5.2. Funkční měniče
Výstupní napětí u funkčních měničů není přímo úměrné, případně lineárně závislé na vstupním signálu, ale je jeho nelineární funkcí. Funkční měnič si můžeme pomocí operačního zesilovače realizovat pomocí nelineárního prvku v roli vstupního odporu obr. 5.5. Pak:
a jestliže zanedbáme vstupní odpor zesilovače, platí:
a 
.
Jelikož Ei< < Eo a Ei < < E1
je pak 
obr. 5.5
a napětí na výstupu zapojení je tedy toutéž funkcí f napětí vstupního jakou je proud funkcí napětí u použitého nelineárního prvku.
Inverzní funkci k funkci f můžeme realizovat zapojením nelineárního členu do obvodu zpětné vazby; pak platí (obr. 5.6):
obr. 5.6
a je tedy 
. (5.8)
Jestliže například chceme realizovat logaritmující nebo exponenciální zesilovače, můžeme použít jako nelineárního členu polovodičové diody nebo tranzistoru v tak zvaném diodovém zapojení. Odpor RE na obr. 5.7b slouží k nastavení proudového zesílení tranzistoru T a kapacita C jako malá integrační kapacita k frekvenční stabilizaci obvodu. Proud polovodičovou diodou má exponenciální závislost
kde Ido je
zbytkový proud diodou v závěrném směru, Ur je tzv. tepelné napětí, 
(k je Boltzmannova konstanta, Q teplota diody, q elementární
náboj), Uo napětí
na diodě, a n je konstanta daná konstrukcí diody
(n = 1 až 0,5). Pro
napětí na diodě, pro něž 
, je pro zapojení na obr.5.7a závislost
výstupního
Obr. 5.7a
napětí na napětí vstupním podle vztahu (5.8) logaritmická. Jestliže použijeme tranzistorové zapojení podle obr.5.2.3.b pak Ucb @ 0 a pro kolektorový proud platí vztah
Obr. 5.7b
kde a 1 je koeficient proudového zesílení nakrátko tranzistoru v zapojení se společnou bází, aN je koeficient proudového zesílení nakrátko v tak zvaném inverzním zapojení (emitor a kolektor si vymění funkci), UEB je napětí emitor báze a Ico zbytkový proud tranzistorem, n je konstanta závislá na konstrukci tranzistoru (obvykle n = 1).
Pro napětí UEB, pro něž platí
,
můžeme rovnici (5.2.8) přepsat na tvar
,
kde 
a výstupní napětí zesilovače na obr. 5.7b je podle vztahu (5.8) logaritmickou funkcí napětí vstupního.
U logaritmických zesilovačů užívajících křemíkových diod může hodnota Ido dosáhnout hodnoty menší než 10-9 A, zatímco u zapojení s tranzistorem v diodovém zapojení (obr. 5.7b), může proud Ic být menší než 10-11 A a kolektorový proud je úměrný logaritmické funkci přes devět dekád.
Zapojení na obr. 5.7a,b mají nevýhodu v silné tepelné závislosti jejich zesilovací charakteristiky. Ta je způsobena závislostí zbytkového proudu a tepelného napětí na teplotě. Při změně teploty PN přechodu ze 20° C na 50° C se u tranzistoru zbytkový proud změní přibližně o řád a tepelné napětí asi o 10 %. Z těchto důvodů se používají různá kompenzační zapojení. Příklad kompenzačního zapojení logaritmujícího zesilovače je uveden na obr. 5.8.
obr. 5.8
Napětí na výstupu Eo je v tomto případě rovno
Lineární závislost výstupních napětí Ro na Ur můžeme do jisté míry kompenzovat například vhodným teplotně závislým odporem R4. (Teplotní závislost odporu by měla být rostoucí cca 0,3% K-1.)
Tepelnou nezávislost
zesilovací charakteristiky zapojení na obr.5.7a,b můžeme
rovněž docílit umístěním zpětnovazebního polovodičového
prvku v termostatu.
Dalším funkčním měničem, který si popíšeme, je diodový
funkční měnič. Použití diodového funkčního měniče je
značně rozšířeno vzhledem ke stabilitě jeho zesilovací
charakteristiky a prakticky její nezávislosti na tepelných
změnách.
Diodové měniče obsahují větší počet základních
diodových obvodů a výsledná charakteristika je určena
souhrnem dílčích charakteristik jednotlivých základních
diodových obvodů. Základní diodový obvod je znázorněn na
obr. 5.9.
obr. 5.9
Sumační bod je na potenciálu virtuální nuly. Diodou D1 teče proto proud pouze v těch případech, pro které je napětí v bodě A kladné.
Pro UA = 0 platí pro vztah mezi vstupním napětím a napětím pomocné baterie Eb rovnice:
(5.9)
To znamená, že jen pro ta vstupní napětí pro něž
teče diodou D1 proud (zanedbáváme zbytkové napětí na diodě v propustném směru). Velikost proudu diodou D1 je dána výrazem
a napětí na výstupu zesilovače je pak úměrné proudu iD1
E0 = -iD1R0.
Na zesilující charakteristice zesilovače se pak pro vstupní napětí E1, které je určeno vztahem (5.9) vytváří zlom (viz obr. 5.10).
obr. 5.10
Na obr. 5.11 je znázorněna zesilující charakteristika zesilovače vytvořeného ze tří základních diodových prvků s diskrétně rozloženými body zlomu. Z obrázku je patrno, že funkční křivku nahrazujeme lomenou čárou a že chyba funkčního převodu závisí na vstupním napětí. Největší chyba je v bodech zlomu.
obr. 5.11
