Создание логарифмических и антилогарифмических усилителей с использованием Op Amps для динамического сжатия диапазона

Введение в логарифмические и антилогарифмические усилители

Логарифмические и антилогарифмические усилители — это специализированные схемы, которые используют нелинейные характеристики полупроводниковых устройств для получения выходов, которые являются логарифмическими или экспоненциальными функциями входа. При построении вокруг операционных усилителей (op amps) эти схемы обеспечивают точность, стабильность и простоту интеграции в более крупные системы. Их способность сжимать или расширять динамику сигнала делает их незаменимыми в аудиообработке, приборостроении, аналоговых вычислениях и системах связи.

Логарифмический усилитель (log amp) выдает напряжение, пропорциональное логарифму входного тока или напряжения. Антилогарифмический усилитель (exp amp или antilog amp) делает противоположное: его выход пропорционален экспоненциальному входу. Путем сопряжения этих двух функций инженеры могут создавать компандирующие системы, которые сначала сжимают динамический диапазон сигнала для передачи или хранения и позже расширяют его обратно в его первоначальную форму. Этот метод особенно ценен в средах, где ограничено отношение пропускной способности или сигнал-шум.

В этой статье приводится подробное руководство по проектированию, внедрению и применению логарифмических и антилогарифмических усилителей с использованием усилителей op. Она охватывает основные принципы, практические конфигурации схем, методы компенсации температуры и реальные приложения, с особым акцентом на сжатие динамического диапазона. К концу у вас будет прочная основа для построения этих схем в ваших собственных проектах.

Основы логарифмических и антилогаритмических усилителей

В их основе логарифмические и антилоговые усилители полагаются на экспоненциальное токо-напряжение соединения PN. Для кремниевого диода или биполярного транзистора перехода (BJT), работающего в передней активной области, ток коллектора приблизительно IC = IS × exp(VBET], где ISST является тепловым напряжением (T], размещая такой нелинейный элемент в петле обратной связи усилителя опоры, схема вызывает логарифмическую или экспоненциальную связь между входом и выходом.

Почему Op Amps?

Операционные усилители обеспечивают высокий коэффициент усиления и обратную связь, которые позволяют точно контролировать напряжение по нелинейному элементу. В лог-ампере операционный усилитель поддерживает виртуальную землю на инвертируемом входе, поэтому входной ток вынуждается через диод или транзистор. Выход операционного усилителя затем настраивается, чтобы удерживать напряжение перехода на уровне, удовлетворяющем экспоненциальному уравнению. Результатом является высокоточный логарифмический переход в течение нескольких десятилетий входного тока.

Аналогично, в антилоговом усилителе усилитель op заставляет входное напряжение появляться через соединение базы-излучателя BJT, вызывая ток коллектора, который является экспоненциальной функцией этого напряжения. Усилитель op преобразует этот ток в выходное напряжение. Высокий коэффициент усиления открытого цикла усилителя op минимизирует ошибки, в то время как его низкий входной ток смещения и напряжение смещения позволяют работать в широких динамических диапазонах.

Основные принципы дизайна

Использование экспоненциальной характеристики диода

Простейший логарифмический усилитель использует диод в пути обратной связи. Когда входной ток течет через диод, напряжение по диоду пропорционально логарифму тока. Однако поведение диода отклоняется от идеального экспоненциального закона из-за последовательного сопротивления и эффектов впрыска высокого уровня. Для лучшей точности в более широком динамическом диапазоне конструкторы заменяют диод на биполярный транзистор, соединенный в виде диода (базовый и коллекторный шорты). Транзистор проявляет более идеальную экспоненциальную характеристику в течение шести или более десятилетий.

Конфигурация Feedback Loop

Базовая инвертирующая топология усилителя используется как для логарифмических, так и для антилоговых схем. В логарифмическом усилителе нелинейный элемент помещается в путь обратной связи от выхода к инвертируемому входу, при этом входной сигнал подается через резистор к тому же инвертируемому узлу. Неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с землей. Для антилогового усилителя нелинейный элемент помещается во входной путь, а сеть обратной связи использует линейный резистор. Оперативный усилитель по-прежнему вынуждает виртуальный грунт, но теперь входное напряжение управляет током через нелинейное устройство, которое затем зеркально отражается резистором обратной связи для получения выходного напряжения.

Температурная чувствительность является серьезной проблемой. Тепловое напряжение VT и ток насыщения IS изменяются с температурой, вызывая значительный дрейф, если не компенсировать. Современные конструкции усилителей журналов часто включают совпадающие пары транзисторов и чувствительные к температуре резисторы для отмены этих эффектов.

Проектирование логарифмического усилителя

Основная схема с диодом

Простой лог-ампер может быть построен с помощью одного op-ампера, резистора и диода. Входное напряжение прикладывается через резистор R в к инвертирующим входам. Диод соединен с его анодом на выходе op-ампера и его катод на инвертируемом входе (для положительных входных напряжений). Выходное напряжение затем V наружу ≈ —VT в/S в в. Эта схема работает в течение примерно двух-трех десятилетий, ограниченная неидеальными свойствами диода.

Методы компенсации температуры

Для достижения стабильной работы при температуре обычно используются три метода:

  • Сопоставленная пара транзисторов: Второй транзистор, термически связанный с первым, даёт ссылку на то, против чего отменяются температурно-зависимые термины. Это основа многих интегрированных логарифмических усилителей.
  • Источник тока ПТАТ: Пропорциональный ток абсолютной температуры (PTAT) может быть введен в компенсационную сеть, чтобы компенсировать изменение VT.
  • Термистор или диодное температурное зондирование: Датчик температуры (например, кремниевый диод) регулирует коэффициент усиления последующей стадии для коррекции на коэффициент VT.

Использование транзисторов для повышения производительности

Замена диода на биполярный транзистор (базовый и коллекторный шорт) резко улучшает динамический диапазон. Ток коллектора транзистора следует идеальному экспоненциальному закону в течение пяти-семи десятилетий. Типичная схема использует NPN-транзистор (например, 2N2222 или BC547) с его основанием и коллектором, соединенным вместе. Входной резистор выбран так, чтобы транзистор работал в своей передней активной области. При правильной компоновке и низкозадатном усилителе op, таком как OP07 или OP27, достижим динамический диапазон, превышающий 100 дБ.

Прецизионные лог-амперные ИС, такие как Analog Devices AD8306 или Texas Instruments LOG112, внутренне реализуют эти принципы с помощью соответствующих транзисторов и компенсации температуры на чипе. Они упрощают конструкцию, предлагая отличную точность и пропускную способность.

Проектирование антилогаритмического усилителя

Конфигурация схемы

Антилоговый усилитель по существу представляет собой логарифмический усилитель, вывернутый наизнанку. Нелинейный элемент (диод или транзистор) помещается во входной путь, и линейный резистор обратной связи устанавливает усиление. Для биполярного транзистора входное напряжение подается на базу через высокозначный резистор или непосредственно через буфер усилителя опции, чтобы избежать нагрузки. Излучатель подключается к инвертирующим входам усилителя оптики, а коллектор подключается к выходу оптического усилителя. Выходное напряжение становится Vout=-RffS × exp(Vin/VT (для положительных входов).

Точность требует тщательного сопоставления пары транзисторов, если используется компенсационный транзистор. Как и в случае с логовым усилителем, компенсация температуры имеет решающее значение. Часто логовый усилитель и антилоговый усилитель соединяются в петле обратной связи для создания линейного блока усиления, общая функция передачи которого невосприимчива к колебаниям температуры.

Связь с Log Amp

Антилоговый усилитель является точной взаимной функцией логарифмического усилителя. При каскадировании - сначала логарифмический усилитель, затем антилоговый усилитель - общий выход является линейным, при условии совпадения двух цепей. Это свойство является основой для аналоговых множителей и делителей. В сжатии динамического диапазона контролируемое количество усиления логарифмического усилителя с последующим расширением антилога (или наоборот) позволяет гибко формировать сигнальную оболочку.

Практические соображения

Выбор компонентов

Выберите операционные усилители с низким входным током смещения (типы ввода FET, такие как TL072, OPA134 или AD8629), чтобы избежать ошибок при обработке входных токов на уровне наноампера. Низкое напряжение смещения (до 1 мВ) и низкий дрейф необходимы для точности постоянного тока. Для нелинейного элемента используйте высокодоходную, согласованную транзисторную пару, такую как LM394, MAT-02 или транзисторные массивы в SSM2212. Эти интегрированные пары обеспечивают отличное тепловое отслеживание.

Пропускная способность и стабильность

Лог и антилог усилители по своей сути нелинейны, что усложняет частотную компенсацию. Малосигнальная полоса пропускания зависит от мгновенного усиления, которое изменяется с уровнем сигнала. При очень низких входных токах усиление транзистора в петле обратной связи может быть чрезвычайно высоким, приводя к нестабильности. Добавление небольшого компенсирующего конденсатора (10-100 пФ) по транзистору обратной связи часто укрощает колебания. Для широкополосных приложений рассмотрите возможность использования ИС логарифмического усилителя с внутренней компенсацией.

Шум и выключение

Поскольку логарифмические усилители работают в чрезвычайно широких динамических диапазонах, шум на низких уровнях ввода может быть проблематичным. Используйте резисторы с низким уровнем шума (металлическая пленка) и тщательно обходить источники питания. Напряжение выключения на входе усилителя оптического напряжения появляется как ошибка тока на инвертируемом узле, которая может значительно сместить выход логарифма при низких токах. Для прецизионных измерений рекомендуется использование методов нуллинга замыкания или автозеро (стабилизированные op усилители оптического напряжения на хопе).

Для антилоговых усилителей шум на входном напряжении экспоненциально усиливается, поэтому конструкция с низким уровнем шума еще более критична. Держите пути сигнала короткими и используйте защитные кольца вокруг узлов высокого давления.

Приложения в динамическом сжатии диапазона

Аудио-сжатие схемы

В профессиональном аудио сжатие динамического диапазона уменьшает объем громких пиков при увеличении тихих проходов. Усилитель журнального сигнала преобразует звуковую оболочку в логарифмическое управляющее напряжение. Это напряжение затем регулирует усиление усилителя с контролируемым напряжением (VCA), который сжимает сигнал. Соотношение сжатия (например, 2:1, 4:1) устанавливается путем масштабирования напряжения управления логарифмической областью. Многие классические аналоговые компрессоры, такие как Urei 1176, используют подход log/antilog со специальным VCA (например, серия THAT 2180).

Современные реализации используют лог-ампер для измерения RMS или пикового уровня звука, затем подают масштабированную стадию антилога для управления VCA. Константы времени (атака и высвобождение) применяются к управляющему напряжению в домене журнала, что дает лучшее отслеживание психоакустической реакции уха.

Log/Antilog для систем компандер

Компандерные (компрессорные/экспандерные) системы, такие как dbx или Dolby шумоподавления кодируют аудио, сжимая динамический диапазон перед записью или передачей, а затем расширяют его во время воспроизведения. Кодер использует усилитель журнала для сжатия, в то время как декодер использует соответствующий усилитель антилога для расширения. Идеальное соответствие между ними не обеспечивает искажения чистой амплитуды. Примечание приложения AN-112 от Analog Devices предоставляет подробные примеры схем таких компандеров.

Системы беспроводной связи также используют пары log/antilog для линеаризации усилителей мощности или для реализации автоматических циклов управления усилением (AGC), которые поддерживают постоянный уровень сигнала в широких диапазонах затухания.

Другие приложения

Измерение и приборостроение

Амперы журналов идеально подходят для измерения сигналов, которые охватывают многие порядки величины, такие как оптическая мощность в волоконно-оптических приемниках, акустическая интенсивность или скорость радиоактивного распада. Фотодиод может обеспечить ток, пропорциональный интенсивности света; усилитель журналов преобразует это в напряжение, пропорциональное dBm. Такие приборы, как анализаторы спектра, сетевые анализаторы и многометровые преобразователи RMS, используют усилители журналов внутренне. Например, примечание приложения Texas Instruments на логарифмических усилителях описывает схему, которая достигает динамического диапазона 80 дБ с одним усилителем оптического диапазона.

Аналоговые вычисления

До доминирования цифровых сигнальных процессоров аналоговые компьютеры использовали лог- и антилог-усилители для выполнения умножения, деления и экспоненциации. Добавляя или вычитая напряжения логарифмической области, умножение становится сложением, а деление становится вычитанием. Затем стадия антилога восстанавливает линейный результат. Этот метод все еще используется в некоторых высокоскоростных аналоговых множителях, таких как ADI AD734 или Burr-Brown OPA580.

Лог/антилог блоки также образуют основу генераторов функций, которые производят синус, косинус или дугтангенсные выходы из полиномиальных приближений.

Расширенные вариации

Многолетние Log Amps

Для достижения девяти или более десятилетий работы конструкторы используют несколько каскадных стадий усилителя журнала, каждая из которых обрабатывает часть динамического диапазона. Выходы суммируются для получения поштучно-линейного приближения логарифмической функции. Эта архитектура «успешного обнаружения» распространена в радиочастотных детекторах мощности и широкополосных приемниках. AD8307, например, использует шесть каскадных стадий логарифмического усилителя для покрытия 80 дБ.

Точные логарифмические усилители с сопоставленными транзисторами

Интегрированные решения, такие как LOG101 от Texas Instruments, включают в себя пару транзисторов, соответствующую кристаллу, температурную компенсацию и точную отсчет. Эти устройства обеспечивают логарифмическую точность более 0,1% в течение 10 десятилетий входного тока. Они также предлагают логарифмический штифт наклона, который позволяет пользователю устанавливать масштабирование вольт в десятилетие. Внешние резисторы определяют масштабный фактор. Эти IC являются самым простым способом реализации высокопроизводительных логарифмических усилителей без дискретной сложности конструкции.

Для образовательных проектов дискретная схема с использованием дешевого двойного транзистора (например, BC847BS) и усилителя для работы с рельсами по-прежнему может достигать 60 дБ полезного диапазона с тщательной температурной компенсацией. Многие любители аудио компрессоров придерживаются этого подхода.

Заключение

Логарифмические и антилогарифмические усилители, построенные вокруг операционных усилителей, обеспечивают надежный и гибкий метод манипулирования динамикой сигнала. Используя экспоненциальные характеристики полупроводниковых соединений, эти схемы могут сжимать или расширять сигналы на протяжении многих десятилетий амплитуды. Их приложения варьируются от основных аудиосистем сжатия и компандирования до прецизионного приборостроения и аналоговых вычислений.

Успешная конструкция требует тщательного внимания к температурной компенсации, выбору компонентов и стабилизации. Выбираете ли вы дискретную транзисторную пару или интегрированную ИС лог-ампера, принципы остаются прежними. При четком понимании топологии обратной связи и экспоненциального закона вы можете адаптировать лог- и антилог-усилители для удовлетворения потребностей любой задачи нелинейной обработки сигналов.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к учебному пособию по логарифмическим усилителям Аналоговые устройства и статье в Википедии о логарифмических усилителях для дополнительной теории и исторического контекста.