CN114747138A - 对数放大器 - Google Patents

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CN114747138A
CN114747138A CN202080084009.9A CN202080084009A CN114747138A CN 114747138 A CN114747138 A CN 114747138A CN 202080084009 A CN202080084009 A CN 202080084009A CN 114747138 A CN114747138 A CN 114747138A
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circuit
diode
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coupled
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瓦迪姆·瓦莱理叶维奇·伊万诺夫
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Abstract

一种对数放大器(200)包含对数电流前置放大器电路(202)及对数放大器电路(204)。所述对数电流前置放大器电路(202)包含反相输入端子(206A)、输出端子(206B)及第一二极管(210)。所述第一二极管(210)耦合于所述对数电流前置放大器电路(202)的所述反相输入端子(206A)与所述对数电流前置放大器电路(202)的所述输出端子(206B)之间。所述对数放大器电路(204)包含反相输入端子(212A)、输出端子(212B)及第二二极管(214)。所述对数放大器电路(204)的所述反相输入端子(212A)耦合到所述对数电流前置放大器电路(202)的所述输出端子(212B)。所述第二二极管(214)耦合于所述对数放大器电路(204)的所述反相输入端子(212A)与所述对数放大器电路(204)的所述输出端子(212B)之间。

Description

对数放大器
背景技术
对数放大器是产生具有与输入信号量值的对数成比例的量值的输出信号的电子电路。对数放大器用于其中可遇到大动态范围的信号以压缩宽动态范围输入信号的许多应用中。光电二极管、超声波接收器及雷达接收器的输出是有时使用对数放大器压缩的信号的实例。
发明内容
本文中公开一种具有高带宽及低稳定时间的对数放大器。在一个实例中，一种对数放大器包含对数电流前置放大器电路及对数放大器电路。所述对数电流前置放大器电路包含反相输入端子、输出端子及第一二极管。所述第一二极管耦合于所述对数电流前置放大器电路的所述反相输入端子与所述对数电流前置放大器电路的所述输出端子之间。所述对数放大器电路包含反相输入端子、输出端子及第二二极管。所述对数放大器电路的所述反相输入端子耦合到所述对数电流前置放大器电路的所述输出端子。所述第二二极管耦合于所述对数放大器电路的所述反相输入端子与所述对数放大器电路的所述输出端子之间。
在另一实例中，一种对数放大器包含对数电流前置放大器电路、对数放大器电路、电阻器及二极管。所述对数电流前置放大器电路包含输出端子。所述对数放大器电路包含反相输入端子。所述电阻器包含耦合到所述输出端子的第一端子及耦合到所述反相输入端子的第二端子。所述二极管包含耦合到所述输出端子的阳极端子及耦合到所述反相输入端子的阴极端子。
在进一步实例中，一种电路包含第一对数电流前置放大器电路、第二对数电流前置放大器电路及差分放大器电路。所述差分放大器电路包含非反相输入端子及反相输入端子。所述非反相输入端子耦合到所述第一对数电流前置放大器电路的输出端子。所述反相输入端子耦合到所述第二对数电流前置放大器电路的输出端子。
附图说明
为了详细描述各种实例，现将参考附图，其中：
图1展示实例对数放大器的示意图；
图2展示根据本公开的包含对数电流前置放大器电路的实例对数放大器的示意图；
图3A及3B展示根据本公开的包含对数放大器的电路；及
图4展示说明两个对数放大器的带宽的图表。
具体实施方式
在此描述中，术语“耦合(couple或couples)”意指间接或直接有线或无线连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么所述连接可为通过直接连接或通过经由其它装置及连接的间接连接。此外，在此描述中，叙述“基于”意指“至少部分基于”。因此，如果X基于Y，那么X可依据Y及任何数目的其它因数而变化。
图1展示实例对数放大器100的示意图。对数放大器100包含放大器102及在放大器102的反馈路径中的二极管连接的晶体管104。将二极管连接的晶体管104的基极-射极电压(VBE)表达为：
Figure BDA0003676075410000021
其中：
IIN是输入电流；
IS是二极管连接的晶体管104的P-N结的反向电流；
T是绝对温度；
K是玻尔兹曼(Boltzmann)常数；且
q是电子的电荷。
VBE对IIN的对数相依性跨越从皮安到毫安的5到6个数量级。
速度是对数放大器100的一个重要参数。在小输入电流下，速度受由二极管连接的晶体管104的基极-射极电容(CD)及其等效电阻形成的时间常数限制。电容由射极大小定义。
二极管连接的晶体管104的等效电阻是：
Figure BDA0003676075410000022
其中n是过程相依参数。
在100毫微安(nA)的输入电流(IIN)的情况下，RE在27°摄氏度下为约260千欧。在大多数任何现有IC工艺上的0.5到1皮法的CD的实际值的情况下，此RECD极将放大器带宽限于1到2兆赫(MHz)的范围。此限制适用于任何半导体工艺且实际上独立于晶体管ft(晶体管的短路电流增益的单位增益频率)。
本公开的对数放大器通过使用对数电流前置放大器来驱动对数放大器电路而增加操作速度及带宽。图2展示根据本公开的包含对数电流前置放大器电路的实例对数放大器200的示意图。对数放大器200包含对数电流前置放大器电路202、对数放大器电路204、二极管216及电阻器218。对数电流前置放大器电路202包含放大器206、电阻器208及二极管210。放大器206包含耦合到电流源用于接收待转换成与输入电流成对数比例的输出电压的输入电流的反相输入端子206A。
放大器206的反相输入端子206A经由电阻器208及二极管210耦合到放大器206的输出端子206B。电阻器208的端子208A耦合到放大器206的反相输入端子206A，且电阻器208的端子208B耦合到放大器206的输出端子206B。二极管210的阴极端子210C耦合到放大器206的反相输入端子206A且二极管210的阳极端子210A耦合到放大器206的输出端子206B。在对数电流前置放大器电路202的一些实例中，二极管210被实施为二极管连接的晶体管。
对数放大器电路204包含放大器212及二极管214。放大器212包含耦合到放大器206的输出端子206B的反相输入端子212A。反相输入端子206A还经由二极管214耦合到放大器212的输出端子212B。二极管214的阴极端子214C耦合到放大器212的输出端子212B，且二极管214的阳极端子214A耦合到放大器212的反相输入端子212A。在对数放大器电路204的一些实例中，二极管214被实施为二极管连接的晶体管。
输出端子206B经由二极管216及电阻器218耦合到反相输入端子212A。二极管216的阳极端子216A耦合到输出端子206B，且二极管216的阴极端子216C耦合到反相输入端子212A。电阻器218的端子218A耦合到放大器206的输出端子206B，且电阻器218的端子218B耦合到放大器212的反相输入端子212A。在对数放大器200的一些实施方案中，电阻器208的电阻比电阻器218的电阻大N倍，且二极管216的面积比二极管210的面积大数倍。
当IIN小且跨电阻器208的电压小于二极管210的电压降(IINR0<VBE)时，IIN流动通过电阻器208且放大器206的输出端子206B处的电压是V1＝IINR0。因此，当IIN小于跨电阻器208产生超过二极管210的电压降的电压所需的阈值电流时，IIN流动通过电阻器208。对数电流前置放大器电路202的带宽通过由二极管210的电阻及二极管210的电容形成的极(R0CD)定义。对数电流前置放大器电路202的带宽大且不取决于IIN。
通过电阻器218(电阻R0/N)的电流比IIN大N倍。二极管214提供行进通过电阻器218的电流的对数函数(N*IIN)。二极管214的等效电阻减小N倍(因为经放大电流)且对数放大器电路204的带宽增加N倍。因此，使用小输入电流，对数放大器200的带宽由电阻器208、电阻器218及二极管214建立且电流流动通过电阻器208、电阻器218及二极管214。N倍增益在对数放大器200的输出处新增一些DC偏移，这可由如图4中展示的电路中的相反通道补偿。(log(AB)＝log(A)+log(B))。
当IIN大且跨电阻器208的电压大于二极管210的电压降(IINR0>VBE)时，IIN流动通过二极管210，且放大器206的输出端子206B处的电压受对数函数(V1～log(IIN))限制。因此，当IIN大于跨电阻器208产生超过二极管210的电压降的电压所需的阈值电流时，IIN流动通过二极管210。对数电流前置放大器电路202的带宽大，这是因为二极管210的等效电阻小(因为大IIN及跨导)。放大器206的输出端子206B处的电压(V1)由二极管216以由二极管210的电阻对二极管216的电阻的比率设定的增益转换为电流。在这些条件下，电流在通过二极管210及二极管216的路径中流动。在Nx＝N的情况下，提供从电阻器比率增益到二极管面积比率增益的平滑过渡。二极管214提供对数函数。
图3A展示根据本公开的包含对数放大器的电路300。电路300包含对数电流前置放大器电路301、对数电流前置放大器电路303、二极管连接的晶体管314、电阻器316、二极管连接的晶体管318、电阻器320及差分放大器电路321。对数电流前置放大器电路301及差分放大器电路321形成200的实施方案。类似地，对数电流前置放大器电路303及差分放大器电路321形成200的实施方案。电路300产生对数输出电压作为由对数电流前置放大器电路301及差分放大器电路321产生的第一对数信号与由对数电流前置放大器电路303及差分放大器电路321产生的第二对数信号的差。在一些应用中，对数电流前置放大器电路301的反相输入端子302A耦合到电流源，例如光电二极管。在电路300的一些实施方案中，对数电流前置放大器电路301的非反相输入端子302B耦合到对数电流前置放大器电路303的非反相输入端子304B。在一些应用中，对数电流前置放大器电路303的反相输入端子304A耦合到电流源，例如光电二极管或参考电流源。
对数电流前置放大器电路301包含放大器302、电阻器308及耦合于对数电流前置放大器电路301的反相输入端子302A与对数电流前置放大器电路301的输出端子302C之间的二极管连接的晶体管306。电阻器308及二极管连接的晶体管306分别对应于对数电流前置放大器电路202的放大器206、电阻器208及二极管210。对数电流前置放大器电路301的输出端子302C经由分别对应于对数放大器200的二极管216及电阻器218的二极管连接的晶体管314及电阻器316耦合到差分放大器电路321的非反相输入端子326A。
对数电流前置放大器电路303包含放大器304、电阻器312及耦合于对数电流前置放大器电路303的反相输入端子304A与对数电流前置放大器电路303的输出端子304C之间的二极管连接的晶体管310。电阻器312及二极管连接的晶体管310分别对应于对数电流前置放大器电路202的放大器206、电阻器208及二极管210。对数电流前置放大器电路303的输出端子304C经由分别对应于对数放大器200的二极管216及电阻器218的二极管连接的晶体管318及电阻器320耦合到差分放大器电路321的反相输入端子326B。
差分放大器电路321包含差分放大器326、二极管连接的晶体管322及二极管连接的晶体管324。差分放大器326对应于对数放大器电路204的放大器212，且二极管连接的晶体管322及324对应于对数放大器电路204的二极管214。对数电流前置放大器电路301的输出端子326C经由二极管连接的晶体管322耦合到非反相输入端子326A，且差分放大器电路321的输出端子326D经由二极管连接的晶体管324耦合到反相输入端子326B。
因此，如电路300中说明，在一些电路中，对数放大器200的二极管210、二极管214及二极管216被实施为二极管连接的晶体管。
图3B展示根据本公开的包含对数放大器的电路350。电路350包含对数电流前置放大器电路351、对数电流前置放大器电路353、基极接地晶体管364、电阻器366、基极接地晶体管368、电阻器370及差分放大器电路371。对数电流前置放大器电路351及差分放大器电路371形成对数放大器200的实施方案。类似地，对数电流前置放大器电路353及差分放大器电路371形成对数放大器200的实施方案。电路350产生对数输出电压作为由对数电流前置放大器电路351及差分放大器电路371产生的第一对数信号与由对数电流前置放大器电路353及差分放大器电路371产生的第二对数信号之间的差。电路350类似于电路300，但使用基极接地晶体管代替电路300的二极管连接的晶体管306、310、314及318。
在一些应用中，对数电流前置放大器电路351的反相输入端子352A耦合到电流源，例如光电二极管。在电路350的一些实施方案中，对数电流前置放大器电路351的非反相输入端子352B耦合到对数电流前置放大器电路353的非反相输入端子354B。在一些应用中，对数电流前置放大器电路353的反相输入端子354A耦合到电流源，例如光电二极管或参考电流源。
对数电流前置放大器电路351包含分别对应于对数电流前置放大器电路202的放大器206、电阻器208及二极管210的放大器352、电阻器358及基极接地晶体管306。对数电流前置放大器电路351的输出端子352C经由分别对应于对数放大器200的二极管216及电阻器218的基极接地晶体管364及电阻器366耦合到差分放大器电路371的非反相输入端子376A。
对数电流前置放大器电路353包含分别对应于对数电流前置放大器电路202的放大器206、电阻器208及二极管210的放大器354、电阻器362及基极接地晶体管360。对数电流前置放大器电路353的输出端子354C经由分别对应于对数放大器200的二极管216及电阻器218的基极接地晶体管368及电阻器370耦合到差分放大器电路371的反相输入端子376B。
差分放大器电路371包含差分放大器376、二极管连接的晶体管372及二极管连接的晶体管374。差分放大器376对应于对数放大器电路204的放大器212，且二极管连接的晶体管372及374对应于对数放大器电路204的二极管214。差分放大器电路371的输出端子376C经由二极管连接的晶体管372耦合到非反相输入端子376A，且差分放大器电路371的输出端子376D经由二极管连接的晶体管374耦合到反相输入端子376B。
因此，如电路350中说明，在一些电路中，对数放大器200的二极管210及二极管216被实施为基极接地晶体管。
图4展示说明与对数放大器100的带宽相比的对数放大器200的带宽的图表。对数放大器200的带宽被说明为曲线402，且对数放大器100的带宽被说明为曲线404。图4展示，200的带宽显著高于(例如，高超过10倍)对数放大器100的带宽。
在权利要求书的范围内，修改在所述实施例中是可能的，且其它实施例是可能的。

Claims (20)

1.一种对数放大器，其包括：
对数电流前置放大器电路，其包括：
反相输入端子；
输出端子；及
第一二极管，其耦合于所述反相输入端子与所述输出端子之间；及
对数放大器电路，其包括：
反相输入端子，其耦合到所述对数电流前置放大器电路的所述输出端子；
输出端子；及
第二二极管，其耦合于所述对数放大器电路的所述反相输入端子与所述对数放大器电路的所述输出端子之间。
2.根据权利要求1所述的对数放大器，其中：
所述第一二极管的阴极端子耦合到所述对数电流前置放大器电路的所述反相输入端子；且
所述第一二极管的阳极端子耦合到所述对数电流前置放大器电路的所述输出端子。
3.根据权利要求1所述的对数放大器，其中：
所述第二二极管的阳极端子耦合到所述对数放大器电路的所述反相输入端子；且
所述第二二极管的阴极端子耦合到所述对数放大器电路的所述输出端子。
4.根据权利要求1所述的对数放大器，其进一步包括：
第三二极管，其包括：
阳极端子，其耦合到所述对数电流前置放大器电路的所述输出端子；及
阴极端子，其耦合到所述对数放大器电路的所述反相输入端子。
5.根据权利要求1所述的对数放大器，其进一步包括：
电阻器，其包括：
第一端子，其耦合到所述对数电流前置放大器电路的所述输出端子；及
第二端子，其耦合到所述对数放大器电路的所述反相输入端子。
6.根据权利要求1所述的对数放大器，其中所述对数电流前置放大器电路包括：
电阻器，其包括：
第一端子，其耦合到所述对数电流前置放大器电路的所述输出端子；及
第二端子，其耦合到所述对数电流前置放大器电路的所述反相输入端子。
7.根据权利要求6所述的对数放大器，其中：
第一电流基于所述第一电流小于阈值而从所述对数电流前置放大器电路的所述反相输入端子流动通过所述电阻器到所述对数电流前置放大器电路的所述输出端子；且
第二电流基于所述第二电流大于所述阈值而从所述对数电流前置放大器电路的所述反相输入端子流动通过所述第一二极管到所述对数电流前置放大器电路的所述输出端子。
8.一种对数放大器，其包括：
对数电流前置放大器电路，其包括：
输出端子；及
对数放大器电路，其包括：
反相输入端子；
电阻器，其包括：
第一端子，其耦合到所述输出端子；及
第二端子，其耦合到所述反相输入端子；及
二极管，其包括：
阳极端子，其耦合到所述输出端子；及
阴极端子，其耦合到所述反相输入端子。
9.根据权利要求8所述的对数放大器，其中：
所述二极管是第一二极管；且
所述对数放大器电路包括：
输出端子；及
第二二极管，其包括：
阴极端子，其耦合到所述对数放大器电路的所述输出端子；及
阳极端子，其耦合到所述对数放大器电路的所述反相输入端子。
10.根据权利要求8所述的对数放大器，其中：
所述二极管是第一二极管；且
所述对数电流前置放大器电路包括：
反相输入端子；及
第二二极管，其包括：
阳极端子，其耦合到所述输出端子；及
阴极端子，其耦合到所述对数电流前置放大器电路的所述反相输入端子。
11.根据权利要求10所述的对数放大器，其中
所述电阻器是第一电阻器；且
所述对数电流前置放大器电路包括：
反相输入端子；及
第二电阻器，其包括：
第一端子，其耦合到所述输出端子；及
第二端子，其耦合到所述对数电流前置放大器电路的所述反相输入端子。
12.根据权利要求11所述的对数放大器，其中：
所述第一二极管的面积比所述第二二极管的面积大N倍；且
所述第二电阻器的电阻比所述第一电阻器的电阻高N倍。
13.根据权利要求11所述的对数放大器，其中：
第一电流基于跨所述第二电阻器的第一电压大于所述第二二极管的电压降而从所述对数电流前置放大器电路的所述反相输入端子流动通过所述第二二极管到所述输出端子；且
第二电流基于跨所述第二电阻器的第二电压小于所述第二二极管的电压降而从所述对数电流前置放大器电路的所述反相输入端子流动通过所述第二电阻器到所述输出端子。
14.一种电路，其包括：
第一对数电流前置放大器电路；
第二对数电流前置放大器电路；及
差分放大器电路，其包括：
非反相输入端子，其耦合到所述第一对数电流前置放大器电路的输出端子；及
反相输入端子，其耦合到所述第二对数电流前置放大器电路的输出端子。
15.根据权利要求14所述的电路，其中所述第一对数电流前置放大器电路包括：
反相输入端子；
二极管，其耦合于所述第一对数电流前置放大器电路的所述反相输入端子与所述输出端子之间；及
电阻器，其耦合于所述第一对数电流前置放大器电路的所述反相输入端子与所述输出端子之间。
16.根据权利要求14所述的电路，其中所述第二对数电流前置放大器电路包括：
反相输入端子；
二极管，其耦合于所述第二对数电流前置放大器电路的所述反相输入端子与所述输出端子之间；及
电阻器，其耦合于所述第二对数电流前置放大器电路的所述反相输入端子与所述输出端子之间。
17.根据权利要求14所述的电路，其中所述差分放大器电路包括耦合于所述差分放大器电路的所述非反相输入端子与所述差分放大器电路的输出端子之间的二极管。
18.根据权利要求14所述的电路，其中所述差分放大器电路包括耦合于所述差分放大器电路的所述反相输入端子与所述差分放大器电路的输出端子之间的二极管。
19.根据权利要求14所述的电路，其进一步包括：
二极管，其耦合于所述第一对数电流前置放大器电路的所述输出端子与所述差分放大器电路的所述非反相输入端子之间；及
电阻器，其耦合于所述第一对数电流前置放大器电路的所述输出端子与所述差分放大器电路的所述非反相输入端子之间。
20.根据权利要求14所述的电路，其进一步包括：
二极管，其耦合于所述第二对数电流前置放大器电路的所述输出端子与所述差分放大器电路的所述反相输入端子之间；及
电阻器，其耦合于所述第二对数电流前置放大器电路的所述输出端子与所述差分放大器电路的所述反相输入端子之间。
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