CN110943704B - 对数变换器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种对数变换器，用于对输入信号执行对数变换以得到输出信号，其特征在于，所述对数变换器包括：运算放大器，第一输入端用于接收所述输入信号，第二输入端用于接收参考电压信号，输出端用于输出所述输出信号；第一反馈支路，耦接于所述第一运算放大器的输出端和第一输入端之间；第二反馈支路，包括并联连接于所述第一运算放大器的输出端和第一输入端之间的至少一级反馈模块，其中，每级所述反馈模块用于将所述输出信号与阈值电压信号进行比较，在所述输出信号大于所述阈值电压信号时导通，减小当电流信号增大时每个二极管内阻压降产生的误差，提高对数变换器的输入信号的动态范围。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，更具体地涉及一种对数变换器。
背景技术
对数变换器(Logarithmic Amplifier)是输出信号幅度和输入信号幅度成对数函数关系的放大电路。对数变换器的增益与信号的大小成反比，它能使得小信号得到高增益放大，对于大信号它可以自动降低增益，避免电路饱和，因此对数变换器在通信、雷达、电子对抗以及电子测量中有着广泛的应用。
图1示出现有的一种对数变换器的电路示意图。如图1所示，对数变换器100包括运算放大器110、电阻R1、电阻R2以及二极管D1。电阻R1的第一端用于接收输入信号Vin，第二端与运算放大器110的反相输入端连接。电阻R2的第一端与运算放大器110的同相输入端连接，第二端与电源电压连接。二极管D1的正极与运算放大器110的反相输入端连接，负极与运算放大器110的输出端连接，二极管D1和运算放大器110构成反馈回路。输入信号Vin在电阻R1上转换成电流信号IR，并流过二极管D1，在运算放大器110的输出端得到与输入信号Vin成对数关系的输出信号Vout。
现有的对数变换器具有以下问题：二极管在输入电流较小时内部载流子的复合运动会对电路的输出产生影响，在输入电流较大时其内阻又会对输出产生影响。因此现有的对数变换器仅在一定的电流范围才满足指数特性，无法应用于大动态电路。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种对数变换器，可提高输入信号的动态范围。
根据本发明提供一种对数变换器，用于对输入信号执行对数变换以得到输出信号，其特征在于，所述对数变换器包括：运算放大器，第一输入端用于接收所述输入信号，第二输入端用于接收参考电压信号，输出端用于输出所述输出信号；第一反馈支路，耦接于所述第一运算放大器的输出端和第一输入端之间；第二反馈支路，包括并联连接于所述第一运算放大器的输出端和第一输入端之间的至少一级反馈模块，其中，每级所述反馈模块用于将所述输出信号与阈值电压信号进行比较，在所述输出信号大于所述阈值电压信号时导通。
优选地，所述第一反馈支路包括：第一二极管，正极连接至所述运算放大器的第一输入端，负极连接至所述运算放大器的输出端。
优选地，所述反馈模块包括：多个并联的第二二极管，所述多个第二二极管的正极连接至所述运算放大器的第一输入端；衰减电路，第一输入端用于接收所述阈值电压信号，第二输入端连接至所述运算放大器的输出端，输出端连接至所述多个第二二极管的负极，其中，所述衰减电路用于在所述输出信号大于所述阈值电压信号时，导通所述多个第二二极管。
优选地，所述多个第二二极管的数量正比于所述输入信号的动态范围。
优选地，所述的对数变化电路还包括：电压源，连接于所述运算放大器的所述第一输入端，以提供偏置电压。
优选地，所述衰减电路选自运算放大器，所述第一输入端为反相输入端，所述第二输入端为正相输入端。
优选地，每级所述反馈模块的所述阈值电压信号随所述反馈模块的级数增大。
本实施例的对数变换器，包括由单个二极管组成的第一反馈支路和由多个二极管并联组成的第二反馈支路，第二反馈支路由偏移量的衰减电路控制。在输入信号为小电流信号时，输出信号小于阈值电压信号，第二反馈支路中的多个二极管截止，仅第一反馈支路参与电路反馈，可减小二极管本征电流对电路输出的影响；当输入信号为大电流信号时，输出信号大于阈值电压信号，衰减电路向第二反馈支路中的多个二极管提供有效的偏置电压，多个二极管导通，第一反馈支路和第二反馈支路共同参与电路反馈，减小当电流信号增大时每个二极管内阻压降产生的误差，提高大电流信号输入时的输出精度，提高对数变换器的输入信号的动态范围。
在优选地实施例中，第二反馈支路包括多级反馈模块，所述多级反馈模块接收的阈值电压信号逐级增加，所述多级反馈模块根据输出信号逐级接入电路，不仅可以减小当电流信号增大时因二极管内阻压降产生的误差，提高大电流信号输入时的输出精度。而且当对数变换器的输入信号增大时，反馈模块实现逐级接入，可提高电路调节的精度。同时本发明实施例的对数变换器不需要截距修正以及温度增益补偿，电路更加简单。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出根据现有技术的对数变换器的电路示意图。
图2示出根据本发明第一实施例的对数变换器的电路示意图。
图3示出根据本发明第二实施例的对数变换器的电路示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
图1示出根据本发明第一实施例的对数变换器的电路示意图。
如图1所示，对数变换器200包括第一反馈支路210、第二反馈支路220以及运算放大器230。运算放大器230的反相输入端用于接收输入信号Vin，同相输入端用于接收参考电压信号Vref，输出端用于提供与输入信号Vin成对数关系的输出信号Vout。第一反馈支路210耦接于运算放大器230的输出端和反相输入端之间，第一反馈支路210和运算放大器230构成第一反馈回路。第二反馈支路220与第一反馈支路210并联，第二反馈支路220同样耦接于运算放大器230的输出端和反相输入端之间，与运算放大器230构成第二反馈回路。
运算放大器200还包括电阻R3，电阻R3串联连接在输入信号Vin输入端和运算放大器230的反相输入端之间，用于将输入信号Vin转换成电流信号IR。
运算放大器200还包括电压源V1，电压源V1连接在运算放大器230的反相输入端和电源电压之间，电压源V1用于向运算放大器230提供偏置电压。
优选地，第二反馈支路220还包括由二极管D3-D6以及衰减电路221构成的反馈模块，反馈模块用于接收阈值电压信号Vset，并将输出信号Vout与阈值电压信号Vset进行比较。反馈模块用于在输出信号Vout大于阈值电压信号Vset时导通，导通所述第二反馈回路。
第一反馈支路210包括二极管D2，二极管D2的正极连接至运算放大器230的反相输入端，负极连接至运算放大器230的输出端。
二极管D3-D6相互并联，同时二极管D3-D6的正极与运算放大器230的反相输入端连接。衰减电路221包括第一输入端、第二输入端和输出端，衰减电路221的第一输入端用于接收所述阈值电压信号Vset，第二输入端与运算放大器230的输出端连接以接收输出信号Vout，衰减电路221的输出端与二极管D3-D6的负极连接。
当对数变换器200工作在小信号电路中，输出信号Vout小于阈值电压信号Vset，衰减电路221的输出端没有输出，则二极管D3-D6截止，电流信号IR完全流过二极管D2，在运算放大器230的输出端得到与输入信号Vin呈对数关系的输出信号Vout。
当对数变换器200工作在大信号电路中，输出信号Vout大于阈值电压Vset，衰减电路221向二极管D3-D6输出有效的偏置电压，二极管D3-D6导通。因二极管D2-D6共同参与电路反馈，即可减小当电流信号增大时因二极管内阻压降产生的误差，提高大电流信号输入时的输出精度。
优选地，衰减电路221采用运算放大器，其中，第一输入端为反相输入端，第二输入端为正相输入端。
优选地，运算放大器230为高增益放大器。
在本实施例的对数变换器中，包括由单个二极管组成的第一反馈回路和由多个二极管并联组成的第二反馈回路，并且第二反馈回路由偏移量的衰减电路控制。在输入信号为小电流信号时，输出信号小于阈值电压信号，第二反馈回路中的多个二极管截止，仅第一反馈回路参与电路反馈，可减小二极管本征电流对电路输出的影响；当输入信号为大电流信号时，输出信号大于阈值电压信号，衰减电路向第二反馈回路中的多个二极管提供有效的偏置电压，多个二极管导通，第一反馈回路和第二反馈回路共同参与电路反馈，减小当电流信号增大时每个二极管内阻压降产生的误差，提高大电流信号输入时的输出精度，提高对数变换器的输入信号的动态范围。
此外，在上述实施例中，反馈模块中二极管的数量与输入信号的动态范围成正比，本领域的技术人员可根据输入信号的动态范围选择二极管的数量。
图3示出根据本发明第二实施例的对数变换器的电路示意图。
如图3所示，对数变换器300包括第一反馈支路310、第一级反馈模块320、第二级反馈模块330以及运算放大器340。运算放大器340的反相输入端用于接收输入信号Vin，同相输入端用于接收参考电压信号Vref，输出端用于提供与输入信号Vin成对数关系的输出信号Vout。第一反馈支路310耦接于运算放大器340的输出端和反相输入端之间，第一反馈支路310和运算放大器340构成第一反馈回路。第一级反馈模块320、第二级反馈模块330以及第一反馈支路310之间相互并联，第一级反馈模块320和第二级反馈模块330构成第二反馈支路，同样耦接于运算放大器340的输出端和反相输入端之间，与运算放大器340构成第二反馈回路。
运算放大器200还包括电阻R3，电阻R3串联连接在输入信号Vin输入端和运算放大器230的反相输入端之间，用于将输入信号Vin转换成电流信号IR。
运算放大器200还包括电压源V1，电压源V1连接在运算放大器230的反相输入端和电源电压之间，电压源V1用于向运算放大器230提供偏置电压。
优选地，第一级反馈模块320用于接收阈值电压信号Vset1，并将输出信号Vout与阈值电压信号Vset1进行比较。第一级反馈模块320用于在输出信号Vout大于阈值电压信号Vset1时导通。
第二级反馈模块330用于接收阈值电压信号Vset2，并将输出信号Vout与阈值电压信号Vset2进行比较，第二级反馈模块330用于在输出信号Vout大于阈值电压信号Vset1时导通。
其中，在本实施例中，阈值电压信号Vset2大于阈值电压信号Vset1。
第一反馈支路310包括二极管D2，二极管D2的正极连接至运算放大器340的反相输入端，负极连接至运算放大器230的输出端。
第一级反馈模块320包括二极管D3-D6以及衰减电路321，二极管D3-D6相互并联，同时二极管D3-D6的正极与运算放大器340的反相输入端连接。衰减电路321包括第一输入端、第二输入端和输出端，衰减电路321的第一输入端用于接收所述阈值电压信号Vset1，第二输入端与运算放大器340的输出端连接以接收输出信号Vout，衰减电路321的输出端与二极管D3-D6的负极连接。
第二级反馈模块330包括二极管D7-D10以及衰减电路331，二极管D7-D10相互并联，同时二极管D7-D10的正极与运算放大器340的反相输入端连接。衰减电路331包括第一输入端、第二输入端和输出端，衰减电路331的第一输入端用于接收所述阈值电压信号Vset2，第二输入端与运算放大器340的输出端连接以接收输出信号Vout，衰减电路321的输出端与二极管D7-D10的负极连接。
当对数变换器300工作在小信号电路中，输出信号Vout小于阈值电压信号Vset1，衰减电路321和衰减电路331的输出端没有输出，则二极管D3-D10截止，电流信号IR完全流过二极管D2，在运算放大器340的输出端得到与输入信号Vin呈对数关系的输出信号Vout。
当对数变换器300工作在大信号电路中，当输出信号Vout大于阈值电压Vset1时，衰减电路321向二极管D3-D6输出有效的偏置电压，二极管D3-D6导通，二极管D3-D6参与电路反馈。当输出信号Vout大于阈值电压Vset2时，衰减电路331向二极管D7-D10输出有效的偏置电压，二极管D7-D10导通，二极管D7-D10参与电路反馈。
在本实施例中，第二反馈支路包括多级反馈模块，所述多级反馈模块接收的阈值电压信号逐级增加，所述多级反馈模块根据输出信号逐级接入电路，不仅可以减小当电流信号增大时因二极管内阻压降产生的误差，提高大电流信号输入时的输出精度。而且当对数变换器的输入信号增大时，反馈模块实现逐级接入，可提高电路调节的精度。
为了说明简单，在上述实施例中以第二反馈回路包括两级反馈模块为例进行说明，但是本发明不以此为限制，本领域的技术人员可以根据具体情况选择第二反馈回路中反馈模块的数量。
综上所述，本实施例的对数变换器，包括由单个二极管组成的第一反馈支路和由多个二极管并联组成的第二反馈支路，第二反馈支路由偏移量的衰减电路控制。在输入信号为小电流信号时，输出信号小于阈值电压信号，第二反馈支路中的多个二极管截止，仅第一反馈支路参与电路反馈，可减小二极管本征电流对电路输出的影响；当输入信号为大电流信号时，输出信号大于阈值电压信号，衰减电路向第二反馈支路中的多个二极管提供有效的偏置电压，所述多个二极管导通，第一反馈支路和第二反馈支路共同参与电路反馈，减小当电流信号增大时每个二极管内阻压降产生的误差，提高大电流信号输入时的输出精度，提高对数变换器的输入信号的动态范围。
在优选地实施例中，第二反馈回路包括多级反馈模块，所述多级反馈模块接收的阈值电压信号逐级增加，所述多级反馈模块根据输出信号逐级接入电路，不仅可以减小当电流信号增大时因二极管内阻压降产生的误差，提高大电流信号输入时的输出精度。而且当对数变换器的输入信号增大时，反馈模块实现逐级接入，可提高电路调节的精度。同时本发明实施例的对数变换器不需要截距修正以及温度增益补偿，电路更加简单。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (6)
1.一种对数变换器，用于对输入信号执行对数变换以得到输出信号，其特征在于，所述对数变换器包括：
运算放大器，第一输入端用于接收所述输入信号，第二输入端用于接收参考电压信号，输出端用于输出所述输出信号；
第一反馈支路，耦接于所述运算放大器的输出端和第一输入端之间；
第二反馈支路，包括并联连接于所述运算放大器的输出端和第一输入端之间的至少一级反馈模块，
其中，每级所述反馈模块包括多个并联的第二二极管，多个第二二极管的正极连接至所述运算放大器的第一输入端；以及衰减电路，第一输入端用于接收阈值电压信号，第二输入端连接至所述运算放大器的输出端，输出端连接至所述多个第二二极管的负极，
其中，所述衰减电路用于在所述输出信号大于所述阈值电压信号时导通所述多个第二二极管。
2.根据权利要求1所述的对数变换器，其特征在于，所述第一反馈支路包括：
第一二极管，正极连接至所述运算放大器的第一输入端，负极连接至所述运算放大器的输出端。
3.根据权利要求1所述的对数变换器，其特征在于，所述多个第二二极管的数量正比于所述输入信号的动态范围。
4.根据权利要求1所述的对数变换器，其特征在于，还包括：
电压源，连接于所述运算放大器的所述第一输入端，以提供偏置电压。
5.根据权利要求1所述的对数变换器，其特征在于，所述衰减电路选自运算放大器，所述第一输入端为反相输入端，所述第二输入端为正相输入端。
6.根据权利要求1所述的对数变换器，其特征在于，每级所述反馈模块的所述阈值电压信号随所述反馈模块的级数增大。
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