Логарифмический усилитель с динамическим диапазоном шесть декад

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.

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;
I_IN – ток, генерируемый фотодиодом;
V_T – коэффициент, зависящий от температуры (типичная величина равна 26 мВ при 25 °C, изменяется пропорционально абсолютной температуре);
I_REF – опорный ток.

Если V_OUT = 0, то I_IN = I_REF. Для правильной работы схемы отношение I_IN/I_REF всегда должно быть больше нуля. В зависимости от отношения I_IN/I_REF, 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 I_REF 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 I_IN и в диапазоне 1.5 декад опорного тока I_REF. 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 I_REF и I_IN, 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 I_S и V_T, которые зависят от температуры. (I_S – это коллекторный ток насыщения транзистора, а V_T – «термо-ЭДС» транзистора). Для исключения этой температурной зависимости в схеме использована согласованная пара транзисторов MAT02, устраняющая температурный дрейф I_S, и термочувствительный резистивный делитель напряжения, компенсирующий температурный коэффициент V_T. Сердцем генератора опорного тока I_REF 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.

Рисунок 2.	Передаточная характеристика схемы при IREF = 570 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

Материалы по теме