Радиолоцман Электроника en
расширенный поиск +
  

24-04-2019

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

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 18 поставщиков
ИС, цифровые потенциометры IC 5-Bit
ПоставщикПроизводительНаименованиеЦена
ТриемаAnalog DevicesAD5201BRMZ1025 руб.
ЭИКAnalog DevicesAD5201BRMZ50-REEL7от 47 руб.
ЭлитанAnalog DevicesAD5201BRMZ5071 руб.
КимAnalog DevicesAD5201338 руб.
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Рекомендуемые публикации по теме:
Схемы  »
Использование инструментального усилителя в схеме сложения аналоговых сигналов с большим динамическим диапазоном
Новости  »
Linear Technology представляет линейный ВЧ смеситель с широким динамическим диапазоном
Новости  »
Analog Devices начинает производство УПЧ с широким динамическим диапазоном
Схемы  »
Недорогой ПНЧ с хорошей линейностью и широким динамическим диапазоном
Новости  »
Analog Devices представляет ВЧ детекторы с широким динамическим диапазоном и повышенной точностью измерения

При перепечатке материалов с сайта прямая ссылка на РадиоЛоцман обязательна.

Приглашаем авторов статей и переводов к публикации материалов на страницах сайта.

Вебинар Тонкости применения транзисторов CoolMOS серии P7 13.06.2019
Вебинар Уникальный подход MORNSUN к разработке DC/DC-преобразователей 30.05.2019
Срезы ↓
Новая Инженерная Школа
Новая Инженерная Школа
Курсы и семинары для инженеров, технологов, разработчиков и конструкторов предприятий приборостроения.
Рейтинг@Mail.ru