dei segnali che spaziano molti ordini di magnitudo (ad esempio, i dati radar, i dati simici, i dati spettrasssssss.

Un ampli di log raggiunge la compressione applicando una curva di trasferimento non lineare che è più ripida per i piccoli segnali e lo scalo per quelli grandi. L'uscita è quindi una rappresentazione "compressa" dove la scala assoluta è persa ma il rapporto – o il livello di decibel – è conservato.

Progettazione di un circuito di amplificazione logaritmica: Topologie di base

Amplificatore di base Diode-Log

Il più semplice amplificatore di log utilizza un singolo diodo di silicio (ad esempio, 1N4148 o BAT54) nel loop di feedback di un op-amp. La resistenza di ingresso R] in[]][]] imposta la corrente di ingresso, e la curva di I-V del diodo produce la tensione logaritmica ad alta tensione.

]]V[]] [] = -n·VT · ln(Vin / (R]in]]]]]]F[FLT]]]

Questo circuito funziona bene oltre quattro decenni (ad esempio, 1 mV a 10 V), ma ha diversi svantaggi. In primo luogo, il fattore di idealità ]n e la corrente di saturazione I]S]] sono la tensione di temperatura-sensibili, causando la pendenza

Amplificatore di registro a base di transistor

Un miglioramento significativo utilizza un transistor bipolare di giunzione (BJT) al posto del diodo. Il raccordo di base del transistor è collegato come un diodo (base e collettore abbreviato), e la caratteristica esponenziale del transistor segue più da vicino l'ideale V]BE[7FLT:2][FLT][7FLT]

]]V[]] [] = -VT · ln(Vin / (R]]]in]]]]][FLT:]]]]]]

Si noti che la tensione termica VT[] (non n·VT]]]] appare; per una coppia di transistor abbinata, il fattore di idealità annulla fuori, e la pendenza è meglio definita.

Tecniche di compensazione della temperatura

La limitazione principale di tutti gli amplificatori di tronchi semiconduttori è la loro forte dipendenza dalla temperatura. Entrambi VT (che scala con temperatura assoluta) e I]]S[]]]] [che raddoppia approssimativamente per ogni aumento di 10 °C] causano l'uscita di una riduzione di progettazione pratica.

  • Utilizzare una coppia di transistor abbinata[[] in una configurazione "log-ratio". Un transistor porta la corrente di ingresso; l'altro porta una corrente di riferimento. Le loro tensioni di base-emettitore sono sottratti, cancellando il ]]S solo[FLT]
  • Implementare una fase di guadagno dipendente dalla temperatura[[] dopo l'amplificatore di registro. Un moltiplicatore analogico o una rete di resistenza a base di termistore possono regolare la scala di uscita inversamente con la temperatura. Ad esempio, posizionando un coefficiente di temperatura positivo (PTC) resistore nel feedback di un secondo op-amp può compensare l'aumento VT[F[F[F.3]
  • Utilizzare un IC dedicato all'amplificazione logaritmica come il Analog Devices AD8307 (]Link esterno]) o il TUANDO LOG114mp

Esempio dettagliato: Ampio amplificatore di registro a larga pendenza utilizzando un Op-Amp e Transistor

Per illustrare il processo di progettazione, consideriamo la costruzione di un ampli di log che opera su un range di tensione di ingresso da 100 LT a 10 V (cioè 5 decenni) useremo un op-amp a basso input come il POA227 ([39FLT:2]]Link esterno), un piccolo segno

Selezione completa:[]

  • Op-amp:[ OPA227 ha una tensione di offset di 5 μV, che sarebbe trascurabile per gli ingressi fino a 100 μV (0,1% errore). La sua larghezza di banda di transimpedenza supera 1 MHz, sufficiente per la strumentazione audio e bassa frequenza.
  • Trasstor:[ 2N3904 ha una vasta gamma di corrente; la sua beta è tipicamente > 100 a corrente fino a 10 nA. La giunzione del collettore di base è abbreviata (agisce come transistor collegato a diodi). La sua corrente di collettore è fornita dall'uscita op-amp.
  • Risorsa di ingresso: 100 kΩ imposta la corrente di ingresso a I]in[ = V]]] [
  • Fonte corrente di riferimento:[] Per implementare la compensazione della temperatura tramite il metodo log-ratio, si include un secondo transistor identico con il suo bivio base-emettitore guidato da una corrente di riferimento stabile (ad esempio, 10 μA da una sorgente corrente). Le due tensioni di base-emettitore vengono sottratte utilizzando un amplificatore di differenza (un terzo op-amp configurato come subtrattore).

L'uscita della fase subtrattrice è:

V]] [] = -VT · ln( V]in[] / (R]]in]][]]]]]]]] [FLT]]]]]]]]]]]]]]] [[FLT]]]]]]]]]]]]] [F[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[F[F[F[F[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [F[F[F[F[F[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

A temperatura ambiente, VT[]] ≈ 0.026 V, quindi la pendenza è 26 mV per decennio. Per uso pratico, amplificare questa uscita da un fattore di circa 38.5 per ottenere esattamente 1 V per decennio (ad esempio, utilizzando una fase op-amp non invertente con un guadagno di (1 + Rf[FR:

Considerazioni pratiche e simulazioni

Quando si costruisce un tale circuito, tenere a mente quanto segue:

  • La tensione di offset di ingresso[] dell'op-amp deve essere abbastanza bassa che non crea errori all'estremità inferiore dell'ingresso.
  • Le capacità parassitarie[] al nodo invertente possono causare il cambio di fase e l'oscillazione.
  • La risposta di frequenza[] dell'amplificatore di log è intrinsecamente non lineare. La larghezza di banda diminuisce come la corrente di input diminuisce perché aumenta l'impedenza dinamica del diodo/transistor.
  • Rettazione e filtraggio[[] – Se l'ingresso è AC (ad esempio, potenza audio o RF), un rilevatore di picco o convertitore RMS-to-DC deve precedere l'amplificatore di registro. Tuttavia, molti amplificatori di registro moderni integrano la funzione di rilevamento.

Architettura avanzata di log Amp

Amplificatori di registro di rilevamento di successo

Per applicazioni ad alta frequenza (DC a diversi GHz), l'approccio a rilevamento successivo è ampiamente utilizzato. Si compone di una cascata di fasi di amplificatore limitanti identici, ciascuno seguito da un retifier (detector). Le uscite di tutti i rivelatori sono riassunte per produrre una tensione DC proporzionale al registro dell'ampiezza del segnale di ingresso.

Convertitori logaritmici per fotodiodi e sensori

In molte applicazioni di rilevamento ottico e chimico, la fotocorrente di un fotodiode può variare in molti decenni. Un amplificatore di transimpedenza con un elemento di feedback logaritmico (un FET collegato a diodo o un transistor bipolare) fornisce direttamente una tensione proporzionale al logaritmo dell'intensità della luce.

Applicazioni di amplificatori logaritmici

Gli amplificatori logaritmici sono indispensabili in una vasta gamma di discipline:

  • Elaborazione del segnale acustico:[] Compressori, limitatori e equalizzatori utilizzano amplificatori di registro per implementare le curve di rilevamento del livello e di controllo che imitano l'udito umano. Sono anche centrali agli effetti "analog modeling" che emulano la compressione del tubo vintage.
  • Misurazione di potenza RF e Microonde:[] Come accennato, molti contatori di potenza e analizzatori di spettro si basano su amplificatori di registro per convertire l'alimentazione RF (che può essere in dBm) in una tensione DC lineare per il display. Tali strumenti possono misurare da -70 dBm a +20 dBm con alta precisione.
  • Immagine fisica:[] Nei sistemi a ultrasuoni e MRI, i segnali eco dai confini dei tessuti variano enormemente in ampiezza. La compressione dei registri viene applicata per mappare questi segnali alla gamma dinamica limitata del display (ad esempio, scala a 8 bit) preservando al contempo i dettagli sottili. La compressione dinamica dell'intervallo eseguita da un ampli di log è un passo critico nella catena di elaborazione delle immagini.
  • Acquisizione dati del sensore:[ pHmetri, contatori di luce, camere di ionizzazione e alcuni accelerometers producono uscite che coprono molti decenni. Un'interfaccia di amplificatore di log semplifica la digitalizzazione riducendo la gamma da, ad esempio, 1 mV a 10 V ad un più gestibile 0–3 V per un ADC standard.
  • Comunicazioni:[] Controllo automatico del guadagno (AGC) nei ricevitori spesso utilizza un ampli di log per rilevare l'indicatore di resistenza del segnale ricevuto (RSSI). L'uscita dell'amplificatore di log fornisce un'indicazione rapida e monotonica della resistenza del segnale che consente al loop AGC di regolare senza tracciare artefatti.

In ambienti in cui i livelli di segnale sono imprevedibili o variano ampiamente, gli amplificatori di log forniscono un robusto front end analogico che semplifica il design del sistema e migliora le prestazioni generali.Per un'eccellente panoramica della teoria e di molti progetti pratici di amplificatori di log, la nota di applicazione Log Amp Basics from Analog Devices] (Link esterno è altamente raccomandato

Test e caratterizzazione di un amplificatore di log

Quando si valuta un circuito di amplificazione di log, i parametri chiave da misurare sono l'errore di conformità del registro, l'intervallo dinamico e la deriva della temperatura. Una tipica configurazione di test utilizza una sorgente di tensione di precisione (o sorgente corrente) che può essere spostata attraverso l'intervallo previsto. Per ogni passo, registrare la tensione di uscita e confrontarla con la funzione logaritmica ideale.

Per verificare la stabilità della temperatura, posizionare il circuito in un forno a temperatura controllata (o utilizzare una pistola di calore e termocoppia) e monitorare l'uscita ad uno o due livelli di ingresso. La deriva dovrebbe essere inferiore a 0,1 dB/°C per circuiti non compensati e meno di 0,01 dB/°C per disegni compensati.

Conclusioni

Gli amplificatori logaritmici rimangono uno strumento vitale per la compressione dinamica della gamma nella lavorazione del segnale. La loro capacità di trasformare un intervallo di input multi-decennale in un'uscita lineare, facilmente digitizzata li rende ideali per applicazioni audio, RF, strumentazione e medicali. Se si costruisce un circuito stabilizzato discreto per un'interfaccia sensore personalizzata o si sceglie un IC monolitico per misurazioni ad alta frequenza, i principi di fondo sono gli stessi: utilizzare un'interfaccia di tipo di riferimento

Per ulteriori informazioni, consultare Texas Instruments’ Log Amplifier Cookbook[] ([[[]Link esterno[[[]]]), che fornisce ulteriori varianti di circuito e analisi dettagliata delle tecniche di compensazione della frequenza.