Amplificador Logarítmico: Principais Características e Aplicações para Processamento de Sinais

Sinais de alta dinâmica sempre representarão um problema para projetistas. Eles são necessários em dispositivos de eco-localização como sistemas de radar ou sonar. Mas em tais sistemas, precisamos de alto ganho para sinais de baixa amplitude e vice-versa para sistemas de alta amplitude. Também, outro problema com os sinais é que eles requerem escalonamento. O processo é imperativo na limitação de perda de sinal de entrada e clipping em qualquer extremidade da faixa de amplitude. Um amplificador logarítmico é pertinente na resolução deste problema. Nosso artigo explorará mais profundamente. Vamos começar!

O que é um Amplificador Logarítmico?

Figura 1: Um Amplificador Convencional

É um amplificador operacional que opera como um conversor logarítmico. No entanto, diferentemente de outros, sua tensão de saída é diretamente proporcional ao logaritmo natural da tensão de entrada real.

Portanto, em amplificadores logarítmicos, multiplicar o logaritmo natural da tensão de entrada com um valor constante dá uma saída.

O Princípio de Funcionamento do Amplificador Logarítmico

Figura 2: Botões e entrada de amplificador vintage

A seguinte função logarítmica descreve o princípio de funcionamento dos amplificadores logarítmicos:

Na equação, K representa a constante. Por outro lado, Vref representa a constante de normalização.

Durante a operação, os amplificadores logarítmicos requerem mais de um único amplificador operacional. Em tal caso, os amplificadores adicionais são chamados de amplificadores logarítmicos compensados.

Adicionalmente, requerem outros componentes externos como amp-ops de alto desempenho como LM771, LM714 e LM1458.

O diodo no amplificador logarítmico está em modo de polarização direta. Portanto, a equação do diodo do amplificador é

Representa a corrente de saturação, VD representa a queda de tensão do diodo, e VT é a tensão térmica. Também é possível reescrever a corrente do diodo em um estado de polarização alta.

Neste caso,

Também note que a tensão no terminal inversor está em estado de terra virtual. Portanto, tensão de saída igual a -V_D.

Além disso, note que i₁ é igual a i_D.

Portanto,

A equação final da tensão de saída (sinal de saída) do amplificador logarítmico é

Topologias de Amplificador Logarítmico

Primariamente, existem dois tipos de amplificadores logarítmicos. Primeiro, há um amplificador logarítmico multinível e um amplificador logarítmico CC.

O amplificador logarítmico multinível

Figura 3: Uma Tela de Radar

Seu funcionamento baseia-se em limitação sequencial em um conjunto de amplificadores em conexão série. Você encontrará este tipo de topologia em sinais de alta frequência, e portanto a topologia é compartilhada em uma ampla gama de aplicações como sistemas de comunicação e dispositivos de radar.

Quando você conecta amplificadores logarítmicos multinível, como mostrado abaixo, obterá uma resposta de amplitude logarítmica. Também notável é que a série de amplificadores apresenta características de limitação de sobrecarga.

Figura 4: Uma conexão de amplificador logarítmico multinível.

Embora esta topologia ajude a gerar uma resposta logarítmica, não é imune a atraso de propagação, e o problema está presente em cada estágio do amplificador.

A causa é que um componente de sinal do estágio inicial chegará ao circuito somador primeiro. Idealmente, os sinais dos outros locais deveriam chegar primeiro. O resultado é uma distorção da forma de onda de saída.

Alterar o circuito logarítmico primário da cadeia do amplificador resolverá este problema. Em vez dos amplificadores de estágio único, você pode substituí-los por pares de amplificadores. Na nova configuração do amplificador, o problema anterior não está mais presente.

O amplificador logarítmico CC

Figura 5: Componentes eletrônicos transistores isométricos

É a topologia alternativa de amplificador logarítmico do tipo acima. Há um diodo no caminho de realimentação do amp-op nesta cadeia de amplificadores. Você encontrará um transistor conectado como diodo no lugar de um diodo em alguns.

A saída do amp-op na junção base-emissor do transistor será proporcional à corrente do amplificador logarítmico no nível de entrada. Também, a tensão de saída nesta configuração iguala o log da seguinte razão – corrente de entrada: corrente de saturação do emissor.

Como o outro circuito, este também tem uma limitação porque tem saída dependente de temperatura. Você pode resolver o problema de dependência de temperatura conectando dois amplificadores como um par diferencial. Também, um circuito adicional de monitoramento de temperatura garantirá significativamente uma resposta máxima.

Circuito Amplificador Logarítmico

Amplificador logarítmico amp-op-diodo

O amp-op, neste caso, apresenta um diodo no caminho de realimentação em uma configuração inversora de loop fechado. Note que a tensão através do diodo será proporcional ao log da corrente que passa através.

Por outro lado, quando o amp-op está em modo não inversor, a tensão de saída é proporcional ao -log da corrente de entrada. Também note que a tensão de entrada é proporcional à corrente de entrada, e assim, a tensão de saída é proporcional ao logaritmo negativo da tensão de entrada.

Amplificador logarítmico amp-op-transistor

Aqui está um diagrama de circuito para este tipo de amplificador.

Para este tipo de amplificador, há um transistor de junção bipolar no caminho de realimentação do amp-op em modo inversor. Note, em tais circuitos eletrônicos, você precisará conectar o coletor do transistor à entrada inversora.

Também, conecte o emissor à saída e finalmente aterre a base.

Para este amp-op operar, você deve garantir que a tensão de entrada seja positiva.

Aplicações do Amplificador Logarítmico

Um conversor logarítmico é útil no seguinte:

Figura 8: Processadores de efeitos de áudio em um rack.

• Útil em operações matemáticas que envolvem multiplicação.
• Além de operações de multiplicação, é útil em funções exponenciais e divisão.
• São úteis em computadores analógicos para sintetizar efeitos de áudio.
• Útil em conversor analógico-para-digital.
• Também essencial em instrumentos de medição que requerem operação de multiplicação.
• Amplificadores logarítmicos são essenciais no cálculo de decibéis (dB).
• Amplificadores logarítmicos monolíticos são essenciais em operações de domínio de radiofrequência.
• Útil em conversores como conversores analógico-para-digital e conversores de raiz quadrada média.
• Essencial em aplicações de comparador.
• Por fim, são úteis em amplificação de sinais CA e CC.

Conclusão

No design de circuito da maioria dos componentes eletrônicos, amplificadores logarítmicos são úteis. Destacamos tudo que há para saber sobre o elemento. Também, onde necessário, incluímos um diagrama de bloco funcional. Eles são vitais para guiá-lo a compreender as conexões envolvendo os amplificadores.

Assim, os insights acima devem ser primordiais para permitir que você atinja operabilidade máxima do componente. Se tiver mais dúvidas sobre seu funcionamento e processo de calibração, fale conosco, e responderemos prontamente às suas consultas.