DE3347683A1 - TEMPERATURE COMPENSATED LOGARITHMIC CIRCUIT - Google Patents
TEMPERATURE COMPENSATED LOGARITHMIC CIRCUITInfo
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Description
Die Erfindung betrifft elektrische Schaltkreise zur Erzeugung von Ausgangssignalen entsprechend einer logarithmischen Punktion. Insbesondere betrifft diese Erfindung verbesserte Stromkreise zur Entwicklung eines temperaturunabhängigen logarithmischen Ausgangssignals.The invention relates to electrical circuits for generating output signals corresponding to a logarithmic one Puncture. In particular, this invention relates to improved circuits for developing one temperature-independent logarithmic output signal.
Eine Vielzahl von analogen logarithmischen Schaltkreisen wurde für viele Jahre industriell genutzt. Diese umfaßten logarithmische Verstärker mit nur einem variablen Eingangssignal und Schaltkreise für ein logarithmisch.es Verhältnis (log-ratio circuits) mit zwei variablen Eingangssignalen. Im allgemeinen wird die logarithmische Punktion durch ein Paar von entgegengesetzten P-If-Zonenübergängen (junctions) gebildet, die entsprechende Ströme I-, Ip mit der Differentialspannung kT/q. (In 1-/Ip) aufweisen, die als das Basisausgangssignal benutzt werden. Wenn das Ausgangssignal proportional zur absoluten Temperatur ist, ist es offensichtlich, daß eine Porm der Temperaturkompensation für jeden dieser Stromkreise, von dem verlangt wird, daß er bei veränderlichen Temperaturen genau funktioniert, vorgesehen werden muß.A variety of analog logarithmic circuits have been used industrially for many years. These included Logarithmic amplifier with only one variable input signal and circuits for a logarithmic.es Ratio (log-ratio circuits) with two variable input signals. In general, the logarithmic Puncture through a pair of opposing P-If zone transitions (junctions) formed the corresponding currents I-, Ip with the differential voltage kT / q. (In 1- / Ip) used as the base output signal will. When the output is proportional to absolute temperature it is evident that a form of temperature compensation for each of these circuits, which is required to be at variable Temperatures works exactly, must be provided.
Es bestand die Aufgabe, temperaturkompensierte logarithmische Schaltkreise vorzusehen, die zur Herstellung in monolithischer Porm, beispielsweise integrierte Schaltkreischips, verwendbar sind. In bekannten Schaltkreisen werden gewöhnlich Widerstände mit einem hohen Temperaturkoeffizienten (TC) benutzt, um die erforderliche Temperaturkompensation zu bewirken. Ein derartiger Widerstand ist jedoch schwierig in einem Pestkörper vorzusehen. Polglich wird im allgemeinen ein externer Hochtemperaturwiderstand verwendet. Dies ist nicht befriedigend, weil das Produkt dann eher in einem Modulformat als in"einer gesamtmonolithischen Imple-The task was to provide temperature-compensated logarithmic circuits for the production can be used in monolithic Porm, for example integrated circuit chips. In known circuits Resistors with a high temperature coefficient (TC) are usually used to achieve the required To effect temperature compensation. However, such resistance is difficult in a plague body to be provided. In general, an external high temperature resistor is used. This is not satisfactory because the product is then more in a modular format than in "an overall monolithic implementation
mehtierung hergestellt werden muß.payment must be made.
Gemäß der Erfindung werden logarithmische Schaltkreise (entweder logarithmische Verstärker oder logarithmisches Verhältnis) vorgesehen, worin die Notwendigkeit für irgendwelche speziellen Komponenten, wie "beispielsweise ein -Temperaturkompensationswiderstand, durch die Verwendung eines Kompensationsstromkreises, der allein auf dem Verhalten des Zonenübergangs basiert, eliminiert ist·According to the invention, logarithmic circuits (either logarithmic amplifiers or logarithmic Ratio) provided in which the need for any special components, such as "for example a temperature compensation resistor, through the use of a compensation circuit that alone is based on the behavior of the zone transition, is eliminated
In einer "bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden ein Paar von entgegengesetzten P-N-Zonenübergängen mit Eingangsströmen I-, I« versorgt, um das "basislogarithmische Verhältnis zu entwickeln. Das resultierende Signal mit logarithmisehem Verhältnis ist mit einem Kompensationsstromkreis verbunden, der ein zweites Paar von P-N-Zonenübergängen umfaßt, deren gemeinsame Emitter durch eine Stromquelle versorgt werden, die einen Strom proportional zur absoluten Temperatur (PTAT-)'erzeugt.In a "preferred embodiment of the invention, a pair of opposing P-N region junctions supplied with input currents I-, I «in order to "Develop base logarithmic ratio. The resulting A signal with a logarithmic ratio is connected to a compensation circuit, which is a second pair of P-N junction, the common emitter of which is powered by a current source which generates a current proportional to the absolute temperature (PTAT -) '.
Der zwischen dem zweiten Paar von Zonenübergängen geteilte PTAT-Strom wird in Übereinstimmung mit dem logarithmischen Verhältnis (In I-j/lg) moduliert, wobei die temperaturinduzierten Veränderungen, die durch das erste Paar von Zonenübergängen eingeführt werden, durch gleiche und entgegengesetzte temperaturinduzierte Veränderungen, die durch die PTAT-S tromque He eingeführt werden, kompensiert werden. Ein Endausgangssignal wird proportional zu dem Modulationsfaktor in dem zweiten Paar der Zonenübergänge entwickelt, das unabhängig von der Temperatur ist.The PTAT current shared between the second pair of zone transitions becomes in accordance with the logarithmic Ratio (In I-j / lg) modulated, where the temperature-induced changes introduced by the first pair of zone transitions equal and opposite temperature-induced changes introduced by the PTAT-S tromque He be compensated. One final output signal becomes proportional to the modulation factor in the second Pair of zone transitions developed, which is independent of the temperature.
Andere Ziele, Aspekte und Vorteile der Erfindung werden anhand der ausführlichen Beschreibung eines be-Other objects, aspects and advantages of the invention will become apparent from the detailed description of a
vorzugten Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen aufgezeigt.preferred embodiment shown with the aid of the drawings.
Figur 1 ist ein schematisches Diagramm einer relativ einfachen Version des Basis-Schaltkreises, der das Prinzip der Erfindung darstellt,Figure 1 is a schematic diagram of a relative simple version of the basic circuit that represents the principle of the invention,
Figur 2 ist eine abgeänderte Ausführung, die eine abgeglichene Stronikreisausführung verwendet,Figure 2 is a modified design using a balanced circuit design;
Figur 3 ist eine genauere Ausführung eines in Figur 2 gezeigten Stromkreises undFIG. 3 is a more detailed embodiment of one in FIG circuit shown and
Figur 4 ist eine zusätzliche Abänderung der Anordnungen gemäß Figur 2.Figure 4 is an additional modification of the arrangements according to Figure 2.
In Figur 1 ist eine verhältnismäßig einfache Ausführung eines logarithmischen Schaltkreises gezeigt, die ein Paar angepaßter Transistoren Q-, Q2 mit einer gemeinsamen Emitterverbindung, um entgegengesetzte P-N-Zonenübergänge zu bilden, aufweist. Die Basis des Transistors Q- ist geerdet und sein Kollektor ist mit einem Eingangsanschluß verbunden, um einen veränderlichen Eingangsstrom I- zu erhalten. Dieser Eingangsanschluß ist ebenso mit dem Eingang eines hochverstärkenden invertierenden Verstärkers 12 verbunden, dessen Ausgang die gemeinsame Emitterverbindung der Transistoren Q1 und Qo ansteuert, um den Strom I- durch den Transietor Q< zu treiben.Referring to Figure 1, there is shown a relatively simple implementation of a logarithmic circuit comprising a pair of matched transistors Q-, Q 2 with a common emitter connection to form opposite PN junction junctions. The base of the transistor Q- is grounded and its collector is connected to an input terminal to receive a variable input current I-. This input terminal is also connected to the input of a high-gain inverting amplifier 12, the output of which controls the common emitter connection of transistors Q 1 and Qo in order to drive the current I- through the transistor Q <.
Der Kollektor des Transistors Q2 erhält einen Strom von einer Quelle I2, der im Fall einer Anwendung als logarithmischer Verstärker ein konstanter Strom oder für eine Anwendung als logarithmisches Verhältnis ein variabler Strom ist. Der Verstärker 12 versorgt den Strom I2 bei Bedarf.The collector of the transistor Q 2 receives a current from a source I 2 which is a constant current in the case of an application as a logarithmic amplifier or a variable current for an application as a logarithmic ratio. The amplifier 12 supplies the current I 2 when required.
Die Basis des Transistors Q2 ist über einen Widerstand R mit Masse und mit dem Kollektor eines Transistors Q, verbunden. Die Basis des Transistors Q, ist geerdet und sein Emitter ist mit dem Emitter eines angepaßten Transistors Q,, dessen Kollektor geerdet ist, verbunden. Die gemeinsamen Emitter der Transistoren Q,, Q. sind mit einer Stromquelle I3, verbunden, die einen PTAT-Strom (z.Bsp. proportional zur absoluten Temperatur) erzeugt. Der Transistor Q, leitet einen Teil des PTAT-Stromes xl^, während der Transistor Q4 (1-x) I1 leitet.The base of the transistor Q 2 is connected to ground via a resistor R and to the collector of a transistor Q 1. The base of the transistor Qi is grounded and its emitter is connected to the emitter of a matched transistor Qi, the collector of which is grounded. The common emitters of the transistors Q 1, Q. are connected to a current source I 3 , which generates a PTAT current (e.g. proportional to the absolute temperature). The transistor Q, conducts part of the PTAT current xl ^, while the transistor Q 4 (1-x) I 1 conducts.
Es ist ersichtlich, daß der Kollektorstrom des Traile sistors Q, ebenso durch den Widerstand R. fließt. Folglich ist die Spannung am oberen Ende des Transistors bezüglich Masse -xI^R. Demgemäß kann die Kreisgleichung von der geerdeten Basie des Transistors Q1 zur geerdeten Basis des Transistors Q-, wie folgt beschrieben werden:It can be seen that the collector current of the trail sistor Q, also flows through the resistor R. Thus the voltage at the top of the transistor with respect to ground is -xI ^ R. Accordingly, the circular equation from the grounded base of transistor Q 1 to the grounded base of transistor Q- can be described as follows:
wobei Ie der Zonenübergangssattigungsstrom ist.where I e is the zone transition saturation current.
Um die Analysen lediglich aus Gründen der Anschaulichkeit zu vereinfachen, wird angenommen, daß das Produkt I„,R auf den Wert kT/q gesetzt ist. Durch Ein setzen in Gleichung (1) ergibt sich:In order to simplify the analyzes for the sake of clarity only, it is assumed that the Product I ", R is set to the value kT / q. Through a Put in equation (1) results in:
kT -,_ 1I = kT Ί- 1Z kT -, _ 1 I = kT Ί - 1 Z
Umstellen und durcÜ kT/q teilen ergibt:Adjusting and dividing by kT / q results in:
I1 I2 I 1 I 2
In γ- - In ^— = χ (3)In γ- - In ^ - = χ (3)
s ss s
Somit ist der Modulationsfaktor "x" direkt proportional zum gewünschten logarithmischen Verhältnis und frei von Temperatureinwirkungen. Um ein entsprechendes Ausgangssignal zu erhalten, ist es lediglich notwendig, ein dem Modulationsfaktor "x" entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen.Thus the modulation factor "x" is directly proportional to the desired logarithmic ratio and free from the effects of temperature. To a corresponding To obtain an output signal, it is only necessary to provide an output signal corresponding to the modulation factor "x" to create.
Dies kann, wie in Figur 1 dargestellt, durch Benutzen eines dritten Paares angepaßter P-M-Zonenübergänge Q_, Qg, die mit der Basis von Transistor Q. gekoppelt und in einer spiegelbildlichen Ausführung angeordnet sind, erreicht werden. Eine Konstantstromquelle IR ist mit den gemeinsamen Emittern der Transistoren Qc, Qg verbunden. Es ist ersichtlich, daß der Strom durch den Transistor Qg gleich χ·Ιτ> ist und somit als Ausgangsstrom Ijm-g dient. Um eine entsprechende Ausgangsspannung zu erhalten, kann der Kollektor des Transistors Qg mit einem invertierenden hochverstärkenden Verstärker 20, der einen Eückkopplungswiderstand .R_ besitzt, verbunden sein. Die Ausgangsspannung stellt sich dann wie folgt dar;This can be accomplished, as shown in Figure 1, by using a third pair of matched PM junction junctions Q_, Qg coupled to the base of transistor Q. and arranged in a mirror image configuration. A constant current source I R is connected to the common emitters of the transistors Qc, Qg. It can be seen that the current through the transistor Qg is χ · Ιτ> and thus serves as the output current Ijm-g. In order to obtain a corresponding output voltage, the collector of the transistor Qg can be connected to an inverting high-gain amplifier 20 which has a feedback resistor .R_. The output voltage is then as follows;
EAUS - 1R Rs i E OFF - 1 R R si
Somit ist zu verstehen, daß die Ausgangsspannung temperaturunabhängig ist und ohne jeglichen Bedarf an Spezialbauteilen, wie beispielsweise Hochtemperaturkoeffizientwiderständen, erzeugt wird. EntsprechendThus it should be understood that the output voltage is temperature-independent and without any need for special components, such as high-temperature coefficient resistors, is produced. Corresponding
kann ein derartiger Schaltkreis ohne weiteres vollständig in monolithischem Format ausgeführt werden.such a circuit can readily be implemented in full monolithic format.
Bei der Anwendung eines logarithmischen Verstärkers, bei dem Ip festgelegt ist, ist die Fehlerspannung bei Knotenpunkt N nicht sehr wichtig, da er stromgesteuert sein kann und die kleinen Basisströme für Q., Qf- geringfügig kleiner sein können. I™ kann ohne weiteres durch einen E -Schaltkreis erzeugt werden, wie beispielsweise beim in Figur 2 des US-Patentes 3 940 760 (Brokaw) dargestellten allgemeinen Typ. Es ist ebenfalls anzumerken, daß, wenn Lp und 1™ nahezu gleich sind, der Schaltkreis keine gute logarithmische Konformität von Q, bis Qg erfordert, da seine Ohm1sehen Fehler ähnlich sind.When using a logarithmic amplifier with Ip fixed, the error voltage at node N is not very important because it can be current controlled and the small base currents for Q., Qf- can be slightly smaller. I ™ can be readily generated by an E circuit, such as the general type shown in Figure 2 of U.S. Patent 3,940,760 (Brokaw). It should also be noted that when Lp and 1 ™ are nearly the same, the circuit does not require good logarithmic conformity from Q1 to Qg since its ohms are similar to 1 see errors.
Um eine gut gesteuerte virtuelle Hasse beim Knotenpunkt N zu erhalten, um beispielsweise einen sehr genauen Schaltkreis mit logarithmischem Verhältnis auszuführen, könnte ein niedrigverstärkender, nicht invertierender Verstärker am in Figur 1 mit A gekennzeichneten Schaltkreispunkt eingefügt werden.A well-managed virtual hatred at the node To get N, for example to make a very accurate logarithmic ratio circuit, could be a low-gain, non-inverting amplifier marked A in FIG Circuit point can be inserted.
Figur 2 zeigt eine andere Sohaltkreisanordnung, bei der der Knotenpunkt N für I1 = I2 sehr nahe an Erde liegt. Die Analyse dieses symmetrischen Schaltkreises ist richtungsbetrieben und zeigt, daß:FIG. 2 shows another circuit arrangement in which the node N for I 1 = I 2 is very close to earth. Analysis of this symmetrical circuit is directional and shows that:
(2x-1) lnyl (6)(2x-1) lnyl (6)
Wie durch das Beispiel leicht zu erkennen ist, ist Figur 3 vorgesehen, um darzustellen, wie einige Einzelheiten eines praktischen auf Figur 2 basierenden Schalt kreises ausgeführt werden können. Die Arbeitsweise des Schaltkreises ist in fast jeder Hinsicht richtungsbe-As can easily be seen from the example, FIG. 3 is provided to show how some details a practical circuit based on Figure 2 can be performed. How the Circuit is directional in almost every way
trieben. Q7 und QQ dienen durch, die Herabsetzung der Basisströme von Q, bis Qg und durch Vorsehen einiger (headroom) für die Kollektoren der vier !ransistoren einem doppelten Zweck. Im und IR werden auf relativ hohen Werten eingestellt. Dies stellt sicher, daß der Widerstand R hinreichend klein sein kann, so daß Basisstromfehler in Q1 beim oberen Eingangsende (high-input end) des Signalbereichs geringfügige Fehler im Ausgangssignal verursachen«,drove. Q 7 and Q Q serve a dual purpose by reducing the base currents from Q to Qg and by providing some (headroom) for the collectors of the four transistors. Im and I R are set to relatively high values. This ensures that the resistor R can be sufficiently small so that base current errors in Q 1 at the high-input end of the signal range cause minor errors in the output signal «,
Um nochmals auf Figur--2 zurückzukommen, ist es verständlich^ daß das endliche Beta in den "Kern"-Transistoren Q- und Qp eine widrige Wirkung haben wird. Obwohl die Basisströme in Q1 und Q2 die Spannung gegenüber den V/iderständen E nicht verändern werden, (da dies durch das Rüc kupplungssystem immer gleich V1 In (I1Zl2) erzwungen wird) ändern sie den Viert des Modulationsindex X1 der zum Erzeugen dieser Spannung erforderlich ist, und führen somit einen Fehler in das Endausgangssignal ein. Figur 4 zeigt eine ergänzende Abänderung des Kernteils der Anordnung in Figur 2, die diese Aufgabe in der nachfolgenden Art vermeidet. Q1 . erzeugt einen Basisstrom, der gleich dem Gesamtbasisstrom von Q1 und Q2 ist. Q12 und Q1-, bilden ein emittergekoppeltes Paar, das diesen Strom auf die gleiche Weise,wie Q1 und Q2 den G-esamtemitterstrom F1 und P2, ins richtige Verhältnis bringen. Bedingt durch die gekreuzten Verbindungen und-angenommen, daß der Basisstromfehlerfaktor <f {& 1/ß) klein ist, ist der Kollektorstrom von Q12 nahezug gleich dem Basisstrom von Q2; ebenso ist der Kollektorstrom von Q1^ nahezu gleich dem Basisstrom von Q1* Infolgedessen ist der Basisstrom in jedem Widerstand ^T(I* + I2) und derReturning to Figure 2, it is understandable that the finite beta in the "core" transistors Q- and Qp will have an adverse effect. Although the base currents in Q 1 and Q 2 will not change the voltage compared to the V / i resistances E, (since this is always forced to be equal to V 1 In (I 1 Zl 2 ) by the feedback system) they change the fourth of the modulation index X 1 required to generate this voltage, and thus introduce an error in the final output signal. FIG. 4 shows a supplementary modification of the core part of the arrangement in FIG. 2, which avoids this task in the following way. Q 1 . generates a base current equal to the total base current of Q 1 and Q 2 . Q 12 and Q 1 -, form an emitter-coupled pair that proportions this current in the same way as Q 1 and Q 2 balance the total emitter current F 1 and P 2. Due to the crossed connections and assuming that the base current error factor <f {& 1 / ß) is small, the collector current of Q 12 is almost equal to the base current of Q 2 ; likewise the collector current of Q 1 ^ is almost equal to the base current of Q 1 *. As a result, the base current in each resistor is ^ T (I * + I 2 ) and the
COPYCOPY
Nettodifferenzfehler (net differential error) Null.Net differential error zero.
Obwohl verschieden bevorzugte Ausführungen der Erfindung hier im Einzelnen offenbart wurden, ist es verständlich, daß dies nur zum Zwecke der Darstellung der Erfindung erfolgt ist, und nicht, um den Umfang der Erfindung zu begrenzen, da es für den Fachmann naheliegend ist, daß viele Veränderungen nur durch die Anwendung der beanspruchten Erfindung gemacht werden können.Although various preferred embodiments of the invention have been disclosed in detail herein, it is it will be understood that this has been done for the purpose of illustrating the invention, and not to limit the scope to limit the invention, since it is obvious to a person skilled in the art that many changes are only made by the application of the claimed invention can be made.
Ein logarithmischer Verstärker oder ein logarithmischer Verhältnisschaltkreis zur Erzeugung eines temperaturunabhängigen Ausgangssignals entsprechend dem Logarithmus des Verhältnisses eines Paares von Eingangsströmen. Die Basislogarithmusfunktion wird durch ein Paar entgegengesetzter P-K-Zonenübergänge erzeugt, durch die die entsprechenden Eingangsströme fließen. Die Temperaturkompensation v/ird durch einen Schaltkreis, der ein Paar entgegengesetzte P-U-Zonenübergänge umfaßt, bewirkt, die ein PTAI-Stromteil zwischen den Zonenübergängen entsprechend einem Modulationsfaktor proportional zur gewünschten logarithmischen Punktion empfangen. Die temperaturinduzierten Signalveränderungen, die durch die PTAI-Stromqiuelle erzeugt werden, sind gleich und entgegengesetzt zu den temperaturinduzierten Signalveränderungen, die durch das erste Paar P-2T-Zonenübergängen erzeugt werden, und ein temperaturunabhängiges Ausgangssignal wird in Übereinstimmung mit dem Modulationsfaktor, der an den Pl'AT-Strom durch das zweite Paar P-N-Zonenübergänge angelegt vrird, entwickelt.A logarithmic amplifier or a logarithmic ratio circuit to produce a temperature independent Output signal corresponding to the logarithm of the ratio of a pair of input currents. the The logarithmic function is generated by a pair of opposite P-K zone transitions through which the corresponding Input currents flow. The temperature compensation is done by a circuit that is a pair opposite Includes P-U zone transitions, causing a PTAI flow portion between the zone transitions accordingly a modulation factor proportional to the desired logarithmic puncture. The temperature-induced Signal changes caused by the PTAI current source are equal to and opposite to the temperature-induced signal changes that generated by the first pair of P-2T zone transitions, and a temperature-independent output signal is in Agreement with the modulation factor applied to the Pl'AT flow through the second pair of P-N zone transitions created, developed.
ΟΘΡΥ ORIGINAL INSPECTEDΟΘΡΥ ORIGINAL INSPECTED
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Claims (18)
Sonnenberger Straße 100
' D 6200 Wiesbaden 1
Telefon 06121/560034P.O. Box 2626
Sonnenberger Strasse 100
'D 6200 Wiesbaden 1
Telephone 06121/560034
FuKk/G - A 120December 27, 1983
FuKk / G - A 120
.Norwood, MA 02062, U.S.A.Analog Devices, Incorp., Route 1, Industrial Park,
.Norwood, MA 02062, USA
zweites Signal erzeugt, aufweisen und mit diesen Eingangsmitteln gekoppelt sind,Circuit means that have a PTAT source that a
second signal generated, having and coupled to these input means,
der Größenordnung des zweiten Signals in Übereinstimmung mit dem Logarithmus aufweisen, während die Aufhebung des temperaturbezogenen Faktors dieses zweiten Signals hervorgerufen wird undCircuit means, further comprising means for modulation
of the order of magnitude of the second signal in accordance with the logarithm, while the temperature-related factor of this second signal is canceled and
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