7.7: Розширена тема

Last updated
Save as PDF

Page ID: 35294

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

7.7.1: Точний підсилювач журналу

Основний підсилювач журналу, розглянутий раніше, страждає від двох основних проблем: повторюваності та чутливості до температури. Давайте докладніше розглянемо Рівняння 7.6.5. По-перше, якщо ви працюєте назад через деривацію, ви помітите, що константа 0.0259 насправді\(K T/q\) використовує температуру 300 К. Таким чином, ми можемо переписати це рівняння як,

\[ V_{out} =− \frac{K T}{q} ln \frac{V_{in}}{R_i I_s} \label{7.19} \]

Зверніть увагу, що вихідна напруга прямо пропорційно температурі ланцюга,\(T\). Зазвичай це не бажано. Другий пункт інтересу - це\(I_s\). Цей струм може значно відрізнятися між пристроями, а також чутливий до температури, приблизно подвоюючись на кожен\(^{\circ}\) підйом 10° C. З цих причин кращими є комерційні підсилювачі журналів, такі як згадані раніше. Це не означає, що з базових будівельних блоків операційного підсилювача неможливо створити стабільні підсилювачі журналу. Навпаки, більш уважний погляд на практичні схеми рішення вкаже на те, чому спеціалізовані мікросхеми журналів успішні. Ми розглянемо ці дві проблеми окремо.

7.7.1.PNG

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Високоякісний підсилювач журналу.

Одним із способів видалення ефекту\(I_s\) від нашого підсилювача журналу є віднімання рівного ефекту. Схема малюнка\(\PageIndex{1}\) робить саме це. Ця схема використовує два підсилювачі журналу. Хоча кожен з них намальований з вхідним резистором і джерелом вхідної напруги, видалення\(R_1\) і\(R_2\) дозволить струм зондування входів. Транзистор кожного лог-підсилювача є частиною узгодженої пари. Ці два транзистори виготовлені на одній кремнієвій пластині і демонструють майже однакові характеристики (в нашому випадку, найпомітніше істота\(I_s\)).

На основі рівняння\ ref {7.19} знаходимо

\[ V_A = \frac{−K T}{q} ln \frac{V_{in1}}{R_1 I_{s1}} \nonumber \]

\[ V_B = \frac{−K T}{q} ln \frac{V_{in2}}{R_2 I_{s2}} \nonumber \]

Де, як правило,\(R_1 = R_2\). Ці два сигнали подаються в диференціальний підсилювач, що складається з операційного підсилювача 3, і резисторів\(R_3\) через\(R_6\). Зазвичай він встановлюється для посилення єдності. Вихід диференціального підсилювача (точка С) дорівнює

\[ V_C = V_B − V_A \nonumber \]

\[ V_C = \frac{−K T}{q} ln \frac{V_{in2}}{R_2 I_{s2}} – \left( − \frac{K T}{q} ln \frac{V_{in1}}{R_1 I_{s1}} \right) \nonumber \]

\[ V_C = \frac{K T}{q} \left( ln \frac{V_{in1}}{R_1 I_{s1}} − ln \frac{V_{in2}}{R_2 I_{s2}} \right) \label{7.20} \]

Використовуючи базовий ідентифікатор, який віднімає журнали, є таким же, як ділення їх аргументів,\ ref {7.20} стає

\[ V_C = \frac{K T}{q} ln \frac{\frac{V_{in1}}{R_1 I_{s1}}}{\frac{V_{in2}}{R_2 I_{s2}}} \label{7.21} \]

Оскільки\(R_1\) зазвичай встановлюються рівні\(R_2\),\(I_{s1}\) і\(I_{s2}\) є ідентичними через те, що\(Q_1\) і\(Q_2\) є відповідними пристроями,\ ref {7.21} спрощує

\[ V_C = \frac{K T}{q} ln \frac{V_{in1}}{V_{in2}} \label{7.22} \]

Як бачите, ефект від\(I_s\) був знятий. \(V_C\)є функцією співвідношення двох входів. Тому ця схема називається підсилювачем коефіцієнта журналу. Єдиний ефект, що залишився - зміна температури. Для компенсації цього використовується операційний підсилювач 4. Цей етап трохи більше, ніж стандартний SP неінвертирующий підсилювач. Що робить його унікальним,\(R_8\) це те, що чутливий до температури резистор. Цей компонент має позитивний температурний коефіцієнт опору, що означає, що при підвищенні температури зростає і його опір. Оскільки посилення цього етапу є\(1 + (R_7/R_8)\), підвищення температури викликає зменшення посилення. Поєднання цього з\ ref {7.22} створює

\[ V_{out} = \left( 1+ \frac{R_7}{R_8} \right) \frac{K T}{q} ln \frac{V_{in1}}{V_{in2}} \label{7.23} \]

Якщо температурний коефіцієнт\(R_8\) обраний правильно, перші два залежних від температури умови\ ref {7.23} скасуються, залишаючи температурний стабільний контур. Цей коефіцієнт становить приблизно 1/300 К, або 0,33% на С\(^{\circ}\), в безпосередній близькості від кімнатної температури.

Наша схема співвідношення журналу все ще не завершена. Хоча основні проблеми стабільності були усунені, інші проблеми існують. Важливо відзначити, що транзистор, який використовується в контурі зворотного зв'язку, навантажує операційний підсилювач, так само, як і звичайний резистор\(R_f\) зворотного зв'язку. Різниця полягає в тому, що ефективний опір, який бачить операційний підсилювач, динамічний опір база-випромінювача,\(r^{'}_e\). Цей опір змінюється в залежності від струму, що проходить через транзистор, і було виявлено рівним 26m\(V/I_E\) при кімнатній температурі. Для більш високих вхідних струмів цей опір може бути дуже малим і може призвести до перевантаження. Струм 1 мА, наприклад, буде виробляти ефективне навантаження всього 26\(\Omega\). Цю проблему можна полегшити, вставивши опір великого значення в контур зворотного зв'язку. Цей резистор, маркований\(R_E\), зображений на малюнку\(\PageIndex{2}\). Відповідне значення для\(R_E\) можна знайти, розуміючи, що при насиченні практично весь вихідний потенціал буде скинутий поперек\(R_E\), за винятком\(V_{BE}\). Струм через\(R_E\) - це максимальний очікуваний вхідний струм плюс струм навантаження. Використовуючи закон Ома,

7.7.2.png

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Компоненти компенсації.

\[ R_E = \frac{V_{sat} − V_{BE}}{I_{max}} \label{7.24} \]

На малюнку\(\PageIndex{2}\) також показаний компенсаційний конденсатор,\(C_c\). Цей конденсатор використовується для відкату високочастотного посилення з метою придушення можливих коливань високої частоти. Оптимальне значення для\(C_c\) визначити непросто, так як опір елемента зворотного зв'язку змінюється з рівнем входу. Його можна знайти емпіричним шляхом в лабораторії. Типове значення буде в районі 100 пФ. ¹

Одне з можливих застосувань для схеми співвідношення колод знаходиться на рис\(\PageIndex{3}\). Ця система використовується для вимірювання світлопропускання даного матеріалу. Оскільки зміни джерела світла вплинуть на пряме вимірювання, замість цього вимірювання проводиться відносно відомого матеріалу. У цьому прикладі світло пропускається через відоме середовище (наприклад, вакуум), в той час як воно одночасно пропускається через досліджуване середовище. На дальній стороні обох матеріалів знаходяться світлочутливі пристрої, такі як фотодіоїди, фототранзистори або фотомультиплікаторні трубки. Ці пристрої будуть видавати струм, пропорційний кількості світла, що потрапляє в них. У цій системі ці струми подаються в ланцюг коефіцієнта журналу, який потім буде виробляти вихідну напругу, пропорційну здатності світлопропускання нового матеріалу. Ця установка усуває проблему коливання джерела світла, оскільки кожен вхід побачить однакову процентну зміну інтенсивності світла. Ефективно, це синфазний сигнал, який пригнічується секцією диференціального підсилювача. Ця система також усуває труднощі генерації каліброваних показань інтенсивності світла для порівняння. За своєю природою ця система виконує відносні показання.

7.7.3.png

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Вимірювання світлопроникності.

Посилання

¹ Детальний похідний для Cc можна знайти в Daniel H. Sheingold, ред., 2d ред. Довідник з нелінійних схем, (Норвуд, мас.: Аналогові пристрої, 1976) стор. 174—178.