Ein Quadratwurzelverstärker ist eine Schaltung, die ein Signal als Eingang nimmt und einen Ausgang erzeugt, der die Quadratwurzel des Eingangssignals ist. Dieser Verstärkertyp wird häufig in Anwendungen verwendet, bei denen die Amplitude eines Signals komprimiert werden muss, beispielsweise in der Audioverarbeitung oder in AGC-Schaltkreisen (Automatic Gain Control).
So entwerfen Sie einen einfachen Quadratwurzelverstärker mithilfe von Operationsverstärkern (Operationsverstärkern):
1. Grundprinzip:
Das Grundprinzip eines Quadratwurzelverstärkers besteht darin, einen spannungsgesteuerten Verstärker (VCA) zu verwenden, dessen Verstärkung proportional zur Quadratwurzel der Eingangssteuerspannung ist. Dies kann durch die Verwendung eines logarithmischen Verstärkers oder eines Exponentialverstärkers erreicht werden.
2. Logarithmischer Verstärker:
Ein Ansatz besteht darin, einen Operationsverstärker in einer logarithmischen Konfiguration zu verwenden. Der logarithmische Zusammenhang zwischen der Eingangsspannung (Vin) und der Ausgangsspannung (Vout) kann mithilfe einer Diode und eines Widerstands erreicht werden. Der Ausgang des logarithmischen Verstärkers ist proportional zum Logarithmus der Eingangsspannung.
3. Exponentieller Verstärker:
Um eine Quadratwurzelbeziehung zu erhalten, können wir einen anderen Operationsverstärker als Exponentialverstärker verwenden. Dies kann durch den Anschluss eines Kondensators und eines Widerstands im Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers erfolgen. Der Ausgang des Exponentialverstärkers ist proportional zum Exponential der Eingangsspannung.
4. Kombinieren von Log- und Exp-Verstärkern:
Der endgültige Quadratwurzelverstärker kann durch Kaskadierung des logarithmischen Verstärkers und des exponentiellen Verstärkers erhalten werden. Der Ausgang des logarithmischen Verstärkers wird in den Eingang des Exponentialverstärkers eingespeist, um einen Ausgang zu erzeugen, der proportional zur Quadratwurzel der Eingangsspannung ist.
5. Schaltungstopologie:
Das Folgende ist ein vereinfachtes Schaltbild eines Quadratwurzelverstärkers mit Operationsverstärkern:
[Bild des Schaltplans des Quadratwurzelverstärkers]
In dieser Schaltung ist der Operationsverstärker U1 als logarithmischer Verstärker unter Verwendung der Diode D1 und des Widerstands R1 konfiguriert. Der Ausgang von U1 wird dann mit dem Eingang von U2 verbunden, der mithilfe des Kondensators C1 und des Widerstands R2 als Exponentialverstärker konfiguriert ist.
6. Komponentenauswahl:
Die Komponentenwerte (Diode, Widerstände und Kondensator) sollten basierend auf der gewünschten Verstärkung und dem Frequenzgang des Quadratwurzelverstärkers ausgewählt werden. Möglicherweise ist auch eine ordnungsgemäße Vorspannung der Operationsverstärker erforderlich.
7. Ausgabeanpassung:
Der Ausgang des Quadratwurzelverstärkers kann durch Variieren der Verstärkung des Exponentialverstärkers (U2) angepasst werden. Dies kann durch Ändern des Werts des Rückkopplungswiderstands R2 erfolgen.
8. Praktische Überlegungen:
Bei praktischen Implementierungen müssen Faktoren wie Temperaturstabilität, Rauschen und Bandbreitenbeschränkungen berücksichtigt werden. Um diese Bedenken auszuräumen, sind möglicherweise zusätzliche Schaltkreise erforderlich.
Wenn Sie diesem Ansatz folgen, können Sie mithilfe von Operationsverstärkern einen Quadratwurzelverstärker entwerfen, um eine nichtlineare Beziehung zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen zu erreichen.