กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 5 นาที

เครื่องขยายสัญญาณลอการิทึม

แอ มพลิฟายเออร์แบบลอการิทึม ซึ่งอาจสะกดคำว่า log เป็น logarithmic หรือ logarithm และอาจย่อคำว่า amplifier เป็น amp หรือเรียกว่า converter ก็ได้ คือ แอมพลิฟายเออร์ อิเล็กทรอนิกส์...

เครื่องขยายสัญญาณลอการิทึม

แอมพลิฟายเออร์แบบลอการิทึมซึ่งอาจสะกดคำว่าlogเป็นlogarithmicหรือlogarithmและอาจย่อคำว่าamplifierเป็นampหรือเรียกว่าconverterก็ได้ คือแอมพลิฟายเออร์ อิเล็กทรอนิกส์ ที่ในช่วงแรงดันอินพุตหนึ่งๆจะมีแรงดัน เอาต์พุตที่แปรผัน โดยประมาณกับลอการิทึมของแรงดันอินพุต:

โดยที่เป็นค่าคงที่ในการปรับค่าให้เป็นมาตรฐานในหน่วยโวลต์เป็นตัวประกอบมาตราส่วน และเป็นลอการิทึมธรรมชาติแอมป์ลอการิทึมบางตัวอาจแปลงค่าอินพุตลบเป็นค่าอินพุตบวก (แม้ว่าฟังก์ชันลอการิทึมทางคณิตศาสตร์จะกำหนดไว้สำหรับจำนวนบวกเท่านั้น) และบางตัวอาจใช้กระแสไฟฟ้าเป็นอินพุตแทนแรงดันไฟฟ้า

วงจรขยายสัญญาณลอการิทึมที่ออกแบบโดยใช้ตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ (opamp) ใช้ ความสัมพันธ์ แบบ เอกซ์ โปเนนเชียลระหว่างกระแสและแรงดันของรอยต่อ p–n (จากไดโอดหรือทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ ) เป็นการป้อนกลับเชิงลบเพื่อคำนวณค่าลอการิทึม ส่วนวงจรขยายสัญญาณลอการิทึม แบบหลายขั้นจะต่อวงจรขยายสัญญาณแบบง่ายหลายตัวเข้าด้วยกันเพื่อประมาณเส้นโค้งของลอการิทึม วงจร ขยายสัญญาณลอการิทึมที่ชดเชย อุณหภูมิอาจมี opamp มากกว่าหนึ่งตัวและใช้ส่วนประกอบวงจรที่จับคู่กันอย่างใกล้ชิดเพื่อหักล้างการพึ่งพาอุณหภูมิ วงจร ขยายสัญญาณลอการิทึมแบบวงจร รวม (IC) มี แบนด์วิดท์และ ประสิทธิภาพ ด้านสัญญาณรบกวนที่ดีกว่าและต้องการส่วนประกอบและ พื้นที่ บนแผงวงจรพิมพ์ น้อย กว่าวงจรที่สร้างจากส่วนประกอบแบบแยกชิ้น

การใช้งานเครื่องขยายสัญญาณลอการิทึม ได้แก่:

องค์ประกอบของแอมพลิฟายเออร์ลอการิทึมสามารถจัดเรียงใหม่เพื่อสร้างเอาต์พุตแบบเลขชี้กำลัง ซึ่ง เป็นฟังก์ชันผกผันของลอการิทึมแอมพลิฟายเออร์ดังกล่าวอาจเรียกว่าตัวยกกำลัง แอ มพลิฟายเออร์แอนติลอการิทึมหรือย่อว่าantilog amp [ 3 ]อาจจำเป็นต้องใช้ตัวยกกำลังในตอนท้ายของชุดขั้นตอนการคำนวณแบบอนาล็อกที่ทำในมาตราส่วนลอการิทึม เพื่อคืนมาตราส่วนแรงดันไฟฟ้ากลับไปเป็นมาตราส่วนเอาต์พุตเชิงเส้น นอกจากนี้ สัญญาณที่ถูกบีบอัดโดยแอมพลิฟายเออร์ลอการิทึมอาจถูกขยายโดยตัวยกกำลังในภายหลังเพื่อกลับไปสู่มาตราส่วนเดิม

วงจรไดโอดออปแอมป์พื้นฐาน

วงจรขยายสัญญาณลอการิทึมไดโอดแบบออปแอมป์พื้นฐาน

วงจรขยายสัญญาณลอการิทึมไดโอดแบบพื้นฐานที่แสดงในแผนภาพ ใช้ความสัมพันธ์กระแส-แรงดันแบบเอกซ์โปเนนเชียลของไดโอดสำหรับเส้นทางป้อนกลับเชิงลบของออปแอมป์ โดยที่ขั้วแอโนดของไดโอดเสมือนต่อลงกราวด์ และขั้วแคโทดต่อกับเอาต์พุตของออปแอมป์ซึ่งใช้เป็นเอาต์พุตของวงจร สมการไดโอดของ Shockleyให้ความสัมพันธ์กระแส-แรงดันสำหรับไดโอด เซมิคอนดักเตอร์ในอุดมคติ ในแผนภาพดังนี้:

โดยที่กระแสไหลจากขั้วแอโนดของไดโอดไปยังขั้วแคโทด คือ กระแสอิ่มตัวย้อนกลับของไดโอดและคือแรงดันความร้อน (ประมาณ 26 มิลลิโวลต์ที่อุณหภูมิห้อง) เมื่อกระแสของไดโอดเป็นสัดส่วนโดยประมาณกับฟังก์ชันเลขชี้กำลัง :

เมื่อจัดเรียงสมการใหม่ จะได้แรงดันเอาต์พุตโดยประมาณดังนี้:

แรงดันไฟฟ้าขาเข้าสามารถปรับขนาดและแปลงเป็นกระแสของไดโอดได้อย่างง่ายดายโดยใช้กฎของโอห์มโดยการส่งแรงดันไฟฟ้าขาเข้าผ่านความต้านทานไปยังกราวด์เสมือน ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าขาออกจะมีค่าโดยประมาณดังนี้:

เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการทำงานที่ประสบความสำเร็จของวงจรขยายสัญญาณลอการิทึมนี้คือ สัญญาณอินพุตต้องเป็นบวกเสมอ ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้ตัวเรียงกระแสและตัวกรองเพื่อปรับสภาพสัญญาณอินพุตก่อนที่จะป้อนเข้าสู่ช่องอินพุตของวงจรขยายสัญญาณลอการิทึมจากนั้นสัญญาณอินพุตจะเป็นลบ (เนื่องจากวงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการอยู่ในโหมดกลับเฟส) และมีค่าเป็นลบมากพอที่จะทำให้ไดโอด ได้รับไบแอสไปข้างหน้า

ข้อเสีย

วงจรขยายสัญญาณลอการิทึมจำลองด้วยตัวต้านทาน 1kΩ และไดโอด 1N4148 ที่อุณหภูมิ 25°C (สีน้ำเงิน) และ 50°C (สีม่วง) ค่าความต่างศักย์ (สีแดง) มีค่าประมาณ 50mV

กระแสอิ่มตัวของไดโอดจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ สิบเคลวินที่อุณหภูมิสูงขึ้น และจะแปรผันอย่างมากเนื่องจากความแปรปรวนของกระบวนการผลิตและเนื่องจากแรงดันความร้อนแรงดันเอาต์พุตจึงแปรผันตรงกับอุณหภูมิในหน่วยเคลวินด้วย ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากมากที่จะกำหนดแรงดันอ้างอิงสำหรับวงจรนี้

นอกจากนี้ ความต้านทานรวมของไดโอดจริงยังจำกัดความแม่นยำที่กระแสสูงเนื่องจากเทอมแรงดันที่เพิ่มเข้ามา และกระแสการแพร่ในชั้นผกผันพื้นผิวและผลกระทบการสร้าง-การรวมตัวใหม่ในบริเวณประจุอวกาศทำให้เกิดปัจจัยมาตราส่วนที่กระแสต่ำซึ่งแปรผัน (ระหว่าง 1 ถึง 4) กับกระแส[ 1 ]ด้วยอินพุตใกล้ 0 โวลต์ แอมป์ลอการิทึมจะมี กฎ เชิง เส้น แต่พฤติกรรมที่ไม่เป็นลอการิทึมนี้มักจะหายไปในสัญญาณรบกวนของอุปกรณ์นี้ ซึ่งจำกัดช่วงไดนามิกไว้ที่ 40-60 dB แต่ช่วงไดนามิกสามารถเพิ่มขึ้นได้มากกว่า 120 dB โดยการแทนที่ไดโอดด้วยทรานซิสเตอร์ในการกำหนดค่า "ทรานสไดโอด" [ 4 ]

เพื่อแก้ไขความไม่แม่นยำสำหรับอินพุตขนาดเล็กที่มีขนาดเท่ากับหรือเล็กกว่า และคำถามเกี่ยวกับวิธีการจัดการกับอินพุตที่เป็นลบ วิธีแก้ปัญหาหนึ่งใช้ฟังก์ชันสมมาตร เช่น ฟังก์ชันไซน์ไฮเปอร์โบลิกผกผันซึ่งกราฟจะประมาณค่าสำหรับอินพุตบวกขนาดใหญ่และลบสำหรับอินพุตลบขนาดใหญ่ แต่จะผ่าน 0 อย่างเป็นเส้นตรงสำหรับอินพุตขนาดเล็ก ฟังก์ชันนี้อาจถูกนำไปใช้กับไดโอด N และ P รวมกัน (ซึ่งขายเมื่อหลายปีก่อนในโมดูลชดเชยอุณหภูมิ) เพื่อสร้างสิ่งที่เรียกว่าแอมป์ "ลอการิทึมแท้" หรือแอมป์ "ลอการิทึมเบสแบนด์" (ซึ่งอาจใช้สถาปัตยกรรมแอมป์หลายขั้นตอนแทน ดังที่อธิบายไว้ใน§ แอมป์ลอการิทึมแท้ ) [ 5 ]

การกำหนดค่าทรานไดโอด

วงจรทรานส์ไดโอดที่มีทรานซิสเตอร์แบบไบ โพ ลาร์ (BJT)ต่ออยู่ในวงจรป้อนกลับเชิงลบ

ในขณะที่ไดโอดลอยตัวในการใช้งานออปแอมป์พื้นฐานก่อนหน้านี้ทำให้แรงดันเอาต์พุตขึ้นอยู่กับกระแสออฟเซ็ตอินพุตของออปแอมป์ การกำหนดค่าฐานต่อลงดินหรือ "ทรานสไดโอด" ที่แสดงในแผนภาพไม่มีปัญหานี้ การป้อนกลับเชิงลบทำให้ออปแอมป์ส่งออกแรงดันที่เพียงพอที่จุดเชื่อมต่อฐาน-อีมิเตอร์ของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน (BJT) เพื่อให้แน่ใจว่ากระแสอินพุตที่มีอยู่ทั้งหมดถูกดึงผ่านคอลเลคเตอร์ของ BJT ดังนั้นแรงดันเอาต์พุตจึงอ้างอิงกับกราวด์ที่แท้จริงของฐานทรานซิสเตอร์แทนที่จะเป็นกราวด์เสมือน ในขณะที่วงจรในแผนภาพใช้ทรานซิสเตอร์ npn และสร้างกระแสอินพุตที่เป็นลบและดึงกระแส ทรานซิสเตอร์ pnp จะส่งผลให้เกิดกระแสอินพุตที่เป็นบวกและจ่ายกระแสแทน[ 6 ]

หากมีค่าบวกมากพอที่จะทำให้ค่าลบมากพอที่จะทำให้ จุดเชื่อม ต่อระหว่างตัวส่งและฐานของทรานซิสเตอร์ BJT เกิดการไบแอสไปข้างหน้า (เพื่อให้ทรานซิสเตอร์อยู่ในโหมดการทำงาน) แล้ว:

โดยที่คือกระแสอิ่มตัวของไดโอดอีมิเตอร์-เบส และคือแรงดันความร้อนเนื่องจากมีกราวด์เสมือนที่อินพุตแบบกลับเฟสของออปแอมป์

, และ

แรงดันเอาต์พุตแสดงอยู่ในรูปของลอการิทึมธรรมชาติของแรงดันอินพุต ทั้งกระแสอิ่มตัวและแรงดันความร้อนขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดังนั้นอาจจำเป็นต้องมีการชดเชยอุณหภูมิ

การชดเชยอุณหภูมิ

เนื่องจากโดยทั่วไปจำเป็นต้องมีการชดเชยอุณหภูมิ จึงมักสร้างไว้ในไอซีแอมพลิฟายเออร์ลอการิทึม ชิปคำนวณอนาล็อกบางตัวที่ตามหลังการดำเนินการลอการิทึมด้วยแอนติลอการิทึมอาจชดเชยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของวงจรลอการิทึมได้อย่างสะดวกด้วยการเปลี่ยนแปลงที่คล้ายกันในวงจรแอนติลอการิทึม[ 4 ]

วิธีหนึ่งในการขจัดความขึ้นอยู่กับอุณหภูมิคือการคัดลอกวงจรขยายสัญญาณลอการิทึมแบบ BJT พื้นฐานที่ไม่มีการชดเชย แต่ใช้แหล่งจ่ายกระแส คงที่ แทนตัวต้านทานสำหรับการคัดลอกนี้ จากนั้นจึงต่อวงจรขยายสัญญาณแบบผลต่างตามหลังวงจรขยายสัญญาณลอการิทึมทั้งสอง วงจร BJT ควรมีการจับคู่และอยู่ในสมดุลทางความร้อนเพื่อให้วงจรขยายสัญญาณแบบผลต่างลบแรงดันรอยต่อของ BJT ตัวที่สองเพื่อหักล้างกันในเอาต์พุตของวงจรขยายสัญญาณแบบผลต่าง แหล่งจ่ายกระแสคงที่ยังสามารถใช้เพื่อตั้งค่าจุดตัดแกน x ที่ต้องการ และช่วยให้ผู้ใช้สามารถทำการวัดแบบอัตราส่วนที่สัมพันธ์กับค่าอ้างอิงที่ต้องการ การใช้ตัวตรวจจับอุณหภูมิแบบตัวต้านทาน (เช่นเทอร์มิสเตอร์[ 1 ] ) ในตัวต้านทานการตั้งค่าอัตราขยายของวงจรขยายสัญญาณแบบผลต่างสามารถลดความขึ้น อยู่กับอุณหภูมิที่เหลืออยู่ได้ [ 6 ]สถาปัตยกรรมดังกล่าวมีความแม่นยำสูงมาก ตัวอย่างเช่น ชิป LOG200 ที่วางจำหน่ายในปี 2024 มีช่วงไดนามิก 160 dB โดยมีข้อผิดพลาดในการปฏิบัติตามลอการิทึมต่ำกว่า 0.2% [ 7 ]

เอกสารแนะนำการใช้งาน AN-311 ของ Texas Instrumentsอธิบายถึงวงจรชดเชยอุณหภูมิอีกแบบหนึ่งซึ่งใช้ออปแอมป์เพียงสองตัวแทนที่จะเป็นสามตัว และยังคงรักษาความสอดคล้องของลอการิทึมไว้ที่ 1% นอกจากนี้ยังใช้ทรานซิสเตอร์แบบไบแอส (BJT) ที่จับคู่กันโดยต่อกับออปแอมป์ตัวที่สองเพื่อชดเชยการพึ่งพาอุณหภูมิของ BJT ตัวแรกโดยการหักล้างค่าความแตกต่างระหว่างค่าของ BJT ตัวแรก ลบด้วยค่า ของ BJT ตัวที่สอง ขั้วคอลเลคเตอร์ของ BJT ตัวที่สองได้รับกระแสคงที่จาก แหล่งอ้างอิงแรงดัน ไดโอดซีเนอร์ ที่ชดเชยอุณหภูมิ และขั้วอีมิเตอร์ของมันต่อกับขั้วอีมิเตอร์ของ BJT ตัวแรก ซึ่งต่อผ่านตัวต้านทานกับเอาต์พุตของออปแอมป์ตัวที่สองด้วย ค่าของ BJT ตัวที่สอง จะคงที่เนื่องจากกระแสคอลเลคเตอร์คงที่ แรงดันเบสของ BJT ตัวที่สองเทียบกับกราวด์คือดังนั้นจึงไม่มีส่วนประกอบใดๆ ค่านี้จะถูกส่งออกผ่านจุดกึ่งกลางของตัวแบ่งแรงดันที่ชดเชยอุณหภูมิ (โดยที่ตัวต้านทานตัวหนึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิสูงกว่ามาก) เพื่อชดเชยการพึ่งพาอุณหภูมิของ วงจรนี้ยังสามารถกลับด้านเพื่อสร้างตัวยกกำลังได้อีกด้วย[ 3 ]

ข้อเสีย

ตัวแปลงลอการิทึม BJT อาจยังคงมีการปฏิเสธอุณหภูมิที่ไม่ดีและการปฏิบัติตามลอการิทึมที่ไม่ดีในช่วงการเปลี่ยนแปลงกระแสที่กว้าง และเนื่องจากแบนด์วิดท์ของ BJT ขึ้นอยู่กับกระแส แบนด์วิดท์ของตัวแปลงลอการิทึม-แอนติลอการิทึมจึงแปรผันตามแอมพลิจูดของสัญญาณและลดลงจนเกือบเป็นศูนย์เมื่อแอมพลิจูดของสัญญาณลดลง มีการกล่าวอ้างว่าตัวแปลงลอการิทึมด้อยกว่าการใช้ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัลแบบเดลต้า-ซิกมา ความละเอียดสูงที่ทันสมัย และทำการคำนวณแบบดิจิทัล[ 8 ]

สถาปัตยกรรมแอมป์ลอการิทึมหลายขั้นตอน

ในขณะที่วงจรก่อนหน้านี้ใช้ความสัมพันธ์กระแส-แรงดันแบบเอกซ์ponential ของจุดเชื่อมต่อ p–n ในการคำนวณฟังก์ชันลอการิทึม วิธีการต่อไปนี้จะประมาณค่าฟังก์ชันลอการิทึมโดยการต่อวงจรขยายสัญญาณที่เรียบง่ายกว่าหลายตัวเข้าด้วยกัน

วงจรขยายสัญญาณลอการิทึมแบบหลายขั้นตอนพื้นฐาน

แอมป์ลอการิทึมแบบหลายขั้นตอนพื้นฐานทำงานโดยการเรียง แอมป์เชิงเส้นNตัวเรียงกัน โดยแต่ละตัวมีอัตราขยาย A  dB แล้วจึงรวมผลลัพธ์เข้าด้วยกัน สำหรับสัญญาณขนาดเล็กที่แอมป์ตัวสุดท้ายไม่อิ่มตัว อัตราขยายรวมจะเป็นN·A  dB อย่างไรก็ตาม เมื่อระดับสัญญาณอินพุตเพิ่มขึ้น แอมป์ตัวสุดท้ายจะจำกัด และทำให้เกิดการมีส่วนร่วมคงที่ในการรวม ดังนั้นอัตราขยายจะลดลงเหลือ(N-1)·A  dB เมื่อสัญญาณเพิ่มขึ้น แอมป์ตัวรองสุดท้ายจะจำกัด และเป็นเช่นนี้ไปเรื่อยๆ จนกระทั่งแอมป์ตัวแรกจำกัด เส้นโค้งที่ได้จะเป็นการประมาณฟังก์ชันเชิงเส้นแบบเป็นช่วงของฟังก์ชันลอการิทึม[ 9 ]

แอมป์ลอการิทึมแท้

หากนำแอมพลิฟายเออร์จำกัดที่ตัดสัญญาณ "อย่างนุ่มนวล" มาต่ออนุกรมโดยไม่ทำการรวมสัญญาณ การประมาณค่า (ซึ่งอาจอยู่ในช่วง 0.1 dB) บางครั้งเรียกว่า "แอมพลิฟายเออร์ลอการิทึมแท้" การตอบสนองของทั้งแอมพลิฟายเออร์ลอการิทึมแท้และแอมพลิฟายเออร์ลอการิทึมหลายขั้นตอนพื้นฐานนั้นไม่ใช่ลอการิทึมอย่างแท้จริง เนื่องจากมีความสมมาตรเกี่ยวกับศูนย์ (ในขณะที่ฟังก์ชันลอการิทึมทางคณิตศาสตร์ไม่สามารถกำหนดได้สำหรับอินพุตที่เป็นลบ) และเป็นเชิงเส้นสำหรับอินพุตขนาดเล็ก แต่ฟังก์ชันการถ่ายโอนแบบสมมาตรดังกล่าวก็ใช้ได้ดีสำหรับ อินพุต AC ที่ต่อแบบคาปาซิทีฟ เช่น จาก ตัวรับสัญญาณ เรดาร์คำว่า "ตัวแปลงลอการิทึม" อาจอธิบายการทำงานดังกล่าวได้ดีกว่าคำว่า "แอมพลิฟายเออร์ลอการิทึม" [ 1 ]

แอมป์บันทึกการตรวจจับต่อเนื่อง

สถาปัตยกรรมแอมป์ลอการิทึมการตรวจจับต่อเนื่องเป็นรูปแบบหนึ่งของสิ่งนี้ซึ่งใช้ตัวตรวจจับคลื่นเต็มหรือครึ่งคลื่นจากเอาต์พุตของแต่ละขั้นของแอมป์ โดยทั้งหมดเชื่อมต่อกับโหนดเอาต์พุตของแอมป์ลอการิทึม[ 9 ]

ดูเพิ่มเติม

  • วงจรขยายสัญญาณลอการิทึม DC แบบรวมในตัวจาก Maxim รุ่น AN 36211
  • อิเล็กทรอนิกส์อนาล็อกด้วย Op Ampsโดย AJ Peyton และ V. Walsh
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Log_amplifier&oldid=1276397838 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ เครื่องขยายสัญญาณลอการิทึม

แอ มพลิฟายเออร์แบบลอการิทึม ซึ่งอาจสะกดคำว่า log เป็น logarithmic หรือ logarithm และอาจย่อคำว่า amplifier เป็น amp หรือเรียกว่า converter ก็ได้ คือ แอมพลิฟายเออร์ อิเล็กทรอนิกส์...

วงจรไดโอดออปแอมป์พื้นฐาน

วงจรขยายสัญญาณลอการิทึมไดโอดแบบพื้นฐานที่แสดงในแผนภาพ ใช้ความสัมพันธ์กระแส-แรงดันแบบเอกซ์โปเนนเชียลของไดโอดสำหรับเส้นทางป้อนกลับเชิงลบของออปแอมป์ โดยที่ขั้วแอโนดของไดโอดเสมือน ต่อลงกราว ด์ และขั้วแคโทดต่อกับเอาต์พุตของออปแอมป์ซึ่งใช้เป็นเอาต์พุตของวงจร สม...

ข้อเสีย

กระแสอิ่มตัวของไดโอดจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ สิบ เคลวิน ที่อุณหภูมิสูงขึ้น และจะแปรผันอย่างมากเนื่องจาก ความแปรปรวนของกระบวนการผลิต และเนื่องจากแรงดันความร้อนแรงดันเอาต์พุตจึงแปรผันตรงกับอุณหภูมิในหน่วยเคลวินด้วย...

การกำหนดค่าทรานไดโอด

ในขณะที่ไดโอดลอยตัวในการใช้งานออปแอมป์พื้นฐานก่อนหน้านี้ทำให้แรงดันเอาต์พุตขึ้นอยู่กับกระแสออฟเซ็ตอินพุตของออปแอมป์ การกำหนดค่าฐานต่อลงดินหรือ "ทรานสไดโอด" ที่แสดงในแผนภาพไม่มีปัญหานี้...