Логарифмический усилитель с динамическим диапазоном шесть декад

Analog Devices AD5201 AD5231 AD7810 AD8626

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2019

Reza Moghimi

EDN

Предположим, вам необходим контроль оптической мощности, чтобы гарантировать общие характеристики волоконно-оптической системы связи. Обработка логарифмического сигнала может обеспечить высокую точность в широком динамическом диапазоне. Сигнал с широким динамическим диапазоном подвергается сжатию, а использование измерительной системы с более низким разрешением экономит затраты. В качестве примера применения этого метода рассмотрим фотодиод с чувствительностью 0.5 А/Вт, преобразующий световую энергию в электрический ток от 100 нА до 1 мА. При динамическом диапазоне в четыре декады и ошибке 1% требуемое разрешение системы измерения составляет 0.01×10–4 или 1 ppm. Для этого понадобится 20-битный АЦП.

Вместо этого можно с помощью логарифмического усилителя сжать входной сигнал до диапазона 0…4 В, и затем использовать намного более дешевый 10-битный АЦП. Программируемый источник опорного тока позволит сдвигать выходное напряжение на требуемый уровень. Адаптировав схему на Рисунке 1 под требования конкретной задачи, ее можно использовать в приложениях со специфическими комбинациями динамических диапазонов, полярностей и масштабов входных сигналов, или в таких операциях, как нахождение произведения и отношения логарифмов.

Схема программируемого термокомпенсированного логарифмического усилителя.
Рисунок 1. Схема программируемого термокомпенсированного логарифмического усилителя.

Логарифмические усилители находят применение в логометрических измерениях при широком динамическом диапазоне входного сигнала, измеряя соотношение между неизвестным уровнем входного сигнала и перестраиваемым током опорного источника. Схема на Рисунке 1 имеет следующую передаточную функцию:

где

K – масштабный коэффициент выходного напряжения;
IIN – ток, генерируемый фотодиодом;
VT – коэффициент, зависящий от температуры (типичная величина равна 26 мВ при 25 °C, изменяется пропорционально абсолютной температуре);
IREF – опорный ток.

Если VOUT = 0, то IIN = IREF. Для правильной работы схемы отношение IIN/IREF всегда должно быть больше нуля. В зависимости от отношения IIN/IREF, выходной сигнал схемы логарифмического усилителя может быть положительным, отрицательным или биполярным. Полный диапазон входных напряжений АЦП 4 В соответствует полному диапазону входных токов 4 мА. Программирование величины IREF от 40 мкА до 600 мкА дает возможность поместить выходной сигнал в середину диапазона измерений.

При указанных на схеме номиналах компонентов масштабный множитель для выходного напряжения равен –1. Выходной сигнал схемы определен в диапазоне 4.5 декад входного тока IIN и в диапазоне 1.5 декад опорного тока IREF. В большинстве реальных приложений, скорее всего, будет использоваться лишь часть от шести декад полного динамического диапазона. Определив ожидаемый диапазон входных сигналов, и рассчитав их отношения, для оценки ожидаемого диапазона выходных напряжений можно использовать приведенные выше выражения. По результатам этих расчетов можно выбрать значения IREF и IIN, чтобы параметры схемы соответствовали диапазону токов, но при этом необходимо помнить о соблюдении полярности.

Характеристики логарифмического усилителя обычно зависят от нелинейности передаточной функции транзистора. Общая передаточная функция логарифмического усилителя связана с IS и VT, которые зависят от температуры. (IS – это коллекторный ток насыщения транзистора, а VT – «термо-ЭДС» транзистора). Для исключения этой температурной зависимости в схеме использована согласованная пара транзисторов MAT02, устраняющая температурный дрейф IS, и термочувствительный резистивный делитель напряжения, компенсирующий температурный коэффициент VT. Сердцем генератора опорного тока IREF является микросхема REF191. Выходное напряжение регулируется с помощью цифрового потенциометра AD5201. Схема, описанная в этой статье, позволяет программировать 33 уровня опорного тока от 40 мкА до 600 мкА.

Передаточная характеристика схемы при IREF = 570 мкА.
Рисунок 2. Передаточная характеристика схемы при IREF = 570 мкА.
 
Передаточная характеристика схемы при IREF = 40 мкА.
Рисунок 3. Передаточная характеристика схемы при IREF = 40 мкА.

Комбинация REF191 и AD5201 дает возможность создать источник тока, стабильный по времени и температуре. Для более высокого разрешения можно использовать цифровой потенциометр AD5231 с 1024 положениями движка. AD8626 – это сдвоенный прецизионный усилитель с полевыми транзисторами на входах, однополярным питанием до 26 В, низким потреблением мощности и rail-to-rail выходом, обеспечивающим широкий динамический диапазон. Он сохраняет устойчивость при емкостных нагрузках свыше 500 пФ. На Рисунках 2 и 3 показана передаточная функция логарифмического усилителя на входе АЦП. Для соответствия диапазону однополярных входных напряжений АЦП AD7810 выходной сигнал ограничен диапазоном от 0 до 4 В.

Ссылки

  1. Sheingold, Dan, Editor, Nonlinear Circuits Handbook, Analog Devices, ISBN: 0-916550-01-X.

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices AD5201
  2. Datasheet Analog Devices AD5231
  3. Datasheet Analog Devices AD7810
  4. Datasheet Analog Devices AD8626
  5. Datasheet Analog Devices MAT02
  6. Datasheet Analog Devices REF191

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Log-ratio amplifier has six-decade dynamic range

Цена AD5201AD5201 на РадиоЛоцман.Цены — от 24,96 до 407 руб.
22 предложений от 19 поставщиков
Digital Potentiometer 50kOhm 33POS Volatile Linear 10-Pin MSOP T/R
ПоставщикПроизводительНаименованиеЦена
ТриемаAnalog DevicesAD5201BRMZ50-REEL725 руб.
ЭИКAnalog DevicesAD5201BRMZ50-REEL7от 47 руб.
ИнтерияAD5201BRMZ10по запросу
ТаймЧипсAnalog DevicesAD5201BRM50REEL7по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя