Одна из схем УВХ представлена на рис.10. Здесь в роли ключа применен полевой транзистор VT1 с р-n переходом. Он включен по схеме с плавающим затвором, благодаря чему независимо от величины входного аналогового сигнала достигается полное открытие ключа в моменты выборки. Режим плавающего затвора обеспечивается за счет применения переключающего диода VD1. При подаче положительного импульса Uу диод VD1 закрыт и транзистор VТ1 открыт, так как потенциал затвора равен потенциалу истока (если пренебречь падением напряжения на резисторе R1 за счет тока затвора и обратного тока диода VD1). При поступлении отрицательного импульса управления диод VD1 открывается, напряжение на затворе становится равным управляющему и транзистор VТ1 закрывается.
Рисунок 10 - Вариант схемы УВХ.
Конденсатор C1 выполняет роль накопительной емкости. В момент выборки, когда транзистор VТ1 открыт, происходит заряд емкости до мгновенного значения входного сигнала. После закрытия ключа на VТ1 наступает режим хранения, в течение которого конденсатор C1 разряжается незначительным током утечки закрытого транзистора VТ1 и входным током операционного усилителя DA1. Последний включен по схеме неинвертирующего повторителя и обладает, как известно, большим входным сопротивлением (десятки мегом и более).
Проектирование УВХ начинают с выбора активных элементов схемы - диода, транзистора и ОУ. Транзистор следует подбирать с наименьшим сопротивлением канала в насыщенном состоянии, наименьшим током утечки и наименьшим напряжением отсечки . Чем меньше , тем легче удовлетворяются требования к управляющим сигналам.
Допустимое напряжение между стоком и истоком у транзистора
Диод выбирают импульсный, маломощный, с величиной обратного тока менее единиц микроампер.
В качестве ОУ рекомендуется использовать усилители с полевыми транзисторами на входах. Эти типы ОУ обладают большим входным сопротивлением и малым (десятки наноампер) входным током.
Расчет начинают с анализа режима выборки сигнала, когда конденсатор С1 заряжается через открытый ключ на транзисторе VT1. Ошибка - выборки зависит от соотношения постоянной времени цепи заряда и времени выборки tв. Это позволяет установить максимально допустимое значение емкости С1:
где - выходное сопротивление источнике сигнала (фильтра низких частот или функционального преобразователя), Ом;
- сопротивление открытого ключа, Ом;
- относительная ошибка в режиме выборки.
В режиме хранения происходит разряд емкости током Iут утечки транзистора VТ1, входным током Iвх ОУ. Разряжается емкость также и через входное сопротивление ОУ ДА1.
Ошибка, возникшая в режиме хранения, зависит от величины емкости. Это позволяет определить минимально допустимое значение емкости накапливающего конденсатора С1:
где - время хранения;
- относительная ошибка хранения;
- суммарный ток утечки (равен суме тока утечки транзистора VТ1 и входного тока ОУ); - входное сопротивление повторителя напряжения.
Требуемое значение емкости конденсатора С1 выбирают как
Величину сопротивления резистора R1 находят по формуле:
где - обратный ток диода D1; - ток утечки затвора транзистора VT1. C целью ограничения выходного тока предыдущего каскада (ФНЧ или ФП) может возникнуть необходимость постановки на входе УВХ ограничительного сопротивления, величину которого находя из условия:
где - максимально допустимое значение выходного" тока ФНЧ или ФП. Предпочтение следует отдавать УВХ, выполненным в виде интегральных микросхем.
5.4 Функциональный преобразователь
Одна из возможных схем функционального преобразователя, у которого с ростом входного сигнала возрастает коэффициент усиления, приведена на рис.11.
Рисунок 11 - Одна из возможных схем функционального преобразователя
Принцип действия функционального преобразователя заключается в следующем.
При диоды VD1÷VD3 закрыты отрицательным смещением резистивных делителей. Коэффициент усиления по напряжению:
С ростом входного напряжения повышаются потенциалы анодов диодов, в то время как потенциалы их катодов остаются неизменными и близкими к нулю. При открывается диод VD3 коэффициент усиления возрастает и становится
При достижении открывается и диод VD2. Коэффициент усиления еще более возрастает:
Наконец, при открывается VD1, коэффициент усиления еще больше возрастает: