DE1272379B - Logarithmischer Verstaerker - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03f

H03g

Deutsche Kl.: 21 a2 -18/04

Nummer: 1272 379

Aktenzeichen: P 12 72 379.4-31 (A 51892)

Anmeldetag: 18. März 1966

Auslegetag: 11. Juli 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen logarithmischen Verstärker mit einer von den Eingangszeugte, über der Diode liegende Spannung dem EinKennlinie, bei dem die durch die Eingangssignale erzeugte, über der Dnode liegende Spannung dem Eingang des Verstärkers zugeleitet wird.

Die bisher üblichen logarithmischen Verstärker dieser Art können nur schwer sowohl bezüglich ihres Durchlaßbereiches, ihres Aussteuerbereiches, ihrer thermischen Stabilität und ihrer Beeinflussung durch monopolare Impulse großer Wiederholfrequenz optimal dimensioniert werden. Diese Schwierigkeit tritt vor allem dann auf, wenn sowohl die Grenzfrequenz über einigen Megahertz liegen als auch der Aussteuerbereich über mehrere Dekaden sich erstrecken soll.

Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß ausgehend von einem logarithmischen Verstärker der eingangs erwähnten Art dadurch beseitigt, daß eine Vergleichsschaltung vorgesehen wird, in welcher die über der angesteuerten Diode abfallende Gleichspannung mit einer festen, der Diodenspannung im Arbeitspunkt entsprechenden Bezugsgleichspannung verglichen wird und welche ausgangsseitig ein Differenzsignal erzeugt, das der Differenz zwischen der augenblicklichen mittleren Diodengleichspannung und der festen Gleichspannung proportional ist, und durch eine Rückkopplungsstufe, der das Differenzsignal zugeführt wird und die ausgangsseitig an eine den Strom für die logarithmische Diode liefernde Stufe angeschlossen ist, welche von dem Differenzsignal so gesteuert wird, daß der durch die Diode fließende mittlere Gleichstrom konstant bleibt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verstärkers ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen logarithmischen Verstärker wird der durch die Diode fließende Vorspanngleichstrom ohne Rücksicht auf die Frequenz, die Amplitude und das Vorzeichen der Eingangsimpulse stets konstant gehalten. Auch die Grenzfrequenz kann bei einem erfindungsgemäßen Verstärker wesentlich höher gewählt werden. Ein erfindungsgemäßer Verstärker ist damit in seinen Betriebseigenschaften wesentlich stabiler.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Gemäß F i g. 1 ist die Basis eines NPN-Transistors 10 mit einem Eingangskreis verbunden, der durch einen Kondensator 16 und einen Widerstand 18 gebildet ist. An den Emitter 12 ist ein Strombegrenzungswiderstand 19 angeschlossen. Mit dem Kollektor 13 ist eine Diode 20 verbunden, die vorzugsweise Logarithmischer Verstärker

Anmelder:

ANS, Inc., Huntington, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

ίο Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und
Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann,
Patentanwälte, 8000 München 9, Schweigerstr. 2

¹S Als Erfinder benannt:

Edward W. Thomas, Cheshire, Conn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 18. März 1965 (440 827)

as aus einem Halbleitermaterial besteht und eine logarithmische I-V-Charakteristik besitzt; eine solche Diode wird im folgenden auch als logarthmische Diode bezeichnet. Der Transistor 10 bewirkt, daß die Diode 20 mit einem konstanten Strom vorgespannt wird, um den statischen Arbeitspunkt auf der I-V-Kurve der Diode festzulegen. Beim Zuführen eines Eingangssignals zu dem Transformator 10 wird der durch die Diode 20 fließende Gleichstrom augenblicklich geändert, und an der Diode wird eine Änderung der Ausgangsspannung hervorgerufen, welche dem Logarithmus des Eingangssignals entspricht. Werden nun monopolare Impulse zugeführt, ändert sich die Ausgangsspannungscharakteristik der Diode 20 mit der Amplitude und Frequenz des Eingangssignals, denn der monopolare Signalstrom bewirkt eine Änderung des mittleren Gleichstroms, durch den die Diode 20 vorgespannt ist.

Um die unerwünschte Änderung des mittleren Vorspannungsgleichstroms zu vermeiden, ist eine Bezugsrückkopplungsschleife vorgesehen, durch die gewährleistet wird, daß durch die logarithmische Diode 20 ein konstanter mittlerer Vorspannungsgleichstrom fließt. Zu diesem Zweck wird ein Bezugsstrom durch eine Bezugsdiode 30 geleitet, bei der es sich vorzugsweise um eine Halbleiterdiode handelt, die ebenfalls vorzugsweise eine logarithmische I-V-Charakteristik besitzt; hierbei wird der Spannungsabfall an der Di-

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ode 30 mit dem an der Diode 20 auftretenden Spannungsabfall verglichen. Ein Differenzsignal, das das Ergebnis des Vergleichs zwischen den Spannungsabfällen an den beiden Dioden repräsentiert, wird als Rückkopplungssignal benutzt, um den durch die Diode 20 fließenden mittleren Vorspannungsgleichstrom auf dem gleichen Wert zu halten, der dem durch die Bezugsdiode 30 fließenden Strom entspricht. Die Diode 30 ist über einen Strombegrenzungswiderstand 32 geerdet.

Um das Differenzsignal zum Regeln des Stroms zu erzeugen, der der Diode 20 durch den Transistor 10 zugeführt wird, sind zwei NPN-Transistoren 33 und 34 vorgesehen, die als Differentialsignalverstärker geschaltet sind. Der Transistor 33 umfaßt eine Basis 35, einen Emitter 36 und einen Kollektor 37, während der Transistor 34 eine Basis 39, einen Emitter 40 und einen Kollektor 41 umfaßt. Die Basis 35 ist mit der Diode 20 und dem Kollektor 13 des Transistors 10 verbunden, und die Basis 39 des Transistors 34 ist an die Diode 30 angeschlossen. Die Emitter 36 und 40 der Transistoren 33 und 34 sind beide mit einem Ausgangskreis verbunden, der einen Widerstand 43 und einen Kondensator 44 umfaßt. Der Kollektor 37 des Transistors 33 ist mit einer Seite eines Differential-Widerstandes 45 verbunden, während der Kollektor 41 des Transistors 34 an das untere Ende des Widerstandes 45 angeschlossen ist. Ein Signal, das den Unterschied zwischen den Spannungen an den beiden Dioden repräsentiert, wird dann von dem Widerstand 45 aus einem PNP-Transistor 50 zugeführt, der bewirkt, daß die Vorspannung des Transistors 10 so geändert wird, daß der durch die Diode 20 fließende Vorspannungsgleichstrom ohne Rücksicht auf Frequenz, Amplitude oder Vorzeichen des Eingangssignals konstant gehalten wird.

Der Transistor 50 umfaßt eine Basis 51, einen Kollektor 52 und einen Emitter 53. Die Basis 51 ist an den Widerstand 45 angeschlossen, und der Kollektor 52 ist mit einem Rückkopplungswiderstand 55 verbunden, der mit dem Eingangswiderstand 18 in Reihe geschaltet ist. Die Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 18 und 55 ist an eine Spannungsquelle V 3 angeschlossen. Die Verwendung einer Bezugsschaltung mit einer Bezugsdiode 30 und einer Differentialrückkopplungsschleife in einer solchen Anordnung, daß der durch die Diode 20 fließende Gleichstrom entsprechend dem Spannungsabfall an der Diode 20 geändert wird, ermöglicht somit die Schaffung eines neuartigen und verbesserten logarithmischen Verstärkers, der im wesentlichen ohne Rücksicht auf Vorzeichen, Frequenz oder Amplitude der Eingangssignale eine im wesentlichen konstante Ausgangscharakteristik besitzt.

Der Verstärker nach F i g. 2 umfaßt eine Quelle für einen konstanten Vorspannstrom mit drei Transistoren 70, 71 und 72. Diese Transistoren sind so geschaltet, daß sie einer Diode 75 einen im wesentlichen konstanten Vorspanngleichstrom zuführen. Hierbei wird eine Diode 75 mit einer logarithmischen I-V-Charakteristik gewählt. Der Transistor 70 umfaßt eine Basis 80, einen Emitter 81 und einen Kollektor 82. Der Transistor 71 umfaßt eine Basis 83, einen Emitter 84 und einen Kollektor 85, während der Transistor 72 eine Basis 86, einen Emitter 87 und einen Kollektor 88 umfaßt. Die Basis 80 des Transistors 70 ist an einen Eingangskreis angeschlossen, der einen Kondensator 89 und einen Widerstand 90 umfaßt. Der Emitter 81 des Transistors 70 ist mit einem Belastungswiderstand 91 und dem Emitter 84 des Transistors 71 verbunden. Der Kollektor 85 des Transistors 71 ist an die Basis 86 des Transistors 72 und einen Belastungswiderstand 93 angeschlossen. Der Belastungswiderstand 93 ist für Augenblickssignale zur Basis 83 und zum Emitter 87 des Transistors 71 bzw. des Transistors 72 durch einen Kondensator 94 rückgekoppelt und außerdem über einen Widerstand 95 an eine Spannungsquelle Vl angeschlossen. Die Basis 83 und der Emitter 87 des Transistors 71 bzw. des Transistors 72 sind außerdem über einen Strombegrenzungswiderstand 96 geerdet. Ferner ist der Kollektor 88 des Transistors 72 über Belastungswiderstände 98 und 99 an die Spannungsquelle Vl angeschlossen und mit der logarithmischen Diode 75 verbunden. Der Transistor 70 arbeitet in einer Emitterfolgeschaltung, und der Transistor 71, der mit dem Transistor 72 verbunden ist, arbeitet derart, daß Änderungen des Betawerts des Transistors 72 kompensiert werden, so daß der Transistor 72 dem Punkt 100 ein Ausgangssignal zuführt, das gleich und direkt proportional zu einer augenblicklichen Änderung des dem Eingang des Transistors 70 zugeführten Eingangssignals ist.

Die Diode 75 ist über einen Widerstand 101 mit der Vorspannungsquelle Vl verbunden. Der durch die Diode 75 fließende Strom steht daher in einer Beziehung zu den Widerstandswerten der Widerstände 98,99 und 101. Ferner ist die Diode 75 über ein Umgehungsnetzwerk aus einem Widerstand 102 und einem Kondensator 103 geerdet. Außerdem sind an die Diode 75 drei Emitterfolgetransistoren 109, 110 und 111 angeschlossen, die als Widerstandsanpassungsnetzwerk nach Darlington wirken, sowie an Mittel, um die Spannungsänderung an der Diode 75 einer Auswertungsvorrichtung zuzuführen. Wird ein Eingangssignal des Transistors 70 zugeführt, ändert sich somit der Augenblickswert des durch die Diode 75 fließenden Stroms, und man erhält ein den Logarithmus des Eingangssignals repräsentierendes Ausgangssignal am Emitter des Emitterfolgetransistors 111 bzw. an einem Belastungswiderstand 112.

Werden dem logarithmischen Verstärker im wesentlichen nur monopolare Eingangssignale oder Impulse zugeführt, ändert sich die Ausgangsspannungscharakteristik der Diode 75 entsprechend der Amplitude und Frequenz der Eingangssignale, denn die monopolaren Eingangssignalimpulse bewirken eine Änderung des die Diode 75 vorspannenden mittleren Gleichstroms.

Um die unerwünschte Änderung des Vorspanngleichstroms zu vermeiden, ist eine Bezugsrückkopplungsschleife vorgesehen, mittels deren der durch die logarithmische Diode 75 fließende mittlere Vorspanngleichstrom konstant gehalten wird. Zu diesem Zweckwird ein Bezugsstrom erzeugt, der durch eine Bezugsdiode 120 fließt, bei der es sich vorzugsweise ebenfalls um eine Halbleiterdiode mit einer vorzugsweise logarithmischen I-V-Charakteristik handelt; hierbei wird der Spannungsabfall an der Dode 120 mit dem Spannungsabfall an der Diode 75 verglichen. Ein Differenzsignal, das das Ergebnis des Vergleichs zwischen den Spannungsabfallwerten an den beiden Dioden repräsentiert, wird als Rückkopplungssignal verwendet, um den durch die Diode 75 fließenden mittleren Vorspanngleichstrom auf dem gleichen Wert zu halten wie der durch die Bezugsdiode 120 fließende

Strom. Der durch die Bezugsdiode 120 fließende Strom wird dadurch bestimmt, daß eine Seite der Diode 120 an den Widerstand 101 angeschlossen ist, während die andere Seite der Diode über einen Strombegrenzungswiderstand 121 geerdet ist.

Um das Differenzsignal zu erzeugen, ist eine Differentialverstärkerschaltung 129 mit zwei Transistoren 130 und 132 vorgesehen. Der Transistor 130 ist über die Widerstandsanpassungstransistoren 109 und 110 angeschlossen, um den Spannungsabfall an der Diode 75 festzustellen, und der Transistor 132 ist über zwei Widerstandsanpassungstransistoren 135 und 136 angeschlossen, damit der Spannungsabfall an der Diode 120 festgestellt werden kann. Somit erhält man an einem Differentialwiderstand 140 das Differenzausgangssignal der Differentialverstärkerschaltung 129. Das Differenzsignal wird dann einem Rückkopplungstransistor 150 zugeführt, der über einen Widerstand 151 angeschlossen ist, und zwar derart, daß der Basisstrom geregelt wird, der den Stromquellentransistoren 70, 71 und 72 zugeführt wird. Auf diese Weise wird der durch die Diode 75 fließende mittlere Vorspanngleichstrom im wesentlichen konstant gehalten, und zwar ohne Rücksicht auf Amplitude, Vorzeichen und Frequenz des Eingangssignals.

Ferner wird bei der Schaltung nach F i g. 2 von der Technik der Kathodenkopplung Gebrauch gemacht, um den Durchlaßbereich des logarithmischen Verstärkers zu vergrößern. Genauer gesagt wird durch die Verwendung eines Kondensators 150, der über den Widerstand 152 an den Emitter 151 des Transistors 110 angeschlossen ist, die Basis-Kollektor-Kapazität der Transistoren 109 und 110 in der Weise kompensiert, daß die obere Frequenzgrenze dieser Transistoren erheblich erhöht wird. Hierdurch wird somit der Durchlaßbereich des Verstärkers erheblich vergrößert. Ferner bewirkt die Verwendung eines zweiten Kathodenkopplungskondensators 160, der augenblicklich der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 98 und 99 ein Rückkopplungssignal zuführt, das bezüglich Größe und Vorzeichen im wesentlichen gleich dem Signal ist, das beim Zuführen eines Eingangsimpulses zu dem Verstärker am Punkt 100 erscheint, daß das Ansprechen des Verstärkers auf ein variierendes Eingangssignal erheblich verbessert wird. Durch die Anwendung des Kathodenkopplungsverfahrens bei dem Widerstand 98 kann der variierende Eingangsstrom nur durch die Diode 75, jedoch nicht durch die Widerstände 98 und 99 fließen, denn die Spannung am Punkt 100 ist die gleiche wie diejenige an der Verbindungsstelle der Widerstände 98 und 99.

Claims (7)

Patentansprüche: 55

1. Logarithmischer Verstärker unter Verwendung einer von den Eingangssignalen angesteuerten Diode mit logarithmischer Kennlinie, bei dem die durch die Eingangssignale erzeugte, über der Diode liegende Spannung dem Ausgang des Verstärkers zugeleitet wird, gekennzeichnet durch eine Vergleichsschaltung (33, 34, 43, 45), in der die über der angesteuerten Diode (20) abfallende Gleichspannung mit einer festen, der Diodenspannung im Arbeitspunkt entsprechenden Bezugsgleichspannung verglichen wird und welche ausgangsseitig ein Differenzsignal erzeugt, das der Differenz zwischen der augenblicklichen mittleren Diodengleichspannung und der festen Gleichspannung proportional ist, und durch eine Rückkopplungsstufe (50), der das Differenzsignal zugeführt wird und die ausgangsseitig an eine den Strom für die logarithmische Diode (20) liefernde Stufe (10) angeschlossen ist, welche von dem Differenzsignal so gesteuert wird, daß der durch die Diode (20) fließende mittlere Gleichstrom konstant bleibt (Fig. 1).

2. Logarithmischer Verstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Diode (30) mit einer der logarithmischen Diode (20) gleichen Kennlinie, die im gleichen Arbeitspunkt wie die logarithmische Diode betrieben wird und deren über der Diode abfallende Spannung als Bezugsgleichspannung der Vergleichsschaltung (33, 34, 43, 45) zugeleitet wird.

3. Logarithmischer Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichschaltung als Differentialverstärker mit zwei emitterseitig (bei 36 und 40) an einen gemeinsamen Emitterwiderstand (43) angeschlossenen Transistoren (33 und 34) ausgebildet ist, an deren Basisanschlüssen (35 und 39) die über der logarithmischen Diode (20) abfallende Gleichspannung bzw. die Bezugsgleichspannung anliegen und deren miteinander verbundene Emitteranschlüsse (36 und 40) den Ausgang des logarithmischen Verstärkers bilden. .

4. Logarithmischer Verstärker nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strom für die logarithmische Diode (20) liefernde Stufe eine Verstärkerstufe aus einem Transistor (10) ist, dessen Kollektorwiderstand durch die logarithmische Diode (20) gebildet wird und dessen Basis (11) der die zu verstärkenden Eingangssignale zugeführt werden, galvanisch direkt mit dem Ausgang (52) der Rückkopplungsstufe (50) verbunden ist.

5. Logarithmischer Verstärker nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strom für die logarithmische Diode (75) liefernde Stufe eine Verstärkerstufe aus mindestens, zwei aufeinanderfolgenden Transistoren (71 und 72) ist, von denen der erste Transistor (71) dem die zu verstärkenden Eingangssignale zugeführt werden und dessen Kollektor (85) an die Basis

(86) des zweiten Transistors (72) angeschlossen ist, zur Kompensation des Betawertes des zweiten Transistors basisseitig (bei 83) mit dem Emitter

(87) dieses zweiten Transistors (72) verbunden ist, an dessen Kollektor (88) die logarithmische Diode (75) direkt angeschlossen ist (Fig. 2).

6. Logarithmischer Verstärker nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der logarithmischen Diode (75) und der Vergleichsschaltung (129) bzw. zwischen der Bezugsdiode (120) und der Vergleichsschaltung (129) jeweils eine Emitterfolgeschaltung aus mindestens einem Transistor (109 bzw. 136) eingeschaltet ist, dessen Emitter zur Verringerung der Basis-Kollektor-Kapazität über einen Kondensator (160) mit dem Kollektor des gleichen Transistors in Verbindung steht (Fig. 2).

7. Logarithmischer Verstärker nach Anspruch 3 und 4 oder 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsstufe aus einem Transistor (50; 150) in Emitterschaltung besteht, dessen

Basis galvanisch direkt an den Ausgang des Differentialverstärkers (33, 34; 129) angeschlossen ist und dessen Kollektor galvanisch mit dem Eingang der den Strom für die logarithmische Diode liefernden Verstärkerstufe in Verbindung steht,

wobei der Transistor (50; 150) im Vergleich zu den die Verstärkerstufe und den Differentialverstärker bildenden Transistoren gleichen Polaritätstyps von dazu entgegengesetztem Polaritätstyps ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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