DE1956692A1 - Verstaerkerstufenschaltung fuer einen logarithmischen Verstaerker - Google Patents

Description

Be sch re ibung

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der Firma Schlumberger overseas Meßgerätebau und Vertrieb GmbH, München, Bayerstraße Ij5

Betreffend:

"VerstärkerStufenschaltung für einen logarithmischen Verstärker"

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerstufenschaltung für einen logarithmischen Verstärker.

Logarithmisch arbeitende Verstärker werden für zahlreiche Zwecke benötigt, insbesondere, um bei der Messung stark in der Amplitude schwankender Signale eine gleiche relative Meßgenauigkeit sowohl für sehr kleine als auch für sehr hohe Amplituden zu ermöglichen.

Im Prinzip lassen sich solche Verstärker dadurch verwirklichen, daß in den Signalpfad vom Eingang zum Ausgang oder auch in den Rückkopplungspfad eines Verstärkers ein Element mit logarithmischer Kennlinie geschaltet wirdj zu diesem Zweck verwendet man beispielsweise Dioden, die im Knickpunkt ihrer Kennlinie einen etwa logarithmischen Kennlinienverlauf besitzen«

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In der Veröffentlichung "Ein logarithm!scher Verstärker hoher Stabilität und Genauigkeit" von W. Glathe ("Frequenz" 22, 1968, 5, S. 14²I-) ist eine abweichende Schaltungsanordnung beschrieben. Danach läßt sich eine mit guter Annäherung logarithmische Kennlinie eines mehrstufigen Verstärkers dadurch realisieren, daß jede der Stufen in einem niedrigen Amplitudenbereich ihres Eingangssignals eine hohe Verstärkung von, beispielsweise, Io dB besitzt, die bei Überschreiten eines vorgegebenen Pegels sprunghaft auf ei- L· nen niedrigeren Wert absinkt, beispielsweise auf O dB (Verstärkungsfaktor 1). Wenn die Eingangsamplitude ansteigt, wird zunächst die letzte Stufe auf niedrigere Verstärkung umschalten, danach die vorletzte und so fort, so daß sich eine aus Geradenstücken zusammengesetzte Kennlinie ergibt, die ein angenähert logarithmisches Verhältnis zwischen Ausgangs- und Eingangssignalamplitude ergibt.

Die in der genannten Veröffentlichung beschriebene Ausführungsform der Schaltung der einzelnen Stufe weist je zwei Dioden auf, die so vorgespannt sind, daß sie bei dem vorgegebenen Amplitudenpegel dem Arbeitswiderstand der betreffenden Stufe einen weiteren Widerstand parallel legen Ψ und damit die Verstärkung "sprunghaft" herabsetzen, soweit man von einer Diode als "idealem" Schalter ausgehen kann. Es versteht sich, daß nicht nur die Dioden sorgfältig ausgewählt und aufeinander abgestimmt werden müssen, sondern daß auch getrennte Vorspannungsquellen vorgesehen sein müssen. Diese müssen darüberhinaus noch eine Temperaturkompensationseinrichtung aufweisen, um den Temperaturgang der Diodenkniespannung zu kompensieren.

Aufgabe der Erfindung 1st es, ausgehend von dem gleichen Grundprinzip eine stark vereinfachte Schaltung für

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eine Verstärkerstufe zu schaffen, deren Wirkungsweise im Endergebnis gleich ist, dies jedoch mit wesentlich-vereinfachten Mitteln zu erreichen gestattet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen ersten linearen Verstärkerschaltkreis und einen zweiten, als Differentialverstärker aufgebauten zweiten Verstärkerschaltkreis, der in dem niedrigeren Amplitudenbereich einer Eingangswechselspannung ebenfalls als linearer Verstärker arbeitet und ab einer vorgegebenen Amplitude nur ein konstantes Ausgangssignal abgibt, welchen beiden Verstärkerschaltkreisen ein gemeinsamer Arbeitswiderstand zugeordnet ist.

Zweckmäßig sind die Verstärkerschaltkreise.mit Transistoren aufgebaut* Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist so ausgebildet, daß der erste Verstärkerschaltkreis als einstufiger Transistor-Spannungsverstärker ausgebildet ist und der Differentialverstärker zwei Transistoren umfaßt, In deren gemeinsamer Emitterzuleitung ein Strombegrenzungselement liegt und von denen der eine mit dem Eingangssignal ansteuerbar ist, während der andere mit einem vorgegebenen festen Potential angesteuert ist.

Als Strombegrenzungselement kann dabei die Kollektor-Emitter-Strecke eines im linearen Bereich der Kollektorspannungs-Kollektorstrom-Kennlinie auf einem festen Arbeitspunkt betriebenen Transistors dienen; da der auf diese Weise eingestellte Maximalstrom des Differentialverstärkers sehr niedrig sein kann, läßt sich durch eine starke Gegenkopplung des strombegrenzenden Transistors mittels eines entsprechenden Emitterwiderstandes der Temperaturgang nahezu vollständig kompensieren. Es versteht sich, daß auch de« ersten Verstärkerschalt-

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kreis ein entsprechend bemessener Emitterwiderstand zur Gegenkopplung zugeordnet wird.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

Figuren 1-3 schematisch den Verlauf des Kollektorstromes durch den ersten Verstärkerschaltkreis (Pig. I), durch den Differentialverstärker (Fig. 2)

P und die Summe beider Ströme (Fig. 3)

bei einem den Grenzpegel geringfügig überschreitenden Eingangssignal; und

Figur 4 vereinfacht den Stromlaufplan einer

Verstärkerstufenschaltung gemäß der Erfindung.

Zunächst sei der Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltung anhand der Figur 4 erläutert. Das bei Io eingespeiste Eingangssignal gelangt an die Basis des in üblicher Emitterbasisschaltung arbeitenden Transistors Q,, der mithin als * Spannungsverstärker wirkt und auf den Ausgangswiderstand R arbeitet. Der Spannungsabfall über R,, der proportional ist dem Kollektorstrom von Q-, wird bei 12 an die nächste Stufe weitergegeben, die Identisch aufgebaut ist mit der in Figur 4 gezeigten. Der Transistor O₁ ist mittels des Emitterwiderstandes R« verhältnismäßig stark gegengekoppelt, so daß der Temperaturgang verbessert wird, wie an sich bekannt.

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Das Eingangssignal an Io liegt außerdem an der Basis des Transistors Q₂, der mit dem Transistor Q, einen Differentialverstärker bildet. Die Basis von Q-, liegt an Masse, die Emitter beider Transistoren sind über Widerstände R-, bzw. R), an den Kollektor eines weiteren Transistors P^ gelegt.

Transistor Op ist mit seinem Kollektor an denselben Arbeit swider st and R. gelegt wie Q,. Da beide Transistoren gleichphasig angesteuert werden, addieren sieh ihre Kollektorströme und es addieren sich folglich auch die entsprechenden Spannungsabfälle über R₁. "

Der Transistor Qu liegt mit seiner Basis an einem festeingestellten Spannungsteiler R,-,Rgi sein Emitterwiderstand R dient in an sich bekannter Weise der Gegenkopplung. Damit arbeitet der Transistor Qu auf einem vorgegebenen Punkt seiner Kennlinie, das heißt, sein Kollektorstrom ist konstant und verteilt sich auf die Kollektor-Emitterstrecken der beiden Transistoren ^₂, ο die einen Differentialverstärker bilden. Zu diesem Zweck sind die Widerstände R-, und R., so dimensioniert, daß R^, =

ρ 4 5

Rh ist mit dem Ergenis, daß bei NichtVorhandensein eines Signals an Io beide Transistoren ^o·*^ S^lei°^hen Kollektorstrom führen. Für den Transistor o, braucht kein Arbeitswiderstand vorgesehen

P n«ri«ovit«f«ii

zu werden; da beide Transistoren im QfitfcigMHgMreTeich der Koellektorspannungs-/Kollektorstromkennlinie arbeiten, entsteht dadurch kein Ungleichgewicht. Eine Änderung des Potentials an Io führt zu einer entsprechenden Änderung der Stromverteilung zwischen ^r _o und f., solange, bis die Eingangsamplitude an Io einen solchen - positiven oder negativen - Wert erreicht hat, daß der gesamte Strom, dessen Höhe durch den als Strombegrenzer arbeitenden Transistor 0.^ vorgegeben ist, von Q oder Q-, übernommen worden ist: eine weitere Erhöhung des Eingangssignals kann keine weitere firhöhung des Stromes durch Qp oder O mehr hervorrufen.

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Man wird nun beispielsweise den Transistor Q₁ soweit gegenkoppeln, daß seine Verstärkung gerade 0 dB beträgt, er also das bei Io eingespeiste Signal auf den Ausgang 12 mit einem Amplitudenverhältnis 1 : 1 überträgt. Die Verstärkung des Differentialverstärkers Q₂, Q,. dagegen wird man weseentlich höher wählen, beispielsweise Io dB. Die Summierung der Kollektörströme ergibt eine Addition der Verstärkungen im Kleinsignalbereich, während im Bereich sehr hoher Signalamplituden praktisch nur noch eine Übertragung 1 t 1 durch Q₁ erfolgt, während der Differentialverstärker nur einen im wesentlichen konstanten Kollektorstrom hinzuliefert, dessen Höhe jedoch bei großen Signalen vernachlässigbar ist. Im Übergangsbereich erfolgt eine gewisse Signalverzerrung. Dies erkennt man anhand der Figuren 1 - 3i

Figur 1 zeigt das Eingangssignal bei Io und zugleich denjenigen Teil des Ausgangssignals, der von dem Transistor Q₁ mit der Verstärkung O dB übertragen wird (ohne Berücksichtigung etwaiger Phasenverschiebungen).

Figur 2 zeigt den Kollektorstrom des Transistors Q₂ bei gleichem Eingangssignal. Zunächst steigt der Strom proportional an, bis die Begrenzerwirkung eintritt,· von diesem Punkt an führt der Transistor Q₂ nur einen konstanten Kollektor strom, bis die Eingangssignalamplitude wieder unter einen vorgegeebenen Wert fällt. Es versteht sich, daß man maximalen Kollektorstrom des Transistors Q₂ durch entsprechende Dimensionierung des Spannungsteilers Rj-, Rg und der übrigen Widerstände einstellen kann.

Figur 3 zeigt schließlich den zeltliehen Verlauf des Ausgangssignals an 12. Man erkennt, daß die Überlagerung der

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Kollektorströme zu einem sprunghaften Absinken des Verstärkungsfaktors bei solchen Eingangsamplituden führt, die eine vorgegebene Höhe tibersteigen. Wenn eine Mehrzahl von gleichartigen Stufen in Kaskaden geschaltet wird, ergibt sich also, wie eingangs erläutert, mit guter Annäherung eine logarithmische Verstärkungslinie.

Die dargestellte Schaltung ist insofern vereinfacht gezeichnet, als Netzwerke zur Beeinflussung des Frequenzganges, Koppel- und Siebkondensatoren nicht dargestellt sind, die man gegebenenfalls vorsehen würde. Da man den maximalen Kollektorstrom des Transistors ©_p (undjizugleich des Transistors Q-,) auf einen recht niedrigen Wert festlegen wird im Vergleich zu dem des Transistors 0,, dessen Aussteuerbereich ja um Größenordnungen höher liegen muß, kannman den Transistor Oh so betreiben, insbesondere gegenkoppeln, daß praktisch keine Rückwirkung auf dessen Arbeitspunkt erfolgt beim Aussteuern des Transistors Q^.

- Patentansprüche - 8 -

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   VerstärkerStufenschaltung für einen, aus einer Vielzahl von in Kaskade geschalteten Stufen aufgebauten logarithmischen Verstärker, bei dem jede Stufe für einen ersten, niedrigen Amplitudenbereich des Eingangssignals als linearer Verstärker arbeitet und für höhere Amplituden einen ^ niedrigen Verstärkungsfaktor aifweist, gekennzeichnet durch ' einen ersten linearen Verstärkerschaltkreis und einen zweiten, als Differiantialverstärker aufgebauten zweiten Verstärkerschaltkreis, der in dem niedrigeren Amplitudenbereich einer Eingangswechselspannung ebenfalls als linearer Verstärker arbeitet und ab einer vorgegebenen Amplitude nur ein konstantes Ausgangssignal abifebt, welchen beiden Verstärkerschaltkreisen ein gemeinsamer Arbeitswiderstand zugeordnet ist.
2. 2. VerstärkerStufenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärkerschaltkreis als einstufiger Transistor-Spannungsverstärker ausgebildet ist und

   k der Differentialverstärker zwei Transistoren umfaßt, in deren geemeinsamer Emitterzuleitung ein Strombegrenzungselement liegt und von denen der eine mit dem Eingangssignal ansteuerbar ist, während der andere mit einem vorgegebenen festen Potential angesteuert ist.
3. 3. Verstärkerstufenschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Strombegrenzungselement die Kollektor-Emitterstrecke eines im linearen Bereich der Kollektorspannungs-Kollekturstrom-Kennlinie auf einem festen Arbeitspunkt betriebenen Transistors ist.

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