ОЭиЦСТ (Аналоговые Перемножители Напряжения)

Перемножитель Прологарифмировав сигналы U A и U B, мы складываем их с помощью суммирующего усилителя на ОУ. Известно, что сумма логарифмов двух чисел равна логарифму их произведения. Тогда, выполнив экспоненциальное преобразование, на выходе получаем произведение входных сигналов.

Устройство и принцип действия Аналоговыми перемножителями напряжений называют интегральные микросхемы, предназначенные для выполнения операции перемножения двух сигналов и выдачи результата перемножения в форме напряжения

Разновидности Полярность выходного напряжения определяется полярностями двух входных напряжений, каждое из которых может быть как положительным, так и отрицательным. Четырёх-квадратный перемножитель – перемножитель у которого входные и выходные сигналы могут быть как положительными так и отрицательными и при этом их полярности согласованы. Двух-квадратный перемножитель – перемножитель у которого сигнал на выходе меняет свою полярность при изменении полярности только у одного входного сигнала. Одно-квадратный перемножитель – перемножитель у которого все сигналы могут быть только однополярными.

Передаточные характеристики

Напряжение выхода U вых Масштабирующее напряжение U r обычно является постоянным (хотя и с подстройкой), но в большинстве микросхем перемножителей значением этого напряжения можно управлять, подавая ток или напряжение управления на третий вход. В аналоговых перемножителях выходное напряжение зависит от двух входных напряжений, его характеристики могут сложным образом зависеть от этих напряжений. В реальном перемножителе выходное напряжение оказывается пропорциональным не только произведению входных сигналов, но и самим входным сигналам, поэтому для его оценки обычно пользуются формулой Где: К и постоянный коэффициент передачи умножителя, К ху К у коэффициенты, определяющие смещение, зависящее от уровня входных сигналов U x и U y, К 0 смещение нулевого уровня.

Несколько способов построения Разработано несколько способов построения аналоговых перемножителей напряжения: логарифмирующие, квадратирующие, с широтно-импульсной модуляцией и др., однако в интегральных микросхемах преимущественно применяется метод построения перемножителей на принципе переменной крутизны.

Упрощённая схема перемножителя

Упрощённая схема четырёх-квадратного перемножителя

Схема входного логарифмического преобразователя

Благодаря логарифмическому преобразованию происходит компрессия (сжатие) входного сигнала U' x в сравнительно небольшое из­ менение выходного напряжения U x, которое подается на вход перемножителя. По сути дела анало­гичное преобразование выполняется и в канале напряжения U y, только роль диодных нагрузок выполняют переходы база-эмиттер транзисторов.

Основными параметрами перемножителей и напряжений являются: Кроме перечисленных иногда приводятся дополнительные параметры перемножителей: скорость нарастания выходного напряжения, фазовый сдвиг при изменении частоты входных сигналов, входное сопротивление и выходное сопротивление. Погрешность перемножения является результирующей и зависит от всех частных погрешностей: погрешности, вызванной смещением нулевого уровня; погрешности пролезания сигналов U x и U y ; нелинейности характеристики перемножения и погрешности масштабирующего коэффициента К м.

Масштабирующий коэффициент Масштабирующий коэффициент K м представляет собой статический параметр и в большинстве перемножителей его значение принято равным 0,1 В '. Однако в ряде случаев применяются масштабирующие коэффициенты, отличные от этого значения. В некоторых случаях имеется даже возможность подстройки масштабирующего коэффициента. Погрешность масштабирующего коэффициента может быть сведена к нулю подстройкой в какой- либо точке диапазона. Подстроить значение масштабирующего коэффициента во всем диапазоне невозможно из-за нелинейности.

Погрешности Погрешность нелинейности не поддается уменьшению. Обычно её оценивают по максимальному отклонению от среднего значения масштабирующего коэффициента. Погрешность, связанная с прямым прохождением сигнала, состоит из двух частей линейной и нелинейной. Линейная часть является произведением напряжения на сигнальном входе и напряжения смещения нуля. Её можно скомпенсировать до нуля введением равного по значению и противоположного по знаку напряжения коррекции на подстраиваемом входе. Нелинейная часть обусловлена нелинейностью схемы перемножителя и её нельзя убрать подстройкой смещения.

Динамика перемножителя Динамика перемножителя характеризуется полосой пропускания по уровню 0,7 при малом сигнале (т.е. по уменьшению коэффициента передачи на ЗдБ). Понятие «малый» сигнал означает, что уровень выходного сигнала не превышает 10% от максимального значения выходного напряжения. Полоса пропускания существенным образом зависит от сопротивлений нагрузки перемножителя. В связи с этим перемножители, которые предназначены для работы в широкой полосе частот, имеют открытый коллекторный выход, к которому подключается внешнее сопротивление нагрузки. Так, например, для перемножителя МС1495 при сопро­ тивлении нагрузки 11 к Ом полоса пропускания равна 3 МГц, а при сопротивлении 50 Ом полоса пропускания расширяется до 80 МГц.

Классификация и типы перемножителей Перемножители напряжений можно разделить по следующим признакам: принципу действия, полосе частот и погреш­ности перемножения. По принципу действия перемножители можно разделить на три основные группы: логарифмические, с широтно- импульсной модуляцией и с переменной крутизной. Первые два типа промышленностью не выпускаются. Имеются только базовые узлы логарифматоров и широтно-импульсных модулято­ров, однако законченных перемножителей нет. Серийно выпускаются только пе­ремножители на принципе управления крутизной дифференциального каскада, рассмотренные выше.

По погрешности перемножения выпускаемые перемножители можно разде­лить на группы малой, средней и высокой точности. Перемножители малой точ­ности являются самыми простыми они не содержат входного логарифматора и выходного ОУ. Обычно такие перемножители называют балансными модулятора­ми и используют для преобразования частоты сигналов. Погрешность балансных модуляторов обычно не нормируется. Такие перемножители имеют открытый коллекторный выход, который допускает подключение резистивной или индуктив­ной нагрузки (например, колебательного контура). В табл приведены основные

Основные параметры микросхем балансных модуляторов Параметр Тип микросхемы К174ПС1К174ПС4К526ПС1K140MA1 Полоса рабочих частот, МГц 200,01000,0802 Входной сигнал, мВ100,025,0100 Крутизна преобразования, мА/В (Коэффициент передачи, дБ) 4,5 (14)(10)

Применяются селекторах каналов, радиоприемниках, делителях и умножителях частоты, частотных и фазовых детекторах.

Система обозначений допускает использовать для таких микросхем два варианта обозначения: группа МА модуляторы амплитудные и группа ПС перемножители и преобразователи частоты.

Перемножители средней точности Перемножители средней точности обычно содержат входной логарифматор, позволяющий увеличить входной сигнал до 10 В. Выходной операционный усилитель и нагрузочные резисторы в таких перемножителях не входят в состав микросхемы. Погрешность перемножения таких перемножителей больше 1%.

Перемножители высокой точности Перемножители высокой точности имеют в своем составе все элементы для построения схемы перемножения: входной логарифматор, выходной операционный усилитель и стабилизатор напряжений питания отдельных узлов микросхемы. Нагрузочные резисторы и резисторы обратной связи операционных усилителей в таких перемножителях выполняются с высокой точностью с помощью лазерной подгонки. Входы высокоточных перемножителей могут быть симметричными (дифференциальными) или несимметричными. Погрешность перемножения в та­ких микросхемах обычно не превышает 1%. В табл приведены основные параметры перемножителей средней и высокой точности.

Основные параметры микросхем перемножителей напряжений Таблица 10.2 Основные параметры микросхем перемножителей напряжений Параметр Тип микросхемы К252ПС1 (МС1495) К252ПС2К525ПСЗ МС1494 (Motorola) Погрешность перемножения, % ±2,0±1,0±0,5 Напряжение смещения, мВ 50,080,030,0200,0 Входной ток, мкА8,02,0 1,0 Максимальное входное напряжение, В ±12,0±10,0 Полоса пропускания при малом сигнале, МГц 1,51,0

Условное обозначение перемножителя напряжений

Применение перемножителей Как уже отмечалось, микросхемы перемножителей находят применение в различных электронных устройствах. Кроме этого, они входят составной частью во многие специализированные микросхемы и узлы. Столь широкое применение ИМС перемножителей обусловлено прежде всего тем, что нелинейная операция перемножения приводит к изменению спектра выходного сигнала. В результате перемножения этих сигналов на выходе перемножителя образуются два сигнала, один из которых имеет суммарную, а другой разностную частоту Амплитуды выходных сигналов одинаковы и равны K n U mx U my /2. В то же время на выходе перемножителя отсутствуют сигналы с частотами перемножаемых сигналов. Такое преобразование двух сигналов является операцией балансной модуляции.

Дополнительное применение Можно использовать для: вычисления активной и реактивной мощности, определения фазового сдвига двух напряжений, деления частоты сигналов и во многих других случаях.

ФИНИШ