DE68924933T2

DE68924933T2 - Logarithmischer Verstärker zur Ermittlung der Signaldifferenz zweier Eingangsströme, die logarithmisch verstärkt werden.

Info

Publication number: DE68924933T2
Application number: DE68924933T
Authority: DE
Inventors: Masaya Tanno
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1988-07-20
Filing date: 1989-07-19
Publication date: 1996-07-04
Anticipated expiration: 2009-07-20
Also published as: EP0351835A2; EP0351835B1; US4983863A; KR970003777B1; KR900002547A; JPH0671185B2; DE68924933D1; CA1301862C; JPH0230206A; EP0351835A3

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine logarithmische Verstärkungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der GB-A-2 133 597 ist eine derartige logarithmische Schaltung bekannt, bei der Temperaturveränderungen mittels eines Paares entgegengesetzter PN-Übergänge kompensiert werden. Diese Schaltung kann nicht verhindern, daß unerwünschte Ausgangssignale erzeugt werden, wenn der Eingangsstrom sehr klein ist, oder der Kriechstrom erhöht ist.
Aus der Zeitschrift "Elektronik", Volume 35, Nr. 18, September 1986, Seite 73, 74, 76 bis 78, ist eine logarithmische Verstärkungsschaltung bekannt, deren dynamischer Bereich mittels eines zusätzlichen Verstärkers ausgedehnt ist. Jedoch auch diese Schaltung kann das Problem der sehr kleinen Ströme oder erhöhten Kriechströme nicht lösen.
Fig. 2 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Beispieles einer herkömmlichen logarithmischen Verstärkungsschaltung, und ist beispielsweise in einer japanischen Veröffentlichung "Practical Technique of Operational Amplifier", Seite 150, vom 10. Oktober 1980, beschrieben. Bei der in der Fig. 2 gezeigten Schaltung ist ein Eingangsanschluß 3 an ein negatives Eingangsende einer Vergleichsschaltung 1 über einen Widerstand 2 angeschlossen, und ein positives Eingangsende der Vergleichsschaltung 1 ist an Masse gelegt. Ein Emitter- Kollektor-Pfad eines Transistors 5, dessen Basis an Masse gelegt ist, ist zwischen dem negativen Eingangsende der Vergleichsschaltung 1 und einem Ausgangsanschluß 4 geschaltet. Wenn nun eine Eingangsspannung von ei an den Eingangsanschluß 3 angelegt wird, wird an dem Ausgangsanschluß 4 eine Ausgangsspannung eO erhalten, die wie folgt lautet:
wobei
q = die elektrischen Ladung eines Elektrons,
k = die Boltzmann'sche Konstante,
T = die absolute Temperatur,
R = der Widerstandswert des Widerstandes 2 und
IS= der Sättigungsstrom des P/N-Übergangs ist.
Demgemäß kann die Schaltung gemäß Fig. 2 die Eingangsspannung ei logarithmisch verstärken.
Die logarithmische Verstärkungsschaltung gemäß Fig. 2 hatte jedoch das Problem, daß sie nicht ein Ausgangssignal entsprechend einer Differenz zwischen den logarithmisch verstärkten Werten zweier Eingangssignale erhalten konnte. Obwohl eine logarithmische Verstärkungsschaltung für zwei Eingangssignale verwendet werden kann, wie dies bei einer Differenzverstärkerschaltung mit zwei Eingängen, einem Ausgang in einer ersten Stufe der in der Fig. 3 gezeigten logarithmischen Verstärkungsschaltung vorgesehen werden kann, hat eine derartige Schaltung das Problem, daß sie zur Erhöhung der Anzahl der Bauteile und zu einer Verschlechterung der Charakteristika führt.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine logarithmische Verstärkungsschaltung der bekannten Art zu schaffen, deren dynamischer Bereich ausgedeht ist, und in der keine Schwankungen der Ausgangsspannung verursacht werden, selbst wenn der Eingangsstrom klein ist oder der Kriechstrom erhöht ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Ausführungsformen des logarithmischen Verstärkers gemäß der Erfindung.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Schwankung einer Ausgangsspannung verhindert werden kann, um einen stabilen Betrieb aufrechtzuerhalten, da den Kollektoren der ersten und zweiten Transistoren von den ersten und zweiten Konstantstromschaltungen Kompensationsströme zugeführt werden, selbst wenn der Eingangsstrom klein oder gleich null wird, oder ein unerwünschter Strom, wie beispielsweise der Kriechstrom erhöht ist.
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen im einzelnen aus der folgenden, detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung anhand der begleitenden Figuren hervor.

Kurze Beschreibung der Figuren

Es zeigt:
Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm eines logarithmischen Verstärkers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm eines herkömmlichen logarithmischen Verstärkers.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Fig. 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines logarithmischen Verstärkers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 sind das erste und zweite Eingangssignal jeweils an die ersten und zweiten Eingangsanschlüsse 6 und 7 angelegt. Das erste und zweite Eingangssignal wird jeweils in erste und zweite Eingangsströme umgewandelt, und zwar mittels des ersten und zweiten Widerstands 8 und 9. Dann wird der erste Eingangsstrom an einen Kollektor eines ersten Transistors 10 angelegt und der zweite Eingangsstrom an einen Kollektor eines zweiten Transistors 11 angelegt. Der Kollektor eines Konstantstromtransistors 12 ist gemeinsam an die Emitter der ersten und zweiten Transistoren 10 und 11 angeschlossen. Zusätzlich ist eine Vergleichsschaltung 13 mit ihrem negativen Eingangsende an den Kollektor des ersten Transistors 10 angeschlossen, mit ihrem positiven Eingangsende an den Kollektor des zweiten Transistors 11 angeschlossen und mit ihrem Ausgangsende an einen Ausgangsanschluß 14 angeschlossen. Eine am Ausgangsanschluß 14 erhaltene Ausgangsspannung wird durch die Spannungsteiler- Widerstände 15 und 16 geteilt, um an die Basis des zweiten Transistors 11 angelegt zu werden.
Positive und negative Eingangsenden der Vergleichsschaltung 13 sind mittels eines dritten und vierten Widerstandes 17 und 18 miteinander verbunden, und ein gemeinsamer Knoten des dritten und vierten Widerstands 17 und 18 ist mit dem Gate eines Feldeffekttransistors 19 verbunden. Der Feldeffekttransistor 19 ist mit seinem Drain an eine Referenzspannungsversorgung 20 angeschlossen und mit seiner Source an den Emitter des Konstantstrom-Transistors 12 angeschlossen.
Eine erste Konstantstromquelle 21 hat einen dritten Widerstand 22 vom diodengeschalteten Typ, dessen Emitter an ein Netzteil +Vcc angeschlossen ist, eine Konstantstromquelle 23, die an den Kollektor des dritten Transistors 22 angeschlossen ist, und einen vierten Transistor 24, der an den dritten Transistor 22 angeschlossen ist, um eine Stromspiegelschaltung zu bilden, und eine zweite Konstantstromschaltung 25 umfaßt den dritten Transistor 22, die Konstantstromquelle 23 und einen fünften Transistor 26, der an den dritten Transistor 22 angeschlossen ist, um eine Stromspiegelrelation zu bilden.
Nun wird die Betriebsweise eines logarithmischen Verstärkers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in der Fig. 1 gezeigt, beschrieben.
Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 werden, wenn eine erste und zweite Eingangsspannung an die ersten und zweiten Eingangsanschlüsse 6 und 7 angelegt wird, diese jeweils als V&sub1; und V&sub2; repräsentiert, und es werden erste und zweite Eingangsströme I&sub1; und I&sub2; durch die folgenden Gleichungen repräsentiert:
(2) ... I&sub1; = V&sub1;/R&sub1;, I&sub2; = V&sub2;/R&sub2;
wobei R1 und R2 die Widerstandswerte des ersten bzw. zweiten Widerstands 8 bzw. 9 sind.
Wenn beide Ausgangsströme der ersten und zweiten Konstantstromschaltung 21 und 25 einander aquivalent sind, und mit Ia repräsentiert sind, werden Basis-Emitter-Spannungen VBE1 und VBE2 der ersten und zweiten Transistoren 10 und 11 durch die folgenden Gleichungen repräsentiert:
Daher wird an dem Ausgangsanschluß 14 eine Ausgangsspannung V&sub0; erhalten, die durch die folgenden Gleichungen repräsentiert ist:
wobei R3 und R4 die Widerstandswerte des Spannungsteilerwiderstandes 15 bzw. 16 sind.
Wenn nun in der vorstehenden Gleichung (5) sowohl der erste als auch der zweite Eingangsstrom I&sub1; und I&sub2; 0 werden, wird V&sub0; ebenfalls 0. Genauer gesagt ist anzugeben, daß bei Abwesenheit des Eingangsstromes keine Ausgangsspannung erzeugt wird. Wenn zusätzlich bei der Schaltung gemäß Fig. 1 I&sub2; = 0 ist, wären I&sub1; = Ib, und zwar infolge der Anwesenheit von Strom, der durch den Versatz einer Eingangsspannung oder eines Kriechstroms verursacht wird, dann wird die Ausgangsspannung V&sub0; durch die folgende Gleichung repräsentiert, die aus der vorstehenden Gleichung (5) abgeleitet ist.
In diesem Fall kann die Ausgangsspannung auf annähernd 0 bei Abwesenheit eines Eingangssignals gehalten werden, solange der Ausgangsstrom Ia der ersten und zweiten Konstantstromschaltungen 21 und 25 so eingestellt ist, daß Ib < Ia gilt, selbst wenn ein unerwünschter Strom, wie beispielsweise ein Kriechstrom auftritt. Genauer gesagt, wenn keine erste und zweite Konstantstromschaltung 21 und 25 vorhanden sind, wie dies aus der vorstehenden Gleichung (6) hervorgeht, wird der unerwünschte Strom Ib erhöht und es wird eine unerwünschte Ausgangsspannung auf einem höheren Pegel bei Abwesenheit eines Eingangssignals erzeugt.
Obwohl der Wert des Kriechstroms in Abhängigkeit von der Herstelltechnik zur Integration der Schaltungen geändert wird, beträgt er üblicherweise ungefähr mehrere hundert pA. Wenn demgemäß der Wert des Ausgangs-Konstantstroms Ia der ersten und zweiten Konstantstromschaltung 21 und 25 auf ungefähr 100 nA eingestellt ist, ist die vorstehende schlechte Wirkung des Kriechstroms vernachlässigbar.
Für den Fall des logarithmischen Verstärkers gemäß Fig. 1 muß der Wert des Ausgangskonstantstroms Ia der ersten und zweiten Konstantstromschaltung 21 und 25 kleiner sein, um einen ausreichenden dynamischen Bereich aufrechtzuerhalten. Demgemäß ist es notwendig, den Wert des Ausgangskonstantstroms Ia auf einen geeigneten Wert einzustellen, wobei sowohl der dynamische Bereich als auch die Verhinderung des Auftretens einer unerwünschten Ausgangsspannung berücksichtigt werden muß.
Die dritten und vierten Widerstände 17 und 18 zum Verbinden der positiven und negativen Eingangsenden der Vergleichsschaltung 13 und des Feldeffekttransistors 19, der mit seinem Gate an den gemeinsamen Knoten der dritten und vierten Widerstände 17 und 18 angeschlossen ist, sind angeordnet, um den dynamischen Bereich mit Bezug auf den in Phase-Eingang auszudehnen. Genauer gesagt wird der Source-Strom des Feldeffekttransistors 19 verringert und der Kollektorstrom des Konstantstromtransistors 12 erhöht, wenn der in Phase- Eingang groß wird, so daß der dynamische Bereich ausgedehnt werden kann.
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Ausgangsspannung entsprechend einer Differenz zwischen logarithmisch verstärkten Werten von zwei Eingangsströmen erhalten werden. Zusätzlich können die schlechten Wirkungen wie beispielsweise Ausgangsschwankungen infolge von unerwünschtem Strom, wie beispielsweise Kriechstrom und dergleichen, verhindert werden, da die Kompensationsströme von den ersten und zweiten Konstantstromschaltungen den entsprechenden Kollektoren der ersten und zweiten Transistoren zugeführt werden. Insbesondere kann sowohl die Ausdehnung des dynamischen Bereichs als auch die Stabilisierung der Schaltungen und eine Verhinderung der Schwankungen der Ausgangsspannung möglich gemacht werden, wenn der vorstehend genannte Wert des Konstantstroms so auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird, der - verglichen mit dem Kriechstrom und dergleichen - groß genug ist, während er - verglichen mit dem Mindestbetriebsstrom des Signalstroms - klein genug ist. Zusätzlich wird der Betriebsstrom einer Differenzverstärkerschaltung mit ersten und zweiten Transistoren in Übereinstimmung mit einem in Phase-Eingang geändert, so daß der dynamische Bereich weiter ausgedehnt werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung vollständig beschrieben und dargestellt worden ist, ist klar zu ersehen, daß dies nur als Beispiel und nicht als Begrenzung der vorliegenden Erfindung anzusehen ist, die nur durch die Patentansprüche begrenzt ist.

Claims

1. Logarithmischer Verstärker mit:

Mitteln (6, 8) zum Zuführen eines ersten Eingangsstromes, Mitteln (7, 9) zum Zuführen eines zweiten Eingangsstroms, einem ersten Transistor (10) mit einem Kollektor, der mit dem ersten Eingangsstrom gespeist wird, einem Emitter und einer Basis,

einem zweiten Transistor (11) mit einem Kollektor, der mit dem zweiten Eingangsstrom gespeist wird, einem Emitter und einer Basis, wobei der zweite Transistor differentiell an den ersten Transistor angeschlossen ist;

gekennzeichnet durch

vergleichende Schaltungsmittel (13), deren Eingangsenden an den Kollektor des ersten bzw. des zweiten Transistors angeschlossen sind, und mit einem Ausgangsende zum Zuführen eines Signals entsprechend einer Differenz zwischen den ersten und zweiten Eingangsströmen, wobei das Ausgangsende an die Basis des zweiten Transistors angeschlossen ist, und ersten und zweiten Konstantstromschaltungsmitteln (21, 25), zum Zuführen von einander äquivalenten Kompensationsströmen an den Kollektor des ersten bzw. zweiten Transistors, wodurch am Ausgangsende (14) der vergleichenden Schaltungsmittel (13) die Ausgangsspannung entsprechend einer Differenz zwischen einem logarithmisch verstärkten Wert des ersten Eingangsstroms und einem logarithmisch verstärkten Wert des zweiten Eingangsstroms erhalten werden kann.

2. Logarithmischer Verstärker nach Anspruch 1,

wobei die ersten Konstantstromschaltungsmittel (21) aufweisen

ein Netzteil (+Vcc)

einen dritten Transistor (22) mit einem Emitter, der an die Spannungsquelle angeschlossen ist, einem Kollektor und einer Basis, wobei der Kollektor und die Basis miteinander verbunden sind,

eine Konstantstromquelle (23) zum Versorgen des dritten Transistors mit Konstantstrom,

einen vierten Transistor (24), der an den dritten Transistor angeschlossen ist, um eine Stromspiegelrelation zu bilden, und

die zweiten Konstantstromschaltungsmittel (25) aufweisen das Netzteil (+Vcc),

den dritten Transistor (22),

die Konstantstromquelle (23),

einen ersten Transistor (26), der an den dritten Transistor angeschlossen ist, um eine Stromspiegelrelation zu bilden.

3. Logarithmischer Verstärker nach Anspruch 1, wobei die Werte der Kompensationsströme, die von den ersten bzw. zweiten Konstantstromschaltungsmitteln (21 bzw. 25) zugeführt werden, auf Werte eingestellt sind, die größer als der Kriechstrom und kleiner als der Mindestbetriebsstrom der ersten und zweiten Eingangsströme sind.

4. Logarithmischer Verstärker nach Anspruch 1, weiterhin mit:

ersten und zweiten Widerständen (8, 9) mit einander äquivalenten Widerstandswerten (R&sub1;, R&sub2;), wobei der erste und der zweite Widerstand (8, 9) an einen gemeinsamen Knoten angeschlossen sind, indem der erste und zweite Transistor (10, 11) entsprechend dem Strom, welcher durch den gemeinsamen Knoten fließt, geändert werden.