Nejprve k divnému nadpisu - dnešní MP3 přehrávače, mobily a celá řada další elektroniky se tváří že v nich je aspoň kousek analogové elektroniky - ale není - dneska je i rádio postavené na DSP - numerickém zpracování analogového signálu.
Moje oblíbená otázka pro lidi od elektra je, jestli jim není divné, že když přiloží mobíl k televizoru nebo rádiu tak slyší vysílání mobilu jako "cvrčení" v reproduktoru, ale v mobilu nic takového neslyší, ačkoliv tam je rušení největší. Povrchní vysvětlení je v tom, že mobil je udělaný tak aby byl proti vlastnímu rušení odolný. Hlubší vysvětlení je v tom, že žádná analogová elektronika v něm není - i to sluchátko je napojeno na zesilovač třídy "D" který místo sinusovky posílá do repráčku pravoúhlé pulsy vysoko nad slyšitelnou frekvencí (PWM signál), které až setrvačnost membrány reproduktoru promění zpátky na sinusovku.
Tento blog tedy bude o tom jak "odrbat" jednu z královen analogové elektroniky a analogového computingu - logaritmický zesilovač. A jak to z finančních důvvodů udělat lacinými digitálními CMOS čipy.
Na obrázku vidíte logarimický zesilovač verze pro střední školy - tranzistor ve zpětné vazbě funguje jako dvě diody, čím je napětí na diodě (v propustném směru) větší tím je impedance (zdánlivý vnitřní odpor) diody menší a tím je zpětná vazba silnější a tím je zesílení celé soustavy menší. Takhle je to v učebnici, můžete si to postavit na kontaktním poli ale kvalita tohoto obvodu bude relativně mizerná, pro naprosto nevyřešenou stabilizaci pracovního bodu tranzistoru. (ještě jednodušší je zapojení s holou diodou, ale to se snad používá jen jako usměrňovač.
Takže tady máme něco co by již mohlo fungovat ale jak vidíte je to monstrum a navíc to využívá operační zesilovače, tedy bychom se dostali do stejného problému jako minule - "táto kup mi místo mobilu 5kusů LT1223 - za 300 kus".
Takže jsem zkoumal jak se vlastně zapojují logaritmické zesilovače - jinak a došel jsem až k šokujícím výsledkům. Když stavíte rádio musíte si poradit s obrovskými rozdíly síly signálu, proto rádia tradiční konstrukce mají AGC - Automatické řízení zesílení - to jest usměrňují přijatý signál a pokud je příliš silný tak jeho napětím "přivřou" zesilovače v signálové cestě. AGC nutně vyžaduje kondenzátor, který v provedení na čipu zabere spoustu křemíku, proto dnešní radiové moduly, zejména ty co pracují s frekvenční, nebo fázovou modulací (GSM, GPS, WIFI, Bluetooth ZIGBEE atd atd...) spíše než se signálem samotným pracují s logaritmem signálu - takže jak už jsem psal dříve se jim mění síla signálu o 5 voltů ne o 5 řádů ...
Kondenzátor je tak veliký že se na čipu vyplatí vyleptat třeba 10 analogových zesilovačů než 1 kond takže logaritmické zesilovače se dnes dělají takto :
Co to je ? Je to kaskáda zesilovačů a výstup každého z nic se sčítá s výstupy ostatních stupňů. Co to má společného s logaritmy ? Jak síla signálu postupně roste tak se poslední stupně zesilovače dostávají postupně do saturace a jejich amplituda se už nezvyšuje (stále si ale kmitají od 0 do 5V). Přebuzené poslední stupně už dále nezesilují, takže celkové zdánlivé zesílení celé kaskády je s rostoucím signálem menší a menší. Zde je pokus o matematickou simulaci v Excelu :
Na svislé ose je součet napětí všech zesilovačů (v lineární stupnici ) na vodorovné jsou decibely síly signálu (decibely samy o sobě jsou logaritmická jednotka. Jak vidíte tak už pro zesilovače s 4 stupni vychází docela pěkná přímka (logritmická křivka se v tomto zobrazení jeví jako přímka) jen trochu rozhoupaná, protože se vlastně skládá z jednotlivých úseček odpovídajících tomu jak další a další zesilovače přecházejí do saturace.
Kdysi se takto dělaly jen měříče síly signálu. Dneska jsou elektroničí inženýři "oprsklejší" tak takhle zpracovávají signál samotný a existuje spouta více i méně známých integrovaných obvodů jejichž schemata jsou přinejmenším podezřelá :
Problémy tohoto způsobu práce jsou minimálně 2.
1. Stabilita takového zesilovače, je výhodné mít co nejvíce stupňů za sebou, ale každý stupeň vnáší krom zesílení do signálu i zpoždění až při určitém počtu stupňu nastane neodvratné - signál z výstupu posledního zesilovače se dostane nějakou parazitní cestou na vstup a zesilovač se rozkmitá.
2. Zesilovače ještě předtím než jdou do saturace mají oblast nelinearity kde fungují jako směšovače, které s vlastním signálem směšují všelijaké elektronické smetí. Proto na vstupu musí být co nejčistší signál a navíc se toto řešení používá spíše uvnitř čipů kde je na nepatrném prostoru křemíku snazší "udržet kázeň".
Tedy jsem se rozhodl použít logaritmický zesilovač tohoto střihu jak vidíte z ruční čmáranice - doporučuji vaší pozornosti jednak fitlr na vstupu logaritmické kaskády a ještě výstup zvaný fáze odrazu. Trávoměr totiž bude pracovat na rádiové mezifrekvenci 10.7 MHz (ne 8 jako je na starším obrázku) a tudíž bude intezita signálu záviset i na vzdálenosti cíle, ( na 10 MHZ už se projevuje vliv rychlosti světla - maminko moje !!!) neboli možná bde trávoměr fungovat i jako primitivní LIDAR (světelný radar) a tak by mohl být jediným čidlem, který moji roboti budou mít.
Tradiční doporučení pro blondýny které dočetly až sem - pokud vystačíte celý rok s 3 kalhotami a 3 mikinami - nesmíte se divit že ten váš se točí za "kurvičkami na jehlách" ;-)))