8.2. Экспоненциальные преобразователи

Основная схема (рис. 8.16) похожа на простой логарифмирующий преобразователь (рис. 8.1), но в ней диод и резистор меняются местами. Получение экспоненциальной передаточной характеристики основывается на приведенной ранее логарифмической зависимости между напряжением и током -перехода. Данная схема очень проста и редко применяется на практике из-за присущих ей многих ограничений; но она может послужить отправной точкой для разработки практической схемы экпоненциального преобразователя. Проектирование таких преобразователей имеет много общего с разработкой логарифмирующих схем, поскольку для них справедливо многое из того, что было сказано выше.

Исходные выражения для расчета передаточной характеристики.

Рис. 8.16. Основная схема экспоненциального преобразователя.

следовательно,

С учетом смещения ОУ и его входных токов:

где — входной ток смещения ОУ, — входное напряжение смещения.

Основные проблемы для этой схемы связаны с тем, что зависят от температуры, а характеристика диода не вполне совпадает с экспоненциальной. Как правило, диод заменяют транзистором, характеристика которого ближе к экспоненциальной (с точностью до 0,5%) в широком диапазоне, достигающем иногда семи декад. Обычно включают его так, как показано на рис. 8.17. Для этой схемы:

где — обратный ток насыщения (примерно 0,1 пА), зависящий от температуры.

Рис. 8.17. Основная схема экспоненциального преобразователя с заземленной базой.

В экспоненциальных преобразователях обычно применяется показанное на рис. 8.17 включение с заземленной базой, которое обеспечивает лучшее соответствие передаточной характеристики экспоненте по сравнению с диодным включением транзистора. Напомним, что транзисторы весьма чувствительны к большим обратным напряжениям база-эмиттер, поэтому на входе схемы необходимо включать защитный диод для предохранения ее от отрицательных входных сигналов. Входное напряжение не должно превышать 1 В, в противном случае ток базы транзистора может оказаться слишком большим, что приведет к выходу его из строя. Для расширения диапазона входных сигналов можно было бы включить делитель напряжения. Однако сопротивления резисторов делителя должны быть очень малыми, чтобы избежать его шунтирования транзистором. Для преобразования отрицательных входных напряжений вместо -транзистора используют -транзистор.

Наименьшее входное напряжение, которое можно преобразовать с достаточной точностью, ограничивается уравнением транзистора:

причем (равного 25 мВ при комнатной температуре), т.е. входной сигнал должен быть больше 25 мВ.

Значения входного напряжения смещения и входного тока ОУ не столь критичны, как для логарифмирующего преобразователя, поскольку коэффициент передачи для малых входных сигналов в экспоненциальной схеме очень мал (рассмотренная ранее логарифмирующая схема имела большой коэффициент передачи именно для малых входных сигналов, поэтому важно было обеспечить малые погрешности ОУ). Максимальный входной сигнал ограничен влиянием объемного сопротивлением транзистора. Эту погрешность можно уменьшить на порядок с помощью схемы, приведенной на рис. 8.18.

Основная проблема в базовой схеме связана с температурными изменениями параметров Приведенная на рис. 8.19 практическая

схема построена на основе предыдущего базового варианта. Температурные изменения компенсируются благодаря применению согласованных транзисторов. Влияние температурных колебаний параметра нейтрализуется с помощью термистора. Схема изображена в упрощеном виде, так как некоторые элементы, например, защитные диоды, не показаны.

Резисторы выбираются так, чтобы было можно пренебречь током базы транзистора т.е.

Но , поэтому

Рис. 8.18. Уменьшение влияния объемного сопротивления транзистора.

Рис. 8.19. Практическая схема экспоненциального преобразователя.

Поскольку являются согласованной парой,

Отметим, что транзистор и ОУ обеспечивают получение логарифмированного эталонного напряжения (см. замечания по логарифмирующим преобразователям).

Для правильной работы схемы необходимо выполнение следующих условий.

— Напряжение должно быть положительным, так как иначе напряжение в точке А будет недостаточным для прямого смещения перехода база-коллекгор транзистора что приведет к его запиранию.

— Максимальный входной сигнал не должен превышать величины так как иначе напряжение база-эмиттер транзистора будет одного порядка с и точность преобразования снизится.

Возможность получения идеальной экспоненциальной характеристики ограничивается, главным образом, тем, что под воздействием входного сигнала изменяется напряжение база-коллектор транзистора Это приводит к изменениям логарифмированного эталонного напряжения Лучшая точность достигается при подключении неинвертирующего входа ОУ к точке А, а не к земле, и при использовании для подачи источника тока вместо резистора

Влияние температурной зависимости параметра можно устранить, используя вместо резистора термистор с ТКС, равным при комнатной температуре.

Рассмотрим в заключение процедуру настройки экспоненциального преобразователя, имея в виду, что его передаточная характеристика имеет вид: см.вых

— Для компенсации выходного смещения установите максимальное отрицательное входное напряжение Подстройкой ОУ добейтесь равенства .

— Для подстройки установите равным 0 В. Регулировкой коэффициента передачи установите равным требуемому значению

— Для подстройки установите некоторое значение и вычислите для этого значения. Затем подстройте для получения равного вычисленному значению.

Рекомендации по выбору элементов

Транзисторы. При разработке схемы на дискретных компонентах можно использовать согласованные транзисторные пары, например LM394 или (по поводу отечественных аналогов — см. замечания по выбору элементов для логарифмирующих преобразователей — прим. ред.).

Операционный усилитель. Требования к ОУ не столь жесткие как для логарифмирующих преобразователей, и для большинства случаев подходит любой ОУ общего применения, имеющий достаточно малые смещения, входные токи и требуемое быстродействие.

Резисторы. Для компенсации температурной зависимости параметра используют термисторы с ТКС порядка

Таблица 8.2. Промышленные логарифмирующие и экспоненциальные преобразователи.

(см. скан)

Таблица 8.2. (продолжение)

(см. скан)