Усилитель напряжения управляемый напряжением

Операционный усилитель линеаризует характеристику усилителя, управляемого напряжением

Texas Instruments TL031 NE5534 LF353

Полевые транзисторы широко используются в усилителях, управляемых напряжением, и в аттенюаторах, в которых они служат в качестве переменных сопротивлений. Управляющее напряжение, приложенное к затвору, устанавливает сопротивление канала и общее усиление схемы. Из-за широкого разброса характеристик полевых транзисторов нередко требуется их индивидуальный подбор. Для реализации управляемого напряжением усиления в схеме на Рисунке 1 используется управляющая конфигурация ведущий-ведомый на основе согласованной пары полевых транзисторов. Это усиление является линейной функцией приложенного управляющего напряжения V_C. В отличие от схем, в которых функцию элемента, регулирующего усиление, выполняет один полевой транзистор, схема на Рисунке 1 обеспечивает минимальное усиление при V_C = 0 В и линейное увеличение усиления с ростом V_C. За счет автосмещения схемы также компенсируется разброс характеристик между различными экземплярами транзисторов, делая подбор устройств менее критичным.

Рисунок 1.	Этот управляемый напряжением усилитель имеет динамический диапазон от –55 дБ до 0 дБ.

Схема поддерживает напряжение стока V_DS транзистора Q_1A на низком уровне (V_REF = 50 мВ), гарантирующем, что транзистор работает в линейной области его выходной характеристики. Операционный усилитель IC_1A, управляя напряжением затвора V_GS транзистора Q_1A, поддерживает напряжение V_DS равным V_REF, а Q_1A забирает ток из источника тока Хауленда, сделанного на усилителе IC_1B. Вытекающий ток I_D равен

где V_C – управляющее напряжение. Тогда сопротивление канала R_D в килоомах будет равно

То же напряжение V_GS через резистор R₁₂ приложено к затвору Q_1B. Поскольку транзисторы в Q₁ хорошо согласованы, Q_1A и Q_1B имеют одинаковые сопротивления каналов R_D. При изменении V_C от 0 В до 5 В напряжение V_GS изменяется от значения порядка 370 мВ (ограниченного стабилитроном D₁ для защиты от протекания тока между затвором и истоком) до напряжения отсечки (для транзистора 2N3958 это приблизительно 1.7 В). Усиление G неинвертирующего усилителя IC₂ устанавливается управляемым сопротивлением R_D транзистора Q_1B в соответствии с формулой

Максимальное усиление равно

где R₀ – минимальное сопротивление канала при V_GS = 0, которое для транзистора 2N3958 равно примерно 450 Ом. Минимальное усиление равно 1, когда полевой транзистор не проводит ток (V_GS равно напряжению отсечки). Схема ослабляет уровень входного аудиосигнала до значения менее 10 мВ пик-пик. Это ослабление минимизирует искажения в полевом транзисторе и, кроме того, устанавливает уровень ограничения на выходе IC₂. R₁₃ и C₅ в сочетании с R₁₂ уменьшают искажения при более высоких уровнях сигнала. Если использовать компоненты с номиналами, указанными на схеме, при изменении управляющего напряжения V_C от 0 В до 5 В усиление будет линейно расти от –55 дБ до 0 дБ. Максимальная амплитуда сигнала, с которым может работать схема, равна 6 В пик-пик. На Рисунке 2 показан результат модуляции 500-герцовой синусоиды треугольным сигналом, изменяющимся в диапазоне от 0 В до 4 В.

Рисунок 2.	Треугольные импульсы 0…4 В линейно модулируют 500-герцовый сигнал на аудиовходе.

Чтобы получить наилучшие характеристики схемы, микросхема IC₁ должна иметь низкие значения напряжения смещения и входных токов, такие, скажем, как у операционного усилителя OP290. В качестве IC₂ следует использовать ОУ с большим произведением коэффициента усиления на полосу пропускания, например, NE5534. Однако при сниженном усилении можно с успехом использовать недорогие устройства, такие как LF353 и LF351. Кроме того, если заменить R₁ на 100 кОм и в качестве IC₁ использовать OP290, а в качестве IC₂ – TL031, схему можно питать от источника ±5 В. Максимальный ток, потребляемый схемой при питании напряжениями ±5 В, равен 0.33 мА, что позволяет отнести ее к категории энергоэффективных устройств.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Усилитель напряжения управляемый напряжением

В этой главе рассмотрены усилители, коэффициентом передачи которых можно управлять цифровыми сигналами или аналоговым напряжением. Усилители с цифровым управлением обычно применяются в системах с микропроцессорным управлением и автоматическим выбором предела измерений. Управляемые напряжением усилители (УНУ) часто применяются в системах как самостоятельные узлы, а также как составные части других функциональных блоков, например, в схемах генераторов и усилителей с автоматической регулировкой усиления (АРУ).

5.1. Некоторые способы управления коэффициентом усиления с помощью напряжения

В схеме на рис. 5.1 использован аналоговый умножитель, который сам по себе является типичным УНУ (подробнее об умножителях см. гл. 9). Положительное или отрицательное управляющее напряжение изменяет величину и знак коэффициента усиления этого УНУ. Еще один способ показан на рис. 5.2. В этом случае регулировка усиления осуществляется введенным в схему управляемым напряжением резистором. В качестве управляемого резистора используется достаточно дешевый полевой транзистор, управляющее напряжение подается на его затвор. При изменениях изменяется ширина канала полевого транзистора, при этом изменяется его сопротивление сток-исток и, следовательно, коэффициент передачи усилителя. На я-канальный полевой транзистор

Рис. 5.1. Управляемый напряжением усилитель на основе умножителя.

необходимо подавать отрицательное управляющее напряжение. Регулировочная характеристика при использовании полевого транзистора оказывается нелинейной. Усилители такого типа могут быть как инвертирующими, так и неинвертирующими.

Чтобы избежать значительных искажений, полевой транзистор должен работать на линейном участке характеристики сток-исток. Искажения вызываются тем, что при большом сигнале напряжение сток-исток повышается и происходит модуляция сопротивления канала, а, следовательно, и коэффициента усиления, самим сигналом. Помните о двух моментах: выбор полевого транзистора с большим напряжением отсечки обеспечивает широкий диапазон управления усилением; точность коэффициента усиления и стабильность ограничиваются, главным образом, стабильностью параметров применяемого полевого транзистора.

Можно уменьшить искажения, включив полевой транзистор вместо одного из сопротивлений Т-образной обратной связи усилителя (рис. 5.3). При таком способе уменьшается размах сигнала на транзисторе.

Рис. 5.2. Регулировка усиления с помощью полевого транзистора.

Рис. 5.3. Уменьшение искажений в усилителе, управляемом полевым транзистором.

Искажения дополнительно снижаются при введении резисторов R и для компенсации нелинейности характеристики полевого транзистора. В этом случае рекомендуется выбирать

В качестве УНУ можно использовать преобразователи напряжения в ток (ПНТ), так как они имеют отдельный вход для управления коэффициентом преобразования. В схеме, приведенной на рис. 5.4, ПНТ имеет вход управляющего тока, увеличение которого приводит к возрастанию коэффициента преобразования ПНТ. Выходной ток преобразуется на нагрузочном резисторе в напряжение, которое через буферный усилитель поступает на выход схемы. Важное достоинство схемы заключается в том, что коэффициент передачи линейно зависит от управляющего напряжения. В некоторых микросхемах для снижения искажений на входе установлены линеаризующие диоды. Перечень подходящих микросхем приведен на рис. 5.4.

Источник

Широкодиапазонные усилители с управляемым усилением

ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМ УСИЛЕНИЕМ НА МИКРОСХЕМЕ LT1228

CD-ROM Linear Technology Рис. 3.1

Принимая в расчет входной аттенюатор, позволяющий подавать на вход сигнал уровнем до 3 В_Эфф, коэффициент усиления двух каска­дов LT1228 составляет 2 дБ для тока 1_$ЕТ, равного 1 мА, и 38 дБ для

10 мкА. Полоса пропускания первого каскада зависит от величину

I_SET, но всегда превосходит 10 МГц. Второй каскад имеет полосу про­пускания 100 МГц и скорость нарастания сигнала 1000 В/мкс.

УПРАВЛЕНИЕ УСИЛЕНИЕМ НА МИКРОСХЕМЕ AD539

Последовательным включением двух усилителей с управлением уси­ления AD539 достигается диапазон управления (экспоненциаль­ный) в 55 дБ с полосой пропускания 8 МГц. Выходное напряжение (максимальный размах) составляет 1,5 В и рассчитывается по фор­муле U₂ = U_x 2 U_in / (8U 2 ), где значение напряжения U_x может быть между 0,01 и 3 В (рис. 3.2).

CD-ROM Analog Devices Рис. 3.2

CD-RO M Analog Devices Рис. 3.3

В данном примере (рис 3.3) операционный усилитель обеспечива­ет вычитание сигналов с выходов двух каналов AD539. Выходное на­пряжение рассчитывается по формуле U₂ = U_x (U_Y1 – U_Y2) /(2 В), где

величина единичного усиления для U_x равна 2 В. Значение U_x меж­ду 0,01 и 3,3 В, усиление одного канала может быть изменено в ин­тервале от -45 до +4,3 дБ. При ослаблении на 35 и 45 дБ полоса про­пускания составляет соответственно 50 и 10 МГц.

УПРАВЛЕНИЕ УСИЛЕНИЕМ НА МИКРОСХЕМЕ AD600 ИЛИ AD602

CD-ROM Analog Devices Рис. 3,4

Диапазон изменения коэффициента усиления при напряжении ±625 мВ на входе управления усилением составляет 0-40 дБ для AD600 и 10-30 дБ для AD602. Параллельное соединение каналов уменьшает уровень шумов до 1 В/Гц, сопротивления резисторов на входе и выходе составляют 50 Ом. Максимальная нагрузка 10 дБм.

УПРАВЛЕНИЕ УСИЛЕНИЕМ НА МИКРОСХЕМЕ AD835

Полоса пропускания 50 МГц, диапазон изменения коэффициента уси­ления от -10 до +14 дБ, где 0 дБ соответствует напряжению 0,25 В, а +14 дБ – 1 В. Максимальное усиление определяется делителем, под­ключенным между выводами 5 и 4.

CD-ROM Analog Devices Рис. 3.5

УСИЛИТЕЛЬ 80 МГЦ С УПРАВЛЯЕМЫМ УСИЛЕНИЕМ

Documentation Analog Devices Рис. 3.6

Схема содержит аналоговый перемножитель, за которым следует ши­рокодиапазонный усилитель. Диапазон изменения усиления 80 дБ, максимальный коэффициент усиления равен 4 при R_f = 511 Ом или 10 при R_f = 1,27 кОм, ширина диапазона частот 25 МГц.

ЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ УСИЛЕНИЕМ ДО 71 ДБ

Documentation RF Micro Devices Рис. 3.7

Два каскада усиления в микросхеме RF2601 допускают изменение усиления от 18 до 91 дБ, с шагом в 1 дБ. Значения номиналов дета­лей в данном примере соответствуют частоте сигнала, равной 70 МГц.

УПРАВЛЕНИЕ УСИЛЕНИЕМ С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ УСИЛИТЕЛЕМ НА МИКРОСХЕМЕ AD604

Особенностью схемы, представленной на рис. 3.8, являются очень слабые шумы. Полоса пропускания составляет 40 МГц. Управле­ние усилением «линейное в децибелах». Оно изменяется от 0 до 48 дБ на канал, если используются предварительные усилители с усилением 14 дБ (выводы FBK и РАО соединены), или от б до 54 дБ с предварительным усилением 20 дБ (резистор между выводами FBK и РАО). В дифференциальном режиме, как показано выше, к приведенным значениям нужно добавить 6 дБ. При наличии на­грузки сопротивлением 30 Ом амплитуда выходного сигнала не превышает примерно 2,2 В. Таким образом, схема допускает очень слабое напряжение простого режима и предпочтительней исполь­зовать емкостные входы.

CD-ROM Analog Devices Рис. 3.8

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЕ УПРАВЛЕНИЕ УСИЛЕНИЕМ НА МИКРОСХЕМЕ CLC5523

Изменения амплитуды входного сигнала до 6 дБ могут быть скоррек­тированы за 100 не. В первой схеме операционные усилители U, и U₂ образуют быстродействующий выпрямитель, в то время как усили­тель U₃ используется в качестве интегратора. Максимальный коэф­фициент усиления (от 2 до 100) устанавливается резисторами R_f и R_g. Диапазон регулировки составляет 80 дБ (от 0 до 2 В на выводе 1). Во второй схеме постоянное напряжение управления усилением полу­чено путем приложения сигнала от U1 одновременно к входам усиле­ния и управления усилением U₂.

CD-ROM National Semiconductor, 1997 Рис. 3.10

ЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ УСИЛЕНИЕМ ДО 28 ДБ

Harris Semiconductors, note d’application No. 9641, septembre 1996 Рис. 3.11

Цифро-аналоговый преобразователь (IC1) и усилитель (IC2) при­кладывают к транзистору Q₃ модуля HFA3102. Смещение, при кото­рым становится возможным изменять усиление Q/Qj, – от -16,9 до +11,8 дБ. Полоса пропускания превышает 100 МГц. Усиление может быть изменено с ритмом, достигающим 3 МГц.

УСИЛИТЕЛЬ 30 МГЦ С УПРАВЛЯЕМЫМ УСИЛЕНИЕМ НА МИКРОСХЕМЕ НА2546

Documentation Harris Semiconductor, 1996 Рис. 3.12

Когда напряжение управления (вывод 13) изменяется от 0,9 до 0,03 В, коэффициент усиления по напряжению увеличивается от 20 до 1000. Скорость нарастания сигнала составляет 300 В/мкс. Напряжение питания цепей между выводами 7 и 11 равно ±15 В, сила потребляе­мого тока от источника питания 23 мА.

РЕГУЛИРУЕМЫЙ КАСКАДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Усилитель отличается «линейной в децибелах» регулировкой коэф­фициента усиления. Если линейность очень важна, необходимо со­блюдать точные значения сопротивлений резисторов. Включая со­противления между выводами 5 и 7 операционных усилителей, диапазон усиления можно изменять от -11 до +31 дБ с полосой

CD-ROM Analog Devices Рис. 3. 13

пропускания 90 МГц и от 9 до 51 дБ с полосой пропускания 9 МГц. Показанные на схеме сопротивления по 2,5 кОм ведут к максималь­ному усилению (84 дБ) и полосе пропускания 40 МГц для двух кас­кадов. На частоте 10 МГц амплитуда выходного сигнала составляет 1,4 В_эфф для амплитуд входного сигнала от -67 до +15 дБм. Изме­нение напряжения АРУ (вывод 1) на 1 В приводит к изменению уси­ления на 40 дБ. Емкость конденсатора С_с определяет постоянную Времени регулировки. Входное сопротивление усилителя 100 Ом. Выпрямление осуществляется транзистором Т₂, в то время как тран­зистор T_t образует источник постоянного тока (300 мА).

РЕГУЛИРУЕМЫЙ ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА МИКРОСХЕМАХ MCI496 И N1592

Микросхема NE592 функционирует с номинальным усилением 400. Один из ее выходов (вывод 7) соединен с выпрямительной цепью.

Note d’application AN 141, Philips Semiconductor Рис. 3.14

Постоянное напряжение, полученное таким образом, поступает на перемножитель МС1496. Чем выше это напряжение, тем больше ста­бильность (усиление 0).

РЕГУЛИРОВКА УСИЛЕНИЯ С МИКРОСХЕМАМИ EL4452 И CLC520

Полоса пропускания устройства составляет 50 МГц с минимальным усилением (10), задающимся резисторами R_G и R_r Скорость и ход регулировки зависят от емкостей конденсаторов C_t, С₂ и С_г Опорное напряжение компенсирует постоянную составляющую на выводе 14 и определяет выходную амплитуду сигнала. Аттенюация до 70 дБ возможна на частоте 5 МГц (рис. 3.15).

Documentation Elahtec Рис, 3, I5

Напряжение на выводе 2 (от 0 до 2 В) управляет усилением в диапазоне 40 дБ. Максимальное усиление, ограниченное на уровне 40 дБ, определяется сопротивлением резистора между выводами 4 и 5. Для коэффициента усиления 10 полоса пропускания 160 МГц. Мик­росхема CLC420 функционирует как интегратор (рис. 3.16).

РЕГУЛИРОВКА УСИЛЕНИЯ НА МИКРОСХЕМЕ AD600

CD-ROM Anolog Devices Рис. 3. I7

Устройство перекрывает 80 дБ (-6„.+74 дБ, учитывая 100 Ом между выводами 7 и 14), полоса пропускания 8 кГц на частоте 32 МГц. Од- нополупериодное выпрямление выполняется транзистором. Сопро­тивление с допуском ±1% в цепи эмиттера необходимо для компен­сации температурного влияния.

Источник