Vidlákovo elektro 63. Logaritmické zesilovače 3.

19. prosince 2013 v 5:25 | Petr |  Vidlákovo Elektro
Opět musím své čtenáře zklamat, jestli po minulé anonci čekáte na návod na LEDkovou barevnou hudbu pro dětičky - tak čekáte marně. Jak už jsem minule naznačil tak jsem v barevné hudbě použíl (svého druhu) Limiter / Logaritmický zesilovač a tím u mně opět propukla choroba jménem "logaritmické zesilovače" v plné síle.
Jestli jste dlouhodobí čtenáři mého blogu parně znáte tento a tento článek na dané téma a tudíž právě přestáváte číst, protože víte, že se šílencem nemá smysl diskutovat a ani jeho výplody poslouchat. Pokud vydržíte ještě jednu větu pokusím se vás přesvědčit že moje "logaritmická choroba" směřuje k něčemu užitečnému.

Tedy teoretický úvod pro ty, kdo nečetli mé starší články : Jestli má robotické čidlo, které vysílá signál a příjímá odraz - zvládat vzdálenost řekněme od 0,5 do 5 metrů - což je poměr vzdáleností 1 : 10, jsou celkem dvě možnosti jak to udělat. Buď zcela ignorovat amplitudu odrazu a prostě všechno zesílit do limitace, nebo se musí vyrovnat s poměrem intenzit signálu 1: 10000. Důvod je v tzv. "radarové rovnici", která říká, že intenzita odrazu klesá se čtvrtou mocninou vzdálenosti.

Takže na jedné straně máme zdroj odraženého signálu v poměru (minimálně) 1: 10000 a na druhé straně máme 8, 10, 12... bitový AD převodník v procesoru. Pokud máme nejběžnější 10 bitový tak měříme 0-5 voltů v 1024 stupních - tedy nejmenší rozlišitelné napětí je 5 mV. Pokud bychom předřadili logaritmický zesilovač tak bychom nemuseli měřít přes 3 řády 5mV- 5V, ale třeba přes 6-8 řádů- což by vycházelo na poměr vzdálenosti cíle 1: 100 a to už je velmi slušné měřit odraz ze vzdálenosti 1-100m.

Tedy problém dostupného logaritmického zesilovače mě pálí už několik let jako opruzený zadek - protože jakmile to konečně postavím - nebude robotické čidlo, které by z takové věcičky nemělo užitek. Když to vezmeme systematicky tak jsou 4 různé mechanismy logaritmických zesilovačů
  1. S diodou nebo tranzistorem ve zpětné vazbě - pro roboty nepoužitelně pomalé (do 10 KHz)
  2. Logaritmické usměrňovače - nezachovávají původní signál, pouze logaritmus jeho amplitudy.
  3. Sériové logaritmické zesilovače - signál prochází řadou zesilovačů a limiterů čímž se dosáhne logaritmické odezvy.
  4. Paralelní logaritmické zesilovače signál se dělí do několika větví zesilovačů / limiterů a pak se zase sčítá.
Jestli jste z toho jeleni - tak to prostě vzdejte, nebo tomu dejte 10 minut a přečtěte si tu teorii, kterou jste před 2 odstavci vynechali - opakuju odkazy ZDE a ZDE.
V minulých vídlácích jsem předvědl Logaritmický zesilovač zcela nejubožejší konstrukce - se dvěma diodami ve zpětné vazbě, a taky jsem zmínil, že pokud je signál 0 tak se obě diody zavřou a operační zesilovač je zcela bez zpětné vazby - což je velice špatné.

Pak jsem uvažoval nad tím jak co nejvíce omezit vliv mých neoblíbených diod na obvod. Nejprve jsem chtěl diody dostat ven ze zpětné vazby - jako externí limiter. Pak jsem si vzpomněl na sériový logaritmický zesilovač....
Princip je v tom, že vždy jsou dva zesilovače paralelně - jeden který zesiluje 5-100x opatřený limiterem a paralelně s ním zesilovač zesilující 1x - bez limiteru. Slabé signály se "zesilujícími" zesilovači zesílí až dokud se některý stupeň v kaskádě nedostane do limitace - pak se projeví smysl zesilovačů se zesílením 1 - které limitovaný signál přenesou na výstup celé kaskády. Pokud je signál extrémně silný jsou v limitaci všechny zesilující zesilovače - a celá kaskáda tím má zesílení 1. Pokud je signál extrémně slabý - nedostane se do limitace žádný stupeň a zesilovač má maximální možné zesílení - a samozřejmě všechny možnosti mezi tím ....
Takže jak na to "vidláckým způsobem" - kupoduvu se oba zesilovače i limiter v každém stupni dá zvládnout jedním operačním zesilovačem. Jak jistě tušíte jsou dvě krajní možnosti - signál je tak slabý, že obě diody jsou zavřené a pak je ve zpětné vazbě sériová kombinace R2 + R5 což dává spolu s R1 dává zesílení 11x. Nebo je signál tak silný, že diody jsou zcela otevřené a zkratují R2 což dává zesílení 1X. Plus samozřejmě všechny možnosti mezi tím.
Že je to skutečně tak je vidět na grafu . červeně je vstupní napětí zeleně výstupní - bod "přepnutí" při 0,6V je tam jasně vidět. Díky tomu, že diody mají paralelně i sériově k sobě odpory - nezávisí vlastnosti zpětné vazby tak úplně na nich a zesilovač prakticky pracuje v podmínkách, které nejsou nijak extrémní - prostě jenom přepíná mezi zesílením 11x a 1x. Diody se běžně otevírají relativně pomalu a postupně - což je tady spíše ku prospěchu, protože to "otupí hranu" napětí při přepnutí. Diody mají přece jenom nezanedbatelnou kapacitu, takže zapojení není použitelné do takových frekvencí jako prostý 10x zesilující operák, ale přesto....
Jenom taková poznámka - stejné stupně můžete řadit za sebe, dokud se celá kaskáda nerozkmitá. Z čístě matematického hlediska má 3 stupňový zesilovač kde každý stupeň zesiluje 10x rozsah přes 4 dekády, protože - v limitaci mohou být 0, 1 , 2, nebo 3 stupně zesilovače. Pokud chcete rozsah zvětšit můžete přidat daší stupně (s rizikem rozkmitání) nebo zvětšit zesílení každého stupně (zvětšit R2) s rizikem velké nelinearity takového zesilovače.
Že tomu tak skutečně je vidíte na grafu - červeně je opět vstup a zeleně výstup - snažil jsem se tam naznačit zesílení pro limitaci 3, 2, a 1 stupně - přímkami (zesílení pro zesilovač zcela bez limitace mi uniklo někde v blízkosti nuly).

V praxi pokud běžnému AD převoníku s rozsahem 5mv-5V předřadíte tento zesilovač - získáte rozsah 5uV -5V což by odpovídalo vzdálenosti překážky v poměru 1:32 zatímco "holý AD převodník" by stačil pouze na poměr vzdáleností 1: 5,7 - Slušné ne ? Jinak obvod takto pojatý funguje od 0 do 100 KHz - což stačí i pro velmi rychlá čidla (přímá digitalizace ultrazvuku).

Tedy dnes jsem zcela vyčerpán - zbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám :
Nikdy by nemělo upadnouti v zapomenutí jedno zásadní pravidlo manželství: dávati se musí pomálu, zřídkakdy, a hlavně s nechutí. Jinak by se mohlo přihoditi, že manželství stane se místem pro ukájení živočišných tužeb. Moudrá nevěsta nikdy nedovolí, aby její muž viděl její tělo neoblečení, a nikdy nedopustí, aby on ukazoval své vysvlečené tělo jí. Pokud se sexu nejde vyhnouti , jest nezbytno , aby se provozoval v naprosté tmě. Spousta žen považuje za rozumné a užitečné nosit silnou bavlněnou noční košili a manžela oblékat do řádného pyžama. Noční úbory si manželé obléknou každý v jiném pokoji a při pohlavním aktu si je nemusí svlékati, tudíž dojde k nejnutnějšímu a nejmenšímu odhalení těl. Chytré ženy mají v zásobě novou a lepší metodu, jak odmítnouti a odraditi manžela s jeho milostnými návrhy. V tomto ohledu se použíti dá předstíraná nemoc, ospalost či bolesti hlavy. S úspěchem se setkávají také večerní hádky, škorpení, popichování, sekýrování a hašteření zhruba hodinu předtím, kdy obvykle započíná svádění. Dobrá manželka může čekat, že do konce prvního roku manželství se jí podaří snížit častost intimních sblížení na jedno týdně a do konce pátého roku svazku manželského na jedno měsíčně.

Poznámka při druhém čtení : Pozorní čtenáři nechápou, proč jsem tento sytém neobjevil už dávno, když je tak jednoduchý. Samozřejmě, že jsem kdysi experimentoval se sériovými logaritmickými zesilovači. Problém byl v tom, že místo limitace diodami ve zpětné vazbě používal jsem limitaci zesilovače do napájecího napětí - tím se zesilovač dostal mimo optimální podmínky a vlastnosti takového obvodu byly mimořádně ubohé. Prostě to chtělo těch 500 ranních kadění na záchodě, než se mi věci v hlavě urovnaly. Vím, že jsem pomalej, ale pokud jste rychlejší - sem s vašimi nápady....
 

Buď první, kdo ohodnotí tento článek.

Komentáře

1 kolemjdoucí kolemjdoucí | 19. prosince 2013 v 17:34

Pane autore, můžete mi prosím sdělit ze statistik blogu (ke kterým máte jistě přístup a jako správný správce je pravidelně sledujete), kolik čtenářů denně sem chodí číst? Protože jestli čte takovéhle pěkné články jen pár čtenářů, tak je to vyloženě škoda...

2 petr-kubac petr-kubac | 19. prosince 2013 v 21:28

[1]: denne chodi kolem 130 lidi asi polovina cte uvodni clanek

3 Dalík Dalík | 20. prosince 2013 v 11:11

Ta radarová rovnice ale pro trávoměr nebude moc platit, protože se týká předpokládám odrazu od stejně velkého předmětu. Trávoměr snímá odrazy od ploch, které se se vzdalováním zvětšují, takže intenzita snímaného signálu bude klesat se druhou mocninou, nebo?

4 petr-kubac petr-kubac | 20. prosince 2013 v 11:39

[3]: Jako obvykle je realita složitější - navigace v reálném prostředí - třeba pomocí ultrazvuku - je dokonce o chloupek složitější než letecký radar -  protože odraz od blízké - pro nás zajímavé překážky - typ noha od stolu - klesá vzhledem k lineárnímu charakteru nohy se 3 mocninou zatímco stěna pokoje za nohou je mnohem dál ale klesá jen s 2 mocninou. A rohy fungují jako koutové odražeče a itenzita odrazu od nich klesá méně než s 2 mocninou - koutový odražeč - svého druhu je i místo kde noha stojí na podlaze - tak si vyberte ....

Jak to bude venku při osvětlování trávníku světlem - si bez měření vůbec nedovolím odhadnout - dělal jsem pokusy s IR ledkami a IR přijímači dálkovéh ovládáni na televizi (třeba SFH506) a ty naznačovaly, že to bude stejný "bordel" jako ultrazvuk v místnosti.

5 m.marianek m.marianek | 20. prosince 2013 v 13:26

Asi budu na tomhle blogu za "potížistu", ale pořád mi nejde do hlavy ta posedlost logaritmickým zesilovačem resp. jeho provedení pomocí limitujících stupňů. Pořád mám pocit, že pro fázi signálu (a o tu nám u trávoměru přeci jde ne?) to bude mít neblahé účinky, ani u kvalitních a složitých zesilovačů není limitace nikdy zcela souměrná a fáze se nám tak rozhodí. Dále bude limitace způsobovat vznik parazitních modulací a na konci řetězce i nemalé rušení, harmonické budou intenzivní do oblasti desítek až stovek MHz. Proč nejít cestou zesilovače s napěťově řiditelným ziskem a logaritmickou závislost vytvořit řízením zisku odvozeným od výstupního signálu? Zesilovač by tak pracoval v lineární oblasti, což by mohlo být z hlediska fázové stability lepší, neprodukoval by tolik harmonických, takže by tolik nerušil. Jeho složitost by byla srovnatelná a univerzálnost taktéž. Ale abych nebyl svině co kamarádovi jen rozšlapává bábovičky, co jako limitující zesilovač použít zapojení ala rozdílový zesilovač se dvěma tranzistory? Jde vlastně o dvoustupňový zesilovač, první stupeň je emitorový sledovač, který je přímou 100%ní vazbou navázán na druhý stupeň pracující se společnou bází. V záporné půlvlně limituje emitorový sledovač, protože jeho emitorový proud klesne k nule a dále již je pro signál uzavřen, v kladné půlvlně se zase uzavírá druhý stupeň, protože první stupeň "vytahuje" jeho emitorové napětí až do úplného uzavření druhého stupně. Finta fň je v tom, že ani jeden stupeň se nemůže dostat do saturace a tak by limitace neměla mít neblahý vliv na jejich dynamické vlastnosti. Toto řešení je použito u RONJI (optické pojítko), předpokládám že je vám to řešení známo, ale co kdyby ne ;-). Navíc teď nevypadám jakože jen rozšlapávám bábovičky.

6 petr-kubac petr-kubac | 20. prosince 2013 v 20:07

[5]: Představte si že robot s čidlem vaší konstrukce jede a vedle cesty je křovisko - protože má zesílení nastavené na vzdálenou trávu - bude první odraz od větvičky v limitaci - tak sníži zesílení ale mezitím popojede - takže další měření od pozadí za větvičkou bude nula - tak nastaví zesílení na původní level mimo křovisko a při další větvi to bude zcela stejné.
Výsledek - vysoce pravděpodobně nebude mít jediné validní měření ani od dosti hustého křoví.
Ze zcela stejného důvodu radary, které mají ambici zachytit pohybující se cíl nepoužívají řízení zesílení na základě minulého vzorku, ale logaritmické zesilovače (za hříšné prachy).  
A navíc jsou ke koupi ultrazvuky s elektronickým řízením zesílení z procesoru - kolegové po špatných zkušenostech doporučují nastavit na maximum a zapomenout že něco takového tam je....  
A ten diferenciální limiter jestli myslíte Q102 a Q103 na tomhle scémátku http://ronja.twibright.com/schematics/10M_receiver.png - to bych tu symetrickou limitaci chtěl vidět.

7 m.marianek m.marianek | 20. prosince 2013 v 22:34

[6]: Pokud ten váš robot nebude jezdit nadzvukovou rychlostí, tak rozhodně žádnou větvičku nemine. Jelikož (jak už jste sám říkal) nás fialkové basy nezajímají a příjmaná frekvence bude cca 10MHz, ale i kdyby byla 40kHz pro ultrazvuk, pořád mohu mít reakční odezvu řízení zisku v milisekundách. Tady se nebavíme o audiokompresoru, ale řízení zisku vf zesilovače. Co se týče toho diferenciálního limiteru, ano myslel jsem přesně tohle a netvrdil jsem, že to bude symetrické, jen že se to nebude dostávat do saturace. I tak ale bude symetrie limitace srovnatelná s jakýmkoliv jiným systémem, každé reálné součástky budou mít rozptyl parametrů a jedna strana bude vždy limitovat jinak než ta druhá. A právě proto se mi logaritmické zesilovače s limitací nelíbí, ovšem nejen pro to, nelíbí se mi například také to, že krmím většinu řetězce limitovaným signálem, který už ořezáním ztratil takřka všechen informační obsah kromě frekvence, ale ta nás nezajímá, protože tu už známe. Nechci ale nikoho od jejich použití odrazovat, jistě mají své kouzlo a opodstatnění, jen zastávám názor Dr. House, že oponující blbec je mi platnější, než souhlasící chytrák. Teď mě napadlo, jak s nesymetrií limitovaného signálu "vydrbat", aby nám to nerozhodilo fázi, kdybychom zlimitovaný signál prohnali děličkou dvěma, opírali bychom se jen o jednu hranu signálu a tak by nás rozhozená střída díky limitaci nezajímala.

8 Miloslav Ponkrác Miloslav Ponkrác | 23. července 2016 v 17:25

Zkoušel jste integrovaný obvod AD8307? Logaritmický zesilovač do 500 MHz, rozsah 92 dB, přesnost logaritmického průběhu lepší než 1 %. Cena kolem 250 Kč za 1 kus, při více kusech cena na kus dost klesá.

Existuje také varianta ADL5513, která pracuje do 4 GHz.

AD8309 pak má větší rozsah 100 dB.

MAX4207 je logaritmický zesilovač do 5 MHz a pro 100 dB, a koupí se už za 100 Kč/kus.

Komentáře jsou uzavřeny.


Aktuální články

Reklama