Усилители-ограничители и логарифмические преобразователи

Поэтому в усилителе-ограничителе уровень ограничения устанавливается ниже уровня ограничения собственно усилителя, для чего в цепь отрицательной обратной связи ОУ включаются нелинейные элементы (рис. 3.9).

Поскольку напряжение в узле 1, как указывалось ранее, близко к нулю, падение напряжения на элементах цепи обратной связи равно выходному напряжению, т.е. . Поэтому уровни ограничения выходного напряжения () будут определяться такими значениями , при которых образуется низкоомная цепь из открытых (пробитых)  p-n-переходов:

соответственно для схем на рис. 3.9,а, б и в (смысл напряжений  поясняется рис. 1.7 и 1.9).

Если модуль мгновенного значения выходного напряжения , то усилитель-ограничитель работает в линейном режиме с коэффициентом усиления , поскольку в схемах рис. 3.9,б и в закрыты все диоды, а в схеме рис. 3.9,а закрыт (не пробит), по крайней мере, один из встречно-последовательно включенных стабилитронов (в схеме рис. 3.9,в стабилитрон  постоянно работает в режиме электрического пробоя под действием напряжений источников питания, и падение напряжения на нем  подпирает, т.е. закрывает диоды моста). При положительном выходном напряжении  в схеме рис. 3.9,а пробивается стабилитрон , в схеме рис. 3.9,б открывается диод , а в схеме рис. 3.9,в открываются диоды  и . Поскольку напряжения на диффузионном участке ВАХ и участке электрического пробоя (см. рис. 1.7 и 1.9) слабо зависят от тока, напряжение , а значит, и напряжение  в режиме ограничения мало изменяются при изменении , что иллюстрирует график передаточной характеристики 1 на рис. 3.10 (график 2 – это передаточная характеристика идеального усилителя-ограничителя).

                Схема рис. 3.9,а уступает схеме рис. 3.9,б в быстродействии, поскольку паразитная емкость стабилитрона () в десятки раз больше емкости диода, к тому же сопротивление закрытого стабилитрона значительно меньше соответствующего сопротивления диода, что не позволяет в схеме рис. 3.9,а использовать резистор  с сопротивлением больше 100 кОм, но в схеме рис. 3.9,б низкий, причем нерегулируемый, порог ограничения. Указанных недостатков лишена схема рис. 3.9,в, так как здесь требуемый порог ограничения можно устанавливать путем выбора того или иного типа стабилитрона , а паразитная емкость стабилитрона не сказывается на быстродействии усилителя, поскольку она не перезаряжается (стабилитрон постоянно открыт) и, к тому же, включена последовательно с малыми емкостями диодов. Резисторы  и  () позволяют задать такую рабочую точку стабилитрона, в которой не только малое дифференциальное сопротивление, но и требуемый температурный коэффициент напряжения, равный по модулю температурному коэффициенту двух последовательно включенных диодов, что значительно повышает температурную стабильность напряжения  (при увеличении температуры вольт-амперные характеристики диода и стабилитрона смещаются влево, при этом напряжение  уменьшается на 2…3 мВ при росте температуры на один градус, а напряжение  увеличивается на  4…6 мВ).

                Однако и в этой схеме, как и в двух других, изображенных на рис. 3.9, выходное напряжение в режиме ограничения не остается постоянным – оно несколько увеличивается с ростом входного напряжения, что объясняется формой вольт-амперных характеристик диодов и стабилитронов. Резкий переход от линейного участка передаточной характеристики к нелинейному, а также постоянный уровень ограничения в широком диапазоне изменения амплитуды входного сигнала (см. график 2 на рис. 3.10) имеет прецизионный усилитель-ограничитель, схема которого приведена на рис. 3.11. В этой схеме уровни ограничения задаются источниками опорного напряжения  и . Если положительное выходное напряжение меньше , а модуль отрицательного выходного напряжения  меньше , то на выходе ОУ1 действует большое отрицательное, а на выходе ОУ2 – большое положительное напряжение, под действием которых диоды  и  закрыты, а усилитель-ограничитель работает в линейном режиме с коэффициентом усиления . Если же выходное напряжение достигнет уровня  (или ), то усилитель ОУ1 (или ОУ2) переходит в режим линейного усиления, и на его выходе будет действовать напряжение соответствующей полярности, смещающее диод  (или ) в прямом направлении, в результате чего образуется очень глубокая отрицательная обратная связь, охватывающая усилитель ОУ3 и усилитель ОУ1 (или ОУ2). Поскольку при глубокой отрицательной обратной связи напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах операционного усилителя (имеются в виду ОУ1 и ОУ2) одинаковы с высокой точностью, имеет место строгое соответствие между напряжениями ограничения и опорными напряжениями: , . Используя стабилизированные и термокомпенсированные источники опорного напряжения, можно достичь высокой стабильности уровней ограничения. В рассматриваемой схеме также легко реализуется несимметричная передаточная характеристика за счет задания разных по модулю напряжений  и  (в схемах рис. 3.9,б и в кроме симметричного ограничения возможно также одностороннее).

3.7. Логарифмические преобразователи

Логарифмическая зависимость между выходным и входным напряжениями реализуется, если в схему преобразователя напряжение–ток (см. рис. 3.3,а)  вместо  включить  p-n-переход, как показано на рис. 3.12.

В схемах с диодом (рис. 3.12,а) и с транзистором в диодном включении (рис. 3.12,б) выражение выходного напряжения, учитывая зависимость (1.1), можно записать в таком виде:

, где приближенное выражение получено при условии , ограничивающем снизу величину входного тока. Поэтому, учитывая реальные значения теплового тока  высококачественных полупроводниковых приборов, можно говорить о входных токах А. Поскольку, как это следует из (3.2), напряжение в узле 1 равно нулю, ток , с учетом чего окончательное выражение выходного напряжения примет вид

.

В схеме на рис. 3.12,в входной ток  (он же коллекторный ток  транзистора ) связан с напряжением на эмиттерном  p-n-переходе () следующей зависимостью:

, где . Поскольку , выходное напряжение в схеме рис. 3.12,в с гораздо большей точностью, чем в схемах рис. 3.12,а и б, описывается выражением

,                                                          (3.7)

поэтому и диапазон входных токов в этой схеме шире: А.

Верхняя граница диапазона входных токов рассмотренных схем ограничивается чаще всего одним миллиампером (А), что связано с ростом ошибки логарифмирования за счет падения напряжения на сопротивлении  диода (транзистора) при протекании через базу тока , так как падение напряжения  входит в выходное напряжение в виде добавки к логарифмической составляющей.

Приведенные на рис. 3.12 схемы логарифмических усилителей (ЛУ) работают при положительной