Amplificateur logarithmique : Caractéristiques clés et applications pour le traitement du signal

Les signaux à grande dynamique poseront toujours un problème aux concepteurs. Ils sont nécessaires pour les dispositifs d'écho-rangement tels que les systèmes radar ou sonar. Mais dans de tels systèmes, nous avons besoin d'un gain élevé pour les signaux de faible amplitude et vice versa pour les systèmes de haute amplitude. Aussi, un autre problème avec les signaux est qu'ils nécessitent une mise à l'échelle. Le processus est impératif pour limiter la perte de signal d'entrée et l'écrêtage (clipping) aux deux extrémités de la plage d'amplitude. Un amplificateur logarithmique est pertinent pour résoudre ce problème. Notre article explorera plus en profondeur. Commençons !

Qu'est-ce qu'un Amplificateur Logarithmique ?

Figure 1 : Un Amplificateur Conventionnel

C'est un amplificateur opérationnel qui fonctionne comme un convertisseur logarithmique. Néanmoins, contrairement aux autres, sa tension de sortie est directement proportionnelle au logarithme naturel de la tension d'entrée réelle.

Donc, dans les amplificateurs logarithmiques, multiplier le logarithme naturel de la tension d'entrée avec une valeur constante donne une sortie.

Le Principe de Fonctionnement de l'Amplificateur Logarithmique

Figure 2 : Boutons et entrée d'amplificateur vintage

La fonction logarithmique suivante décrit le principe de fonctionnement des amplificateurs logarithmiques :

Dans l'équation, K représente la constante. D'autre part, Vref représente la constante de normalisation.

Pendant le fonctionnement, les amplificateurs logarithmiques nécessitent plus qu'un seul amplificateur opérationnel. Dans un tel cas, les amplificateurs additionnels sont appelés amplificateurs logarithmiques compensés.

De plus, ils nécessitent d'autres composants externes tels que des amplificateurs opérationnels haute performance comme LM771, LM714 et LM1458.

La diode dans l'amplificateur logarithmique est en mode de polarisation directe. Par conséquent, l'équation de la diode de l'amplificateur est

Elle représente le courant de saturation, VD représente la chute de tension de la diode, et VT est la tension thermique. Il est également possible de réécrire le courant de la diode dans un état de polarisation forte.

Dans ce cas,

De plus, notez que la tension au terminal inverseur est à un état de masse virtuelle. Par conséquent, la tension de sortie équivaut à -V_D.

De plus, notez que i₁ équivaut à i_D.

Donc,

L'équation finale de la tension de sortie (signal de sortie) de l'amplificateur logarithmique est

Topologies d'Amplificateur Logarithmique

Principalement, il existe deux types d'amplis log. Premièrement, il y a un amplificateur logarithmique multi-étages et un amplificateur logarithmique CC.

L'amplificateur log multi-étages

Figure 3 : Un Écran Radar

Son fonctionnement repose sur la limitation séquentielle dans un ensemble d'amplificateurs en connexion série. Vous trouverez ce genre de topologie dans les signaux haute fréquence, et donc la topologie est partagée dans une large gamme d'applications telles que les systèmes de communication et les dispositifs radar.

Quand vous connectez des amplis log multi-étages, comme montré ci-dessous, vous obtiendrez une réponse d'amplitude logarithmique. Remarquable aussi est que la série d'amplificateurs présente des caractéristiques de limitation de surcharge.

Figure 4 : Une connexion d'ampli log multi-étages.

Bien que cette topologie aide à générer une réponse logarithmique, elle n'est pas immune au délai de propagation, et le problème est présent à chaque étage d'amplificateur.

La cause est qu'un composant de signal de l'étage initial arrivera au circuit de sommation en premier. Idéalement, les signaux des autres emplacements devraient arriver en premier. Le résultat est une distorsion de la forme d'onde de sortie.

Modifier le circuit log primaire de la chaîne d'amplificateurs résoudra ce problème. Au lieu des amplificateurs à étage unique, vous pouvez les remplacer par des paires d'amplificateurs. Dans la nouvelle configuration d'amplificateur, l'ancien problème n'est plus présent.

L'amplificateur logarithmique CC

Figure 5 : Composants électroniques transistors isométriques

C'est la topologie alternative d'ampli log du type ci-dessus. Il y a une diode dans le chemin de rétroaction de l'amplificateur opérationnel dans cette chaîne d'amplificateur. Vous trouverez un transistor connecté en diode à la place d'une diode dans certains.

La sortie de l'amplificateur opérationnel à la jonction base-émetteur du transistor sera proportionnelle au courant de l'amplificateur logarithmique au niveau d'entrée. Aussi, la tension de sortie dans cette configuration équivaut au logarithme du rapport suivant – courant d'entrée : courant de saturation de l'émetteur.

Comme l'autre circuit, celui-ci a aussi une limitation car il a une sortie dépendante de la température. Vous pouvez résoudre le problème de dépendance à la température en connectant deux amplificateurs en paire différentielle. De plus, un circuit supplémentaire de surveillance de la température garantira significativement une réponse maximale.

Circuit d'Amplificateur Logarithmique

Amplificateur log amplificateur opérationnel-diode

L'amplificateur opérationnel, dans ce cas, comporte une diode dans le chemin de rétroaction dans une configuration inverseuse en boucle fermée. Notez que la tension à travers la diode sera proportionnelle au logarithme du courant qui passe à travers.

D'autre part, quand l'amplificateur opérationnel est en mode non-inverseur, la tension de sortie est proportionnelle au -log du courant d'entrée. Aussi, notez que la tension d'entrée est proportionnelle au courant d'entrée, et ainsi, la tension de sortie est proportionnelle au logarithme négatif de la tension d'entrée.

Amplificateur log amplificateur opérationnel-transistor

Voici un schéma de circuit pour ce type d'amplificateur.

Pour ce genre d'amplificateur, il y a un transistor à jonction bipolaire sur le chemin de rétroaction de l'amplificateur opérationnel en mode inverseur. Notez, dans de tels circuits électroniques, vous devrez connecter le collecteur du transistor à l'entrée inverseuse.

Aussi, connectez l'émetteur à la sortie et finalement mettez la base à la masse.

Pour que cet amplificateur opérationnel fonctionne, vous devez vous assurer que la tension d'entrée est positive.

Applications de l'amplificateur logarithmique

Un convertisseur logarithmique est utile dans les domaines suivants :

Figure 8 : Processeurs d'effets audio dans un rack.

• Utile dans les opérations mathématiques impliquant la multiplication.
• En plus des opérations de multiplication, il est utile dans les fonctions exponentielles et la division.
• Ils sont utiles dans les ordinateurs analogiques pour la synthèse d'effets audio.
• Utiles dans un convertisseur analogique-numérique.
• Aussi essentiels dans les instruments de mesure qui nécessitent une opération de multiplication.
• Les amplificateurs logarithmiques sont essentiels pour calculer les décibels (dB).
• Les amplificateurs logarithmiques monolithiques sont essentiels dans les opérations du domaine radiofréquence.
• Utiles dans les convertisseurs tels que convertisseurs analogique-numérique et convertisseurs de valeur quadratique moyenne (RMS).
• Essentiels dans les applications de comparateur.
• Enfin, ils sont utiles dans l'amplification de signaux CA et CC.

Conclusion

Dans la conception de circuit de la plupart des composants électroniques, les amplificateurs logarithmiques sont utiles. Nous avons mis en évidence tout ce qu'il y a à savoir sur l'élément. Aussi, quand nécessaire, nous avons inclus un diagramme de bloc fonctionnel. Ils sont vitaux pour vous guider à comprendre les connexions impliquant les amplificateurs.

Ainsi, les informations ci-dessus devraient être primordiales pour vous permettre d'atteindre une opérabilité maximale du composant. Si vous avez d'autres questions sur son fonctionnement et son processus d'étalonnage, parlez-nous, et nous répondrons promptement à vos questions.