DE2409340A1

DE2409340A1 - Logarithmische verstaerkerschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2409340A1
Application number: DE2409340A
Authority: DE
Inventors: Claude Claverie
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1973-02-27
Filing date: 1974-02-27
Publication date: 1974-08-29
Also published as: JPS5717373B2; GB1437565A; FR2220925B1; JPS502848A; NL7402433A; DE2409340C2; US3921008A; FR2220925A1; NL174996C

Description

THOMSON - CSP
173, Bd. Hausstnann
PARIS /Frankreich

Unser Zeichen:. T 1530

Logarithmische Verstärkerschaltungsanordnung

Die Erfindung betrifft einen breitbandigen logarithmischen Verstärker mit großer Dynamik, der insbesondere für die Verstärkung von Signalen mit Videofrequenz bestimmt ist.

Bei den meisten logarithmischen Verstärkern wird die Eigenschaft von Halbleiterübergangszonen bzw. pn-übergängen, an ihren Anschlüssen eine Spannung zu bilden, die eine logarithmische Funktion des sie durchquerenden Stromes ist, ausgenutzt, und sie weisen zu diesem Zweck Linearverstärker mit hohem Verstärkungsfaktor auf, die Halbleiterelementen mit pn-übergängen, Dioden-oder Transistoren zugeordnet sind.

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Die Spannung-Strom-Keiinlinien der Elemente mit pn-Übergängen sind jedoch nur für niedrige Stromstärken in der Größenordnung von einigen Zehn Mikroampere streng logarithmisch. Pur Stromstärken in der Größenordnung von einigen Milliampere in einer Übergangszone werden die Spannungsabfälle, insbesondere infolge des Widerstands des den pn-übergang tragenden Materials tmd infolge der Kontaktwiderstände, beträchtlich und die Charakteristik des Elements weicht im selben Maße von einem logarithmischen Gesetz ab.

Es ist bekannt, zur Ausweitung des Arbeitsbereiches eines logarithmischen Verstärkers Kompensationsschaltungen zu verwenden, um die Auswirkungen der Spannungsabfälle in dem Element mit pn-übergang zu kompensieren und um auf diese Weise die Ausnutzung der logarithmischen Kennlinie des pn-Übergangs bei hohen Strömen zu ermöglichen.

Die verwendeten Kompensationsschaltungen sind insgesamt komplex und ihre Anwendung erfordert manchmal die Yerwendung von Schaltungen mit hoher Impedanz an dem Ausgang des logarithmischen Verstärkers·

Andererseits ist es erforderlich, den Arbeitsbereich des logarithmischen Verstärkers zu niedrigen Werten der Eingangssignale hin zu begrenzen. Wenn das nicht gemacht wird, werden auf Grund der logarithmischen Kennlinie das Rauschen und die Störsignale kleiner Amplitude in größerem Ausmaß verstärkt als die Hutzsignale höherer Amplitude, was den Rauschabstand verringert.

Die bekannten Kompensationsschaltungen sind schlecht dafür geeignet, Vorrichtungen zur Begrenzung von kleinen Signalen zugeordnet zu werden.

Durch die Erfindung soll ein mit einer Kompensationsschaltung versehener logarithmischer Verstärker ge-

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schaffen werden, der die obengenannten Nachteile nicht aufweist.

Eine logarithmisch Verstärkerschaltungsanordnung mit einem Differentialverstärker,dessen erster Eingang mit dem Eingang der Schaltungsanordnung verbunden ist, mit einem Halbleiterelement mit pn-übergang, das zwischen diesem ersten Eingang und dem Ausgang des Verstärkers angeordnet ist, und mit einer zur Kompensation von Spannungsabfällen infolge von Störwiderständen des Halbleiterelements vorgesehenen Schaltung, die einen Widerstand aufweist, an dessen Klemmen eine der Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung überlagerte Kompensationsspannung erzeugt wird, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der HiTiderstand zwischen Masse und dem zureiten Eingang des Differentialverstärkers angeordnet ist, daß dieser zweite Eingang mit öem Eingang der Schaltungsanordnung über einen zweiten Widerstand verbunden ist und daß der Eingang der Schaltungsanordnung mit dem ersten Eingang des Differentialverstärkers über eine Begrenzungsschaltung verbunden ist, die in Eeihensohaltung mit ersten Einrichtungen, die dem Eingangssignal der Schaltungsanordnung eine Gleichkomponente mit entgegengesetzter Polarität und mit im wesentlichen konstantem Wert entsprechend einem Schwellenwert hinzufügen, mit einer unipolar leitenden Vorrichtung, die die Teile des Ausgangssignals der ersten Einrichtungen, die die entgegengesetzte Polarität aufweisen und den Teilen des Eingangssignals entsprechen, deren Absolutwert niedriger als der Schwellenwert ist, auf den Wert O bringt, und mit zweiten Einrichtungen versahen ist, die das Ausgangssignal der unipolar leitenden Vorrichtung derart verschieben, daß die Y/erte O des Ausgangssignals 4er unipolar leitenden Vorrichtung auf den Schwellenwert gebracht werden.

Die Erfindung wird durch die folgende Beschreibung unter

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Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung , aus welcher sich weitere Merkmale der Erfindung ergeben, besser verständlich. Es zeigen:

Pig. 1 das Prinzipschaltbild eines logarithmischen Verstärkers nach der Erfindung, und

Pig. 2 im Einzelnen das Schaltbild einer Ausführungsform des Verstärkers von Fig. 1.

Die logarithmische Verstärkerschaltungsanordnung von Fig. 1, die in diesem Beispiel für die Verstärkung von Signalen mit negativer Polarität bestimmt ist, weist eine Schaltung auf, die in herkömmlicher Weise aus einem Differentialverstärker G mit großem Verstärkungsfaktor und aus einem npn-Transistor Q besteht, dessen Emitter-Basis-Strecke als Gegenkopplungselement zwischen dem Ausgang S und dem Minus-Eingang (Eingang mit Umkehrung) des Verstärkers G angeordnet ist und dessen Kollekter bei A mit einer positiven Gleichspannungsquelle verbunden ist. Eine Begrenzungsschaltung, die verhindert, daß der Minus-Eingang des Verstärkers G- Signale mit zu kleinem Absolutwert empfängt, verbindet den Eingang E mit diesem Minus--Eingang. Diese Schaltung v/eist einerseits einen Differentialverstärker G' mit großem Verstärkungsfaktor auf, dessen Plus-Eingang mit Masse und dessen Minus-Eingang mit dem Eingang E der Schaltungsanordnung über einen Widerstand R verbunden ist, und sie weist andererseits einen npn-Transistor Q¹ auf, der über seine Basis und über seinen Emitter mit dem Ausgang bzw. mit dem Minus-Eingang des Verstärkers G¹ und über seinen Kollektor mit dem Minus-Eingang des Verstärkers G verbunden ist. Die Begrenzungsschaltung weist außerdem einen Widerstand 6 auf, der eine zum Empfang einer positiven Gleichspannung vorgesehene Klemme C mit dem Minus-Eingang des Verstärkers G¹ ver-

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"bindet. Die logarithmische Verstärkerschaltungsanordnung weist außerdem einen Widerstand R₀ auf, der eine zum Empfang einer negativen Gleichspannung vorgesehene Klemme B mit dem Minus-Eingang des Verstärkers G verbindet. Die Schaltungsanordnung v/eist darüberhinaus eine Kompensationsschaltu-ng auf, die aus zwei Widerständen E^ und R2 besteht, welche den Plus-Eingang (Eingang ohne Umkehrung) des Verstärkers G mit dem Eingang der Schaltungsanordnung bzw. mit Masse verbinden.

Der Kollektor des !Transistors Q¹ liefert einen zu der an den Minus-Eingang des Verstärkers G¹ angelegten Spannung proportionalen Strom, wenn diese Spannung negativ ist, und einen Strom mit dem Yfert ITuIl, wenn diese Spannung positiv ist, wobei in diesem zweiten Fall der Transistor Q¹ gesperrt ist.

Es wird zunächst die Arbeitsweise der Kompensationsschaltung erläutert, wobei die Begrenzungsschaltung beiseite gelassen wird, d. h. indem angenommen v/ird, daß die zweite Klemme des Widerstandes R direkt mit dem ersten Minus-Eingang des Verstärkers G verbunden ist und daß der Widerstand R₀ abgetrennt ist.

Wenn eine negative Spannung V_e an den Eingang E der Schaltungsanordnung angelegt ist, sind die Spannungen an den Eingängen des Verstärkers G im wesentlichen gleich ■■— . V_e; der Strom I, der durch den Widerstand R und durch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors fließt, ist zu der Eingangsspannung V_e proportional und die Spannungsdifferenz zwischen den Basis- und Emitterelektroden des Transistors Q beträgt V=A Log_e f J + r I (A und I₀ sind von der Eingangsspannung unabhängige Koeffizienten), wobei der erste Ausdruck einer Spannung an den Anschlüssen eines. pn-Übergangs entspricht und wobei der zweite

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Ausdruck die durch Störwiderstände hervorgerufenen Spannungsabfalle darstellt, die korrigiert werden sollen.

Die Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung am Punkt S ist:

Y_s = A Log ( 2-) + r I + - V_e

^K I₀ ' R^+Rl

Die logarithmische Verstärkungskennlinie ergibt sich, wenn der Ausdruck · ' Y₀ genau den durch Stör-

K2+K1 β

widerstände hervorgerufenen Ausdruck r I kompensiert. Der Wert r wird experimentell für einen ausreichend großen Wert des Stroms I bestimmt und die Werte der Widerstände R, R-. und Rp werden dementsprechend gewählt ·

Die Vergrößerung der Dynamik, die man durch die Kompensationsschaltung erhält, ermöglicht, das Element mit pn-übergang auf dem jenigen Teil seiner Kennlinie zu verwenden, der hinsichtlich des Durchlaßbereiches am interessantesten ist, d, h. zu hohen Strömen hin. Bei niedrigen Strömen wird nämlich der dynamische Widerstand einer Diode oder eines Transistors klein, so daß die Streukapazität an den Anschlüssen des Elements hinzukommt und eine Veränderung des Durchlaßbereiches bewirkt.

Die Kompensationsschaltung ermöglicht es, die loga— rithmische Kennlinie des Transistors bis zu einem Maximalwert I-j des Stroms in der Übergangs ζ one auszunutzen, welchem eine Maximalamplitude Y* des Eingangssignals der Schaltungsanordnung entspricht. Die gewünschte Dynamik K bestimmt die Minimalamplltude Y2 = . — des Eingangssignals, auf welche der Betrieb des logarithmischen Verstärkers begrenzt sein

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muß, um die oben aufgeführten Nachteile zu vermeiden.

Die Begrenzung zu den schwachen Strömen hin erreicht man, indem man dem Eingangssignal eine Gleichkomponente mit positiver Amplitude überlagert, die gleich der minimalen Schwellenamplitude Vg ^is-t· Diese Überlagerung v/ird mittels des Widerstandes 6 ausgeführt, der durch eine seiner Klemmen mit dem Minus-Eingang des Verstärkers G¹ verbunden ist und dessen andere Klemme C eine positive Gleichspannung empfängt. Auf diese \Yeise v/erden die bei E angelegten kleinen Signalwerte positiv und durch ein Signal Hull an dem Ausgang des Transistors Q¹ ersetzt.

Diese Bullwerte werden durch den negativen Schwellenwert ersetzt, und gleichzeitig wird die Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung zu dem Logarithmus des Eingangssignals in,dem Spannungsbereich von

V-I
-γ¹- bis V.J proportional gemacht, indem eine

negative Spannung an die Klemme B des Widerstandes R₀ so angelegt wird, daß der Minus-Eingang des Verstärkers G-einen zusätzlichen Strom I₀ empfängt, der im wesentlichen

gleich dem ¥/ert -~jM— entsprechend dem Begrenzungsschwellenwert ist.

Fig. 2 zeigt ins Einzelne gehend eine Ausführungsform der vorhergehenden logarithmischen Verstärkerschaltungsanordnung.

Die Teile der Schaltungsanordnung, die denen der Pig. entsprechen, sind mit denselben Buchstaben oder Zahlen bezeichnet.

Der Eingang E der Schaltungsanordnung ist über einen Widerstand R mit der Basis eines npn-Transistors 1 verbunden. Diese Basis entspricht dem Minus-Eingang des Verstärkers G¹ von Fig. 1 und ist über einen Widerstand

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mit einer positiven Gleichspannungsquelle verbunden. Der Kollektor dieses Transistors, ist mit der positiven Gleichspannungsquelle verbunden, während sein Emitter über einen Widerstand 4 mit einer negativen Gleichspannungsquelle verbunden ist. Die dem Plus-Eingang des Verstärkers G¹ entsprechende Basis eines npn-Transistors 2, der.durch seinen Emitter mit dem Emitter des Transistors 1 und durch seinen Kollektor mittels eines Widerstandes 5 mit der positiven Gleichspannungsquelle verbunden ist, liegt an Masse. Der Kollektor des Transistors 2 ist andererseits mit der Basis eines pnp-Transistors 3 verbunden, dessen Kollektor dem Ausgang des Verstärkers G¹ entspricht und dessen Emitter mit dem Anschluß A verbunden ist.

Die Basis-Emitter-Strecke von Q' und eine Diode D^, die in Reihe mit dieser Übergangszone liegt, sind zwischen den Kollektor des Transistors 3 und die Basis des Transistors 1 eingefügt, d. h. zwischen den Ausgang und den Minus-Eingang des Differential-Verstärkers G¹· Ein Spannungsteiler, welcher aus zwei in Reihe geschalteten Y/iderständen- 8 und 9 gebildet ist, ist zwischen dem Kollektor des Transistors 3 und der negativen Gleichspannungsquelle angeordnet. Eine Diode D2 ist durch ihre Anode mit der Basis des Transistors 1 und durch ihre Kathode mit dem gemeinsamen Punkt der Widerstände 8 und 9 verbunden. Der Differentialverstärker G besteht aus den gleichen Elementen wie der Differentialverstärker G¹ , die in der gleichen Weise miteinander verbunden

um sind und deren Bezugszeichen jeweils/lO erhöht sind:

Zwei npn-Transistoren 11 und 12, zwei Widerstände 14 und 15 und ein pnp-Transistor 13« Der Minus-Eingang von G, d. h. die Basis des Transistors 11 ist mit dem Kollektor des Transistors Q¹ verbunden. Der Plus-Eingang von G, d, h. die Basis des Transistors 12

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ist mit der Gleichspannungsquelle durch einen Widerstand 16, mit Masse durch einen Widerstand 17 und mit dem Eingang E durch einen Widerstand R] verbunden. Die Verbindung zwischen Rj und der Basis des Transistors 12 ist durch die unterbrochene Linie 10 dargestellt. Der Kollektor des Transistors 13 bildet den Ausgang der Schaltungsanordnung und ist einerseits mit der negativen Gleichspannungsquelle durch einen Y/iderstand 18 und andererseits mit der Basis des Transistors Q verbunden. Der Emitter des Transistors Q ist mit dem Minus-Eingang von G- einerseits und mit der negativen Gleichspanmmgsquelle über einen Widerstand R andererseits verbunden.

Der Kollektor des Transistors Q ist, wie in der vorhergehenden Figur, mit- einer Klemme A verbunden. Der Emitter des Transistors 13 ist ebenfalls mit A verbunden.

Die Diode D2 ist vorgesehen, um das Arbeiten des Differentialverstärkers mit offener Schleife zu vermeiden, wenn der Transistor Q¹ infolge einer Polaritätsänderung des Eingangssignals sperrt. Ein solcher Betrieb mit offener Schleife würde den Verstärker in einen Sättigungszustand führen, aus welchem er nur nach einer für die Ansprechzeit der Anordnung nachteiligen Verzögerung in einen korrekten Betriebszustand zurückkehren könnte. Die Diode D2 ist so gepolt, daß die Schwellenwerte des Leitens des Transistors Q¹ und der Dioden D.. und Dp be-, rücksichtigt sind. Zu diesem Zweck ist ihre Kathode nicht wie die Basis des Transistors Q¹ mit dem Kollektor des Transistors 3 verbunden, sondern mit einem gemeinsamen Punkt zwischen den Y/iderständen 9 und 8 in dem Kollektorkreis des Transistors 3.

Wenn das Eingangssignal positiv wird, sperrt der Tran-

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sistor Q¹ und es wird kein Signal zu dem Transistor Q übertragen; die Diode D£ leitet und dient als Gegenkopplungselement, wodurch der korrekte Betrieb des ersten Differentialverstärkers sichergestellt wird.

Die Diode D* dient ebenfalls zum Verbessern der Ansprechzeit der Stromquelle, \7enn der Transistor Q* gesperrt ist, werden die schnellen Änderungen des Eingangssignals erst nach einer Verzögerung übertragen, deren Dauer von den Streukapazitäten des Transistors Q¹ und insbesondere von der Grenzschichtkapazität abhängt. Die Diode D-j in Reihe mit dem Emitter des Transistors Q¹ hat an ihren Anschlüssen eine Streukapazität, die deutlich kleiner ist als die des Transistors.

Die logarithmischen Yerstärkerschaltungsanordnungen sind zwar mit Transistoren als Elementen mit logarithmischen Kennlinien beschrieben worden, bei denselben SchaltungsanOrdnungen können jedoch selbstverständlich Dioden verwendet werden, die als Gegenkopplungselemente zwischen dem Ausgang und dem Minus-Eingang eines DifferentialVerstärkers angeordnet sind.

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Claims

Patentansprüche:

Jy Logarithmisch^ Verstärkerschaltungsanordnung mit einem Differentialverstärker, mit einem Halbleiterelement mit pn-übergang, welches zwischen dem Ausgang und einem ersten Eingang des Differentialverstärkers angeordnet ist, mit einer zur Kompensation von Spannungsabfällen infolge von Störwiderständen des Halbleiterelements vorgesehenen Schaltung, die einen Widerstand aufweist, an dessen Klemmen eine der Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung überlagerte Kompensationsspannung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand zwischen Masse und dem zweiten Eingang des Differentialverstärkers angeordnet ist, daß der Eingang der Schaltungsanordnung einerseits mit dem zweiten Eingang des Differentialverstärkers über einen zweiten Widerstand und andererseits mit dem ersten Eingang des Differentialverstärkers über eine Begrenzungsschaltung verbunden ist, die die Teile des Eingangs-. signals, deren Absolutwert niedriger als ein Schwellenwert ist, auf diesen Schwellenwert bringt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsschaltung in Reihenschaltung mit ersten Einrichtungen, die dem Eingangssignal der Schaltungsanordnung eine Gleichkomponente mit entgegengesetzter Polarität und mit im wesentlichen konstantem Wert entsprechend dem Schwellenwert hinzufügen, mit einer unipolar leitenden Torrichtung, die die Teile des Ausgangssignals der ersten Einrichtungen, die die entgegengesetzte Polarität aufweisen und den Teilen des Eingangssignals entsprechen, deren Absolutwert

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niedriger als der Schwellenwert ist, auf den Wert O bringt, und mit zweiten Einrichtungen versehen ist, die das Ausgangssignal der unipolar leitenden Vorrichtung derart verschieben, daß die Werte O des Ausgangssignals der unipolar leitenden Vorrichtung auf den Schwellenwert gebracht v/erden.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unipolar leitende Vorrichtung einen Hilfsdifferentialverstärker, dessen erster Eingang den Eingang der unipolar leitenden Vorrichtung bildet und dessen zweiter Eingang mit Masse verbunden ist, und einen Transistor aufweist, dessen Basis und Emitter mit dem Ausgang bzw. dem ersten Eingang des Hilfsdifferentialverstärkers verbunden sind, wobei der Kollektor des Transistors den Ausgang der unipolar leitenden Vorrichtung bildet.

4# Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Einrichtungen eine Gleichspannungsquelle und einen zwischen die Quelle und den Eingang der unipolar leitenden Vorrichtung geschalteten Widerstand aufweisen, und daß die zweiten Einrichtungen eine weitere Gleichspannungsquelle und einen zwischen die andere Quelle und den Ausgang der unipolar leitenden Vorrichtung geschalteten Widerstand aufweisen.

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