Логарифмический преобразователь

Изобретение относится к устройствам преобразования аналоговых электрических сигналов. Технический результат заключается в повышении точности работы в широком диапазоне температур. Преобразователь содержит операционные усилители (ОУ) (2, 9), источник входного тока (1), логарифмирующий (3) и линеаризирующий (4) транзисторы (Т), масштабный (5) и нормирующий (6) резисторы (Р), термостабилизирующий (7) и термокомпенсирующий (8) Т, источник тока смещения (10) с токозадающим Р (11) на входе, Р (12) и (13), образующие делитель напряжения в цепи обратной связи ОУ (9). Преобразователь содержит также последовательно включенные источник опорного напряжения (ИОН) (14), сумматор (15), второй и третий входы которого соединены с базой и эмиттером Т (8), нелинейный элемент (16), второй вход которого соединен с ИОН (14), множительное устройство (МУ) (17), второй вход которого соединен с выходом ОУ (9), и дифференциальный усилитель (ДУ) (18), другой вход которого соединен с с вторым входом МУ (17), а выход ДУ является выходом преобразователя. 1 ил.

 

Предполагаемое изобретение относится к устройствам преобразования аналоговых электрических сигналов по логарифмическому закону и может применяться в различных областях техники.

Известны логарифмические преобразователи, содержащие операционные усилители, логарифмирующий транзистор и элемент термокомпенсации (см., например, Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. М., "Советское радио", 1979, с.171-178, рис.4, 4.17 а); 4.18 б); 4.20 б); а также Проектирование устройств на базе аналоговых функциональных модулей и интегральных схем. Справочник по нелинейным схемам под ред. Шейнголда Д. М., Мир, 1977, с. 466-469, фиг. 4.2.8 и др.). Однако данные логарифмические преобразователи характеризуются низкой точностью работы в большом диапазоне входных токов и относительно большой температурной погрешностью.

Прототипом заявленного устройства является логарифмический преобразователь по авторскому свидетельству №913403, МПК G 06 G 7/24, содержащий первый и второй операционные усилители, источник входного тока, логарифмирующий и линеаризирующий транзисторы, масштабный и нормирующий резисторы, термостабилизирующий и термокомпенсирующий транзисторы, источник смещения с токозадающим резистором и резистивный делитель напряжения в цепи обратной связи второго операционного усилителя.

В этом логарифмическом преобразователе за счет применения в нем соответствующим образом включенных линеаризующего транзистора, нормирующего резистора, термостабилизирующего и термокомпенсирующего транзисторов, а также терморезистора в резистивном делителе напряжения обеспечено повышение точности работы в широком диапазоне входных токов.

Недостаток данного логарифмического преобразователя заключается в следующем. Выходное напряжение U этого преобразователя связано с величиной входного тока I в соответствии с выражением (см. А.Коломбет. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. М., Радио и связь, 1991, с.106-108):

где - температурный потенциал, В;

Т - температура окружающей среды, К;

1≤ m≤ 2 - технологический коэффициент;

k=1,38· 10^-23 - постоянная Больцмана, Дж/К;

q=1,6· 10^-19 - заряд электрона, Кл;

I₀ - постоянный ток, протекающий через термокомпенсирующий транзистор, А;

R_1, R₂ - сопротивления нормирующего и масштабного резисторов соответственно;

R₄ - сопротивление терморезистора;

R₅ - сопротивление масштабного резистора обратной связи.

Как видно из этого выражения, коэффициент преобразования в значительной степени определяется параметрами терморезистора R₄, и при использовании для него металлического термопреобразователя сопротивления полной температурной стабильности получить нельзя, особенно в случае широкого диапазона температур, при которых должен работать преобразователь. Применение для уменьшения этой составляющей температурной погрешности дополнительного термостатирования существенно усложняет преобразователь (см. В.А.Прянишников и П.Н.Лепешкин. Температурная погрешность термостабилизированных логарифмических преобразователей тока. Известия ВУЗов. "Приборостроение", 1985, №4, с.50-56).

Кроме того, применение в данном логарифмическом преобразователе терморезистора, который не реализуется средствами интегральной технологии, приводит к ухудшению технологичности преобразователя и не позволяет выполнять его в виде одной интегральной схемы.

Задачей предполагаемого изобретения является повышение точности работы логарифмического преобразователя в широком диапазоне температуры и улучшение его технологичности.

Для решения указанной задачи в логарифмический преобразователь, содержащий первый и второй операционные усилители, источник входного тока, выход которого через масштабный резистор соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к шине нулевого потенциала, логарифмирующий транзистор, эмиттер которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, а база и коллектор подключены к базе линеаризирующего транзистора, эмиттер которого через нормирующий резистор подключен к выходу источника входного тока, а коллектор к выходу первого операционного усилителя, термостабилизирующий транзистор, коллектор и база которого подключены к выходу первого операционного усилителя, а эмиттер соединен с коллектором логарифмирующего транзистора, термокомпенсирующий транзистор, база и коллектор которого подключены к эмиттеру термостабилизирующего транзистора, источник тока смещения, выход которого подключен к эмиттеру термокомпенсирующего транзистора и к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с выходом резистивного делителя напряжения, включенного между выходом второго операционного усилителя и шиной нулевого потенциала, причем логарифмирующий и линеаризирующий, термостабилизирующий и термокомпенсирующий транзисторы попарно находятся в тепловом контакте, введены последовательно включенные источник опорного напряжения, сумматор, второй и третий входы которого соединены соответственно с базой и эмиттером термокомпенсирующего транзистора, нелинейный элемент, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, множительное устройство, второй вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя, и дифференциальный усилитель, другой вход которого соединен со вторым входом множительного устройства, а выход дифференциального усилителя является выходом логарифмического преобразователя.

Функциональная схема предлагаемого логарифмического преобразователя приведена на чертеже.

Логарифмический преобразователь содержит источник входного тока 1, первый операционный усилитель 2, логарифмирующий 3 и линеаризирующий 4 транзисторы, масштабный 5 и нормирующий 6 резисторы, термостабилизирующий 7 и термокомпенсирующий 8 транзисторы, второй операционный усилитель 9, источник тока смещения 10 с токозадающим резистором 11 на выходе, резисторы 12 и 13, образующие делитель напряжения в цепи обратной связи операционного усилителя 9. Преобразователь содержит также последовательно включенные источник опорного напряжения 14, сумматор 15, второй и третий входы которого соединены соответственно с базой и эмиттером термокомпенсирующего транзистора 8, нелинейный элемент 16, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 14, множительное устройство 17, второй вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя, и дифференциальный усилитель 18, другой вход которого соединен со вторым входом множительного устройства 17, а выход дифференциального усилителя является выходом преобразователя.

На чертеже в качестве примера показана возможная реализация нелинейного элемента 16, содержащего операционный усилитель 19, резисторы 20...22 и перемножитель напряжений 23.

Логарифмический преобразователь работает следующим образом.

Источник тока смещения 10 с токозадающим резистором 11 формирует ток I₀, протекающий через транзистор 8. При этом напряжение U₁ на выходе операционного усилителя 9 в зависимости от входного тока I и тока смещения I₀ составляет

где Т_H - номинальное значение температуры окружающей среды, К;

Δ T=Т-Т_H - отклонение температуры окружающей среды от номинального значения, К;

R₅, R₆, R₁₂, R₁₃ - сопротивления резисторов соответственно 5, 6, 12 и 13.

Из выражения (2) следует, что в напряжении U₁ наряду с полезной составляющей, пропорциональной логарифму входного тока, присутствует дополнительная мультипликативная погрешность, обусловленная влиянием изменения температуры окружающей среды Δ T.

С целью термокомпенсации в предлагаемом устройстве используется зависимость напряжения на эмиттерном переходе транзистора 8 U_БЭ от температуры

где U_H - значение напряжения, соответствующее температуре Т_H;

а - температурный коэффициент, В/К.

Выходное напряжение сумматора 15 описывается выражением

где K₁, К₂ - коэффициенты передачи сумматора 15;

А=К₂·а - постоянный коэффициент.

Напряжение U₃, формируемое нелинейным элементом 16, соответствует выражению

где K₃=K₄·A· T_H/U₀, K₄ - постоянные коэффициенты.

При этом напряжение U₄ на выходе множительного устройства 17 и выходное напряжение U₅ дифференциального усилителя 18 составляют

где К₅, К₆ - коэффициенты передачи дифференциального усилителя 18;

К_ПС - коэффициент передачи множительного устройства 17.

С учетом формул (6, 7) напряжение U₅ описывается выражением

Из формул (2, 8) при выполнении условия следует, что выходное напряжение преобразователя составляет

где - коэффициент преобразования.

При реализации нелинейного элемента 16 в соответствии с чертежом коэффициенты формулы (5) связаны с параметрами схемы следующими соотношениями

где R₂₀, R₂₁, R₂₂ - сопротивления резисторов 20, 21, 22.

Как следует из выражения (9), в предлагаемом устройстве отсутствует методическая погрешность термокомпенсации. Вследствие идентичности параметров (и, в частности, показателей тепловой инерции) транзисторов 3 и 4, 7 и 8 уменьшается также динамическая составляющая температурной погрешности.

Эффективность повышения точности работы предлагаемого логарифмического преобразователя можно показать на конкретном примере.

Так, если в логарифмическом преобразователе, являющемся прототипом заявляемого устройства, в качестве терморезистора применен термопреобразователь сопротивления медный с температурным коэффициентом сопротивления 4.28· 10^-3 ° С^-1 класса допуска А (см. ГОСТ 6651-94 Термопреобразователи сопротивления. Общие технические условия и методы испытаний) и диапазон температур составляет от -10 до 70° С, то при оптимальном выборе коэффициента передачи резистивного делителя напряжения в цепи обратной связи второго операционного усилителя температурная погрешность логарифмического преобразователя, вычисленная с учетом погрешности термопреобразователя сопротивления и температурной погрешности резистора (типа С2-29В группы А) в цепи обратной связи второго операционного усилителя, составит 0.35%. Температурная погрешность предлагаемого устройства, в котором температурная погрешность множительного устройства 17 составляет 0.23%, а коэффициенты передачи резистивного делителя 12, 13, сумматора 15, нелинейного элемента 16 и дифференциального усилителя 18 воспроизводятся с помощью резисторной матрицы, характеризующейся температурной погрешностью отношения резисторов 0.011%, составит 0.09%.

Кроме того, рассмотренный преобразователь в отличие от устройства-прототипа не содержит терморезистор, применение которого не допускает изготовления преобразователя в целом по интегральной технологии, в то время как дополнительно введенные в преобразователь элементы реализуются по этой технологии, в результате чего улучшается технологичность преобразователя и обеспечивается возможность его выполнения в виде одной интегральной схемы.

Таким образом, в предложенном логарифмическом преобразователе за счет введения в него соответствующим образом соединенных и реализуемых средствами интегральной технологии источника опорного напряжения, сумматора, нелинейного элемента, множительного устройства и дифференциального усилителя достигается повышение точности работы преобразователя в широком диапазоне рабочих температур и улучшение его технологичности.

Логарифмический преобразователь, содержащий первый и второй операционные усилители, источник входного тока, выход которого через масштабный резистор соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к шине нулевого потенциала, логарифмирующий транзистор, эмиттер которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, а база и коллектор подключены к базе линеаризирующего транзистора, эмиттер которого через нормирующий резистор подключен к выходу источника входного тока, а коллектор к выходу первого операционного усилителя, термостабилизирующий транзистор, коллектор и база которого подключены к выходу первого операционного усилителя, а эмиттер соединен с коллектором логарифмирующего транзистора, термокомпенсирующий транзистор, база и коллектор которого подключены к эмиттеру термостабилизирующего транзистора, источник тока смещения, выход которого подключен к эмиттеру термокомпенсирующего транзистора и к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с выходом резистивного делителя напряжения, включенного между выходом второго операционного усилителя и шиной нулевого потенциала, причем логарифмирующий и линеаризирующий, термостабилизирующий и термокомпенсирующий транзисторы попарно находятся в тепловом контакте, отличающийся тем, что в него введены последовательно включенные источник опорного напряжения, сумматор, второй и третий входы которого соединены соответственно с базой и эмиттером термокомпенсирующего транзистора, нелинейный элемент, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, множительное устройство, второй вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя, и дифференциальный усилитель, другой вход которого соединен со вторым входом множительного устройства, а выход дифференциального усилителя является выходом логарифмического преобразователя.