DE2409340C2

DE2409340C2 - Logarithmische Verstärkerschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2409340C2
Application number: DE2409340A
Authority: DE
Inventors: Claude Asnieres Claverie
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1973-02-27
Filing date: 1974-02-27
Publication date: 1983-01-20
Also published as: FR2220925A1; US3921008A; NL174996C; FR2220925B1; JPS5717373B2; GB1437565A; DE2409340A1; NL7402433A; JPS502848A

Description

eine Schaltung auf, Jir <n herkömmlicher Weise aus einem Differentialverstärker O mit großem Verstärkungsfaktor und aus einem npn-Transistor Q besteht, dessen Emitter-Basis-Strecke als Gegenkopplungselement zwischen dem Ausgang Sund dem Minus-Eingang (Eingang mit Umkehrung) des Verstärkers G angeordnet ist und dessen Kollektor 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 weist einerseits einen Differentialverstärker G' mit großem Verstärkungsfaktor auf, dessen Plus-Eingang mit Masse und dessen Minus-Eingang mit dem Eingang E der Schaltungsan- is Ordnung über einen Widerstand R verbunden ist, und sie weist andererseits einen npn-Transistor Q'auf, der über seine Basis und über seinen Emitter mit dem Ausgang bzw. mit dem Minus-Eingang des Verstärkers C und über seinen Kollektor mit dem Minus-Eingang des Verstärkers C 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 G' verbindet. Die logarithmische Verstärkerschaiiungsan-Ordnung weist außerdem einen Widerstand Ro auf, der eine zum Empfang einer negativen Gleichspannung vorgesehene Klemme B mit dem Minus-Eingang des Verstärkers G verbindet. Die Schaltungsanordnung weist darüber hinaus eine Kompensationsschaltung auf. die aus zwei Widerständen R, 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 <?'liefert einen zu der an den Minus-Eingang des Verstärkers G' angelegten Spannung proportionalen Strom, wenn diese Spannung negativ ist, und einen Strom mit dem Wert Null, wenn diese Spannung positiv ist, wobei in diesem zweiten Fall der Transistor (^'gesperrt ist.

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

Wenn eine negative Spannung V_c an den Eingang E der Schaltungsanordnung angelegt ist. sind die Spannungen an den Eingängen des Verstärkers G im

R₂

wesentlichen gleich— · V_t; der Strom /. der durch

den Widerstand R und durch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors fließt, ist zu der Eingangsspannung V₁. proportional und die Spannungsdifferenz zwischen den Basis- und Emittere'ektroden des Transistors Q beträgt V,

rl +

= A Log«

/„

rf

(A und I_n sind von der Eingangsspannung unabhängige Koeffizienten), wobei der erste Ausdruck einer Spannung an den Anschlüssen eines pn-Übergangs entspricht und wobei der zweite Ausdruck die durch Störwiderstände hervorgerufenen Spannungsabfälle darstellt, die korrigiert werden sollen.

Die Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung am Punkt 5ist:

60 Ri+R\
Die logarithmische Verstärkungskennlinie ergibt sich

Ji

ι+R₁

wenn der Ausdruck

V_c genau den durch

Störwidersiände hervorgerufenen Ausdruck rl kompensiert. Der Wert r wird experimentell für einen ausreichend großen Wert des Stroms /bestimmt und die Werte der Widerstände R, R\ und R₂ 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 Anschlüsser des Elements hinzukommt und eine Veränderung des Durchlaßbereiches' wirkt.

Die Kompensationsschaltung ei müg'icht es, die logarithmische Kennlinie des Transistors bis zu einem Maximalwert /1 des Stroms in der Übergangszone auszunutzen, welchem eine Maximalamplitude Vi des Eingang.signals der Schaltungsanordnung entspricht.

Die gewünschte Dynamik K bestimmt die Minimalam-

y
plitude V₂ = -φ des Eingangssignals, auf welche der

Betrieb des logarithmischen Verstärker,, begrenzt sein 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 V₂ ist. Diese Überlagerung wird mittels des Widerstandes 6 ausgefühlt, der durch eine seiner Klemmen mit dem Minus-Eingang des Verstärkers C verbunden ist und dessen andere Klemme Ceine positive Glei.:hspa inung empfängt. Auf diese Weise werden die bei Eangelegten kleinen Signalwerte positiv und durch ein Signal Null an den: Ausgang des Transistors (^ersetzt.

Diese Nullwerte werden durch den negativen Schwellenwert ersetzt, und gleichzeitig wird die Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung zu dem Logarithmus des Eingangssignals in dem Spannungsbe-

γ
reich von — bis V, proportional gemacht, indem eine

negative Spannung an die Klemme ödes Widerstandes Rn so angelegt wird, daß der Minus-Eingang des Verstärkers G einen zusätzlichen Strom I₂ empfängt,

der im wesentlichen gleich dem Wert —L entsprechend

K
dem P-:grenzungsschwellenwert ist.

Fig. 2 zeigt ins Einzelne gehend eine Ausführungsform der vorhergehenden logarithmischen Vf-rstärkerschaltungsanordnung.

Die Teile der Schaltungsanordnung, die denen der F i g. I entsprechen, sind mit denselben Buchstaben oder Zahlen bezeichnet.

Der Eingjng E der Schaltungsanordnung ist über einen Widerstand R mit der Basis eines npn-f rapsistors 1 verbunden. Diese Basis entspricht dem Minus-Eingang des Verstärkers C von F i g. 1 und ist über einen Widerstand 6 mit einer positiven Glcichspannungsnucl-Ie verbunden. Der Kollektor dieses Transistor, ist mii der positiven Gleichspannungsquclle verbunden, wan-

rend sein Emitter über einen Widerstand 4 mit einer nrpativen Gleichspannungsquellc verbunden ist. Die dem Plus-Eingang des Verstärkers C 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 Centspricht und dessen Emitter mit dem Anschluß A verbunden ist. Die Basis-Emitter-Strecke von Q'wnd eine Diode D\, die in Reihe mit dieser Übergangszone liegt, sind zwischen den Kollektor des Transistors 3 und die Basis des Transistors I eingefügt, d. h. zwischen den Ausgang und den Minus-Eingang des Differentialverstärkers C. Ein Spannungsteiler, welcher aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen 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 I und durch ihre Kathode mit dem gemeinsamen Punkt der Widerstände 8 und 9 verbunden. Der Differentialverstarker G besteht aus den gleichen Elementen wie der Differentialverstarker C. die in der gleichen Weise miteinander verbunden sind und deren Bezugszeichen jeweils um 10 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 (^'verbunden. Der Plus-Eingang von Cd. h., die Basis des Transistors 12 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 R\ 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 Widerstand 13 to 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 Gleichspannungsquelle über einen Widerstand Ro andererseits verbunden.

Der Kollektor des Transistors Q ist. wie in der vorhergehenden Kigur. mit einer Klemme Λ verbunden. Der Emitter des Transistors 13 ist ebenfalls mit Λ verbunden.

Die Diode D₂ ist vorgesehen, um das Arbeiten des DifferentialveiMarkers mit offener Schleife zu vermeiden, wenn der Transistor (^'infolge einer Polaritätsänderung iles Eingangssignals sperrt. Ein solcher Betrieb mit offener Schleife .viirde den Verstärker in einen Sättigungszustand führen, aus welchem e- 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 Q' und der Dioden D\ und D₂ berücksichtigt sind. Zu diesem Zweck ist ihre Kathode nicht wie die Basis des Transistors Q' mit dem Kollektor des Transistors 3 verbunden, sondern mit einem gemeinsamen Punkt zwischen den Widerständen 9 und 8 in dem Kollektorkreis des Transistors 3.

Wenn das Eingangssignal positiv wird, sperrt der Trasistor Q'und es wird kein Signal zu dem Transistor Q übertragen; die Diode D₂ 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. Wenn der Transistor Q' gesperrt ist. werden die schnellen Änderungen des Eingangssignals erst nach einer Verzögerung übertragen, deren Dauer von den Streukapazitäten des Transistors ζ)'und insbesondere von der Grenzschichtkapazität abhängt. Die Diode D< in Reihe mit dem Emitter des Transistors Q'ha\ an ihren Anschlüssen eine Streukapazität, die deutlich kleiner ist als die des Transistors.

Die logarithmischen Verstärkerschaltungsanordnungen 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Logarithmische Verstärkerschaltungsanordnung mit einem Differentialverstärker (G), einem Halbleiterelement (Q) mit pn-Ohergang, das zwischen dem Ausgang (S) und einem ersten Eingang (minus) des Differentialverstärkers (G) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationsschaltung zur Kompensation von Spannungsabfällen infolge von Störwiderständen des Halbleiterelements (Q) vorgesehen ist, die zwei Widerstände (R,, R₃) umfaßt, die in Reihe zwischen dem Eingang (E) der Verstärkerschaltungsanordnung und einem Bezugspotential liegen und deren Verbindungspunkt mit dem zweiten Eingang (plus) des Differentialverstärkers (G) verbunden ist, und daß der Eingang (E) der Verstärkerschaltungsanordnung mit dem ersten Eingang (minus) dieses Differentialverstärkers (G) über eine Begrenzungsichaltung «-erbunden ist. die diejenigen Teile des Eingangssigflals, deren Absolutwert niedriger als ein bestimmter Schwellenwert (V₂) ist, auf diesen Schwellenwert bringt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch einen ersten Schaltungszweig (R, 6. CJl der dem Eingangssignal eine Gleichkomponente entgegengese»zter Polarität vie das Eingangssignal und mit im wesentlichen konstantem Wert, der gleich einem Schwellenwert ist, hinzufügt, durch eine nur in einer Richtung leitenden Einrichtung (C. Q'), die diejenigen Teile des an ihren Eingang angelegten Signals, wtiche die entgegengesetzte Polarität aufweisen und denjer.igen T .ilen des Eingangssignals entsprechen, deren Absolutwert kleiner ist als der Schwellenwert, auf den W< -t Null bringen, und durch einen zweiten Schaltungszweig (R₀, B). der dem Ausgangssignal der nur in einer Richtung leitenden Einrichtung eine Gleichkomponente hinzufügt, die dieses Ausgangssignal, wenn sein Wert gleich Null ist. auf den genannten Schwellenwert bringt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nur in einer Richtung kitende Einrichtung einen Hilfsdifferentialverstärker (C) umfaßt, dessen erster Eingang (minus) den Eingang der in einer Richtung leitenden Einrichtung bildet und dessen zweiter Eingang (plus) mit Masse verbunden ist. und ferner einen Transistor (Q) umfaßt, dessen Basis mit dem Ausgang und dessen Emitter mit dem ersten Eingang des MilfsdifferenlialVerstärkers (C) verbunden ist, wobei der Kollektor dieses Transisturs (Q') den Ausgang der nur in einer Richtung leitenden Einrichtung bildet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schaltungszweig eine Gleichspannungsquelle (C)una einen Widerstand (6) umfaßt, der zwischen die Spannungsquelle und den Eingang der nur in einer Richtung leitenden Einrichtung geschaltet ist. und daß der zweite Schaltungszweig eine weitere Gleichspannungsquel-Ie (B) und einen Widerstand (Ro) umfaßt, der /.wischen diese andere Spannungsquellc und den Ausgang der nur in einer Richtung leitenden Einrichtung geschaltet ist.

Die Erfindung betrifft eine logarithmische Verstärkerschaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere befaßt sie sich mit breitbandigen logarithmischen Verstärkern, die eine große Dynamik aufweisen und insbesondere für die Verstärkung von Signalen mit Videofrequenz geeignet sind.

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-Übergangen. Dioden oder Transistoren zugeordnet sind.

Die Spannung-Strom-Kennlinien der Elemente mit pn-Obergängen sind jedoch nur für niedrige Stromstärken in der Größenordnung von einigen Zehn Mikroampere streng logarithmisch, wie z. B. in »Frequenz« 22,

1968, 5, S. 145, erläutert ist. Für Stromstärken in der Größenordnung von einigen Milliampere in einer Obergangszone werden die Spannungsabfälle, insbesondere infolge des Widerstands des den pn-Obergang tragenden Materials und infolge der Kontaktwiderstände, beträchtlich, und die Charakteristik des Elements weicht im selben Maße von einem logarithmischen Gesetz ab.

Es ist bekannt, zur Ausweitung des Arbeitsbereicheseines logarithmischen Verstärkers Kompensations-

schaltungen 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 Verwendung 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 aufgrund der togarithmischen Kennlinie das Rauschen und die Störsignale kleiner Amplitude in größerem Ausmaß verstärkt als die Nutzsignale höherer Amplitude, was den Rauschabstand verringert.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer logarithmischen Verstärkerschaltungsanordnung, die

so zur Begrenzung von Signalen niedrigen Pegels geeignet ist, ohne kompelxe Kompensationsschaltungen zu benötigen, und die insbesondere keine wesentliche Verschlechterung des Rauschabstandes bewirkt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird durch die folgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung, aus welcher sich weitere Merkmale der Erfindung ergeben, besser verständlich. Es zeigt

Fig. I das Prinzipschaltbild eines logarithmischen Verstärkers nach der Erfindung und

F i g. 2 im einzelnen das Schaltbild einer Ausführungsform des Verstärkers von Fig. I.

Die logarithmische Verstärkerschalüingsanordnung von Fig. I, die in diesem Beispiel für die Verstärkung von Signalen mit negativer Polarität bestimmt ist, weis: