DE69206208T2

DE69206208T2 - Verstärkerschaltung mit exponentieller verstärkungssteuerung.

Info

Publication number: DE69206208T2
Application number: DE69206208T
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois Debroux
Original assignee: Thomson SCF Semiconducteurs Specifiques
Current assignee: Teledyne e2v Semiconductors SAS
Priority date: 1991-02-08
Filing date: 1992-01-31
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2012-02-01
Also published as: FR2672750B1; US5278518A; WO1992014302A1; FR2672750A1; EP0524294B1; JP3216134B2; JPH05506140A; EP0524294A1; DE69206208D1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Signalverstärkerschaltung und insbesondere eine Verstärkerschaltung, deren Verstärkung durch eine elektrische Größe (Strom oder Spannung) beliebig gesteuert werden kann.
Eines der Ziele der Erfindung ist, einen Verstärker zu verwirklichen, dessen Verstärkungssteuerung exponentiell ist, d. h., daß die Verstärkung G dann, wenn die elektrische Steuergröße ein Signal Vc (Spannung) oder Ic (Strom) ist, die Form G = A exp(Vc) oder A exp(Ic) besitzt, wobei A eine Konstante ist.
Ein Bedarf an einem solchen Verstärker besteht dann, wenn die Verstärkung mit einer sehr großen Dynamik verändert werden soll (z. B. eine Veränderung zwischen 1 und 10&sup6;).
Die normale Lösung für die Verwirklichung eines solchen Verstärkers besteht darin, ein Element mit exponentieller Veränderung an der Eingangsseite der Verstärkungssteuerung eines Verstärkers mit linearer Verstärkungssteuerung einzufügen.
Dies kann jedoch nicht einfach bewerkstelligt werden, außerdem ist nicht sicher, daß der Verstärker mit linearer Verstärkungssteuerung eine wirklich lineare Verstärkung innerhalb der gesamten Dynamik der Spannungen, die seiner Steuerung dienen, besitzt. Diese Dynamik ist nach Annahme wegen der exponentiellen Natur der Steuerung wichtig.
Andererseits wird hinsichtlich des Veränderungsgesetztes zwischen der Verstärkungssteuerung und der Erhaltung der Verstärkung Gewißheit benötigt.
Bei bestimmten Anwendungen reicht nämlich die Kenntnis, daß sich die Verstärkung mit Hilfe eines Steuersignals mit geringer Dynamik in einem großen Dynamikbereich verändern kann, nicht aus: es kann außerdem erforderlich sein, die erhaltene Verstärkung genau zu kennen.
Die Erfindung schlägt eine Lösung vor, die diese Probleme bei exponentieller Verstärkungssteuerung löst und außerdem die Probleme der Abhängigkeit der Verstärkung von der Temperatur löst, falls dies gewünscht ist.
Gemäß der Erfindung wird auf neuartige Weise ein Teil einer Struktur verwendet, die aus dem Patent FR 2 645 370 oder aus dem Patent EP-A-0 391 786 bekannt ist, indem festgestellt wird, daß diese Struktur ermöglicht, eine exponentielle Verstärkungssteuerung ausgehend von einer an einer geeigneten Stelle in der Schaltung eingefügten logarithmischen Funktion zu verwirklichen.
Nun ist die logarithmische Funktion eine Funktion, die in den integrierten Schaltungen mit Hilfe von Bipolarübergängen bei geringen Kosten verwirklicht werden kann; das logarithmische Strom/Spannungs-Veränderungsgesetz ist wohlbekannt, darüber hinaus ist auch das Gesetz der Abhängigkeit von der Temperatur wohlbekannt.
Die Erfindung schlägt daher eine Verstärkerschaltung mit durch ein elektrisches Verstärkungseinstellsignal (Strom oder Spannung) gesteuerter Verstärkung vor, die versehen ist mit zwei identischen Verstärkern mit gesteuerter Verstärkung, die beide das gleiche Verstärkungssignal empfangen, wobei der erste Verstärker ein zu verstärkendes Signal empfängt und ein verstärktes Ausgangssignal abgibt und der zweite Verstärker ein zu verstärkendes festes Referenzsignal empfängt und an seinem Ausgang ein diesem Referenzsignal und der Verstärkung der Verstärker proportionales Signal liefert, wobei die Schaltung ferner einen Eingang für ein Verstärkungseinstellsignal und eine Regelschleife enthält, die das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers empfängt und das Verstärkungssteuersignal abhängig vom Einstellsignal festlegt, wobei diese Regelschleife wenigstens einen hochverstärkenden Differenzverstärker enthält, bei dem die Regelschleife versucht, die Eingangssignaldifferenz auf Null zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß in die Regelschleife zwischen dem Ausgang des zweiten Verstärkers und dem Eingang des hochverstärkenden Differenzverstärkers ein Schaltungselement mit logarithmischer Übertragungsfunktion eingefügt ist.
Dieses Element mit logarithmischer Übertragungsfunktion erzeugt im wesentlichen eine Spannung oder einen Strom, die bzw. der entweder zum Logarithmus des an seinen Eingang angelegten Signals (dieses Signal ist eine feste Referenzspannung Vref oder ein fester Referenzstrom Iref, multipliziert mit der Verstärkung G des Verstärkers) proportional ist oder allgemeiner eine lineare Funktion des Logarithmus dieses Signals ist.
In einem einfachen Beispiel erzeugt das Element mit logarithmischer Übertragungsfunktion ein zum Logarithmus des Ausgangssignals G Vref oder G Iref des zweiten Verstärkers proportionales Signal; dieses Ausgangssignal (der Form p Log(G Vref) oder p Log(G) + Konstante) wird an einen Eingang des hochverstärkenden Differenzverstärkers angelegt, während das Einstellsignal Vc an einen anderen Eingang dieses Differenzverstärkers angelegt wird.
In einem anderen Beispiel wird die Differenz zwischen dem Einstellsignal Vc und dem Logarithmus des Ausgangssignals des zweiten Verstärkers im Element mit logarithmischer Übertragungsfunktion selbst ausgeführt. Diese Übertragungsfunktion ist dann eine lineare Funktion des Logarithmus des Ausgangssignals des zweiten Verstärkers. Genauer kann diese lineare Funktion eine Linearkombination dieses Logarithmus und des Einstellsignals sein; sie kann allgemein die Form Vc - P Log(G) + Konstante besitzen, wobei p eine Konstante ist. Diese Funktion wird vorzugsweise in differentieller Form zwischen die Eingänge des hochverstärkenden Differenzverstärkers angelegt.
In beiden Fällen hält die Regelung die differentielle Eingangsspannung des hochverstärkenden Verstärkers stets im wesentlichen auf Null, wobei zwischen dem Einstellsignal Vc und einem Ausdruck der Form p Log(G) oder p Log(G) + Konstante eine Gleichheit hergestellt wird. Daraus folgt, daß die Verstärkung eine exponentielle Funktion des Einstellsignals ist.
Das logarithmische Gesetzt wird vorzugsweise durch einen PN-Übergang erhalten, dessen Spannung an den Anschlüssen zum Logarithmus des durch ihn fließenden Stroms proportional ist.
Vorzugsweise liefert der zweite Verstärker einen Strom der Form I2 = G Iref oder I2 = G Vref, je nachdem, ob das Referenzsignal eine Spannung oder ein Strom ist, wobei dieser Strom I2 durch den PN-Übergang geschickt wird. Die Spannung an den Anschlüssen des Übergangs ist eine logarithmische Funktion des durchgeschickten Stroms.
Die Genauigkeit der erhaltenen exponentiellen Funktion steht mit der Qualität (sehr gut und gut wiederholbar) der logarithmischen Übertragungsfunktion sowie mit der Genauigkeit der Anpassung der Verstärker (sehr gut, falls die Verstärker auf gleiche Weise auf demselben Substrat der integrierten Schaltung konstruiert sind) in Beziehung.
In der Praxis ist die von den PN-Übergängen erzeugte logarithmische Funktion außerdem zur absoluten Temperatur T proportional. Die Temperatur geht daher in die Funktion ein, die die gewünschte Verstärkung G mit dem Einstellsignal Vc in Beziehung setzt.
Wenn indessen dafür gesorgt wird, daß das an den Eingang des Differenzverstärkers angelegte Einstellsignal seinerseits zur absoluten Temperatur proportional ist, wird eine von der Temperatur unabhängige exponentielle Verstärkungssteuerung erhalten, wobei der Paramenter T nur noch im zweiten Grad in die Verstärkungssteuerung eingeht.
Die erwähnten elektrischen Signale können unabhängig davon, ob es sich um das Referenzsignal, das Einstellsignal, die Signale am Eingang des Differenzverstärkers oder um andere handelt, beliebig Spannungen oder Ströme sein, wobei nicht notwendig alle durch Spannungen oder alle durch Ströme gegeben sein müssen; dies ist das praktische Detail der Ausführungsschemata, das bestimmend ist, wenn Spannungen oder Ströme bevorzugt werden müssen, wobei davon ausgegangen wird, daß in den Techniken der integrierten Schaltungen leicht von einer zur anderen Größe übergegangen werden kann.
In der bevorzugten praktischen Ausführung der Erfindung enthält die logarithmische Übertragungsfunktion einfach zwei Transistoren, wovon einer mit dem Strom I2 = G Iref und der andere mit einem zu Iref proportionalen, festen Referenzstrom gespeist wird; das Einstellsignal ist eine differentielle Spannung, die zwischen die Basen der zwei Transistoren angelegt wird, während der Ausgang der logarithmischen Übertragungsfunktion die Differenzspannung zwischen den Emittern ist.
Die Übertragungsfunktion besitzt dann die Form:
Vc - (kT/q) Log G , oder Vc - (kT/q) Log G + Konstante ,
wobei k und q klassische physikalische Konstanten sind, die die logarithmische Spannungs/Strom-Gleichung der Basis-Emitter- Übergänge der Transistoren bestimmen.
k: Bolzmannkonstante = 1,38 10&supmin;²³ SI-Einheiten
q: Elektronenladung = 1,6 10&supmin;¹&sup9; SI-Einheiten
Im allgemeinen besitzen die identischen Verstärker nicht notwendig eine Verstärkung, die größer als 1 ist; in der Praxis handelt es sich übrigens meist um Dämpfer mit variabler Verstärkung zwischen O und 1. Der für die Verstärker verwendete Ausdruck "Verstärker" ist daher im Sinne der Gattung zu verstehen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden genauen Beschreibung, die mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in denen:
- Fig. 1 ein Blockschaltbild der Verstärkerschaltung gemäß der Erfindung zeigt;
- Fig. 2 das Grundprinzip einer logarithmischen Übertragungsfunktion in Form einer integrierten Schaltung zeigt;
- Fig. 3 eine mögliche Erweiterung der Erfindung zeigt;
- Fig. 4 die Anwendung auf eine vollständig differentielle Struktur zeigt;
- Fig. 5 ein Blockschaltbild der Verstärkerschaltung der Erfindung in einer bevorzugten Ausführung zeigt;
- Fig. 6 den Aufbau des ersten Verstärkers in einer praktischen Ausführung zeigt, wobei der erste und der zweite Verstärker hier Stromverstärker sind;
- Fig. 7 den zweiten Verstärker zeigt, der mit dem ersten völlig übereinstimmt, jedoch ein anderes Eingangssignal empfängt;
- Fig. 8 die bevorzugte genaue Ausführung des Elements mit logarithmischer Übertragungsfunktion zeigt;
- Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel einer zur Temperatur proportionalen Spannungssteuerung zeigt;
- Fig. 10 ein genaues Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt;
- Fig. 11 einen möglichen Aufbau der Ausgangsstufe des Verstärkers gemäß der Erfindung zeigt.
In Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild der Erfindung gezeigt.
Die Verstärkerschaltung enthält einen Eingang E1 für ein Eingangssignal Vin und einen Ausgang S1 für ein Ausgangssignal Vout.
Der erste Verstärker A1 ist zwischen den Eingang E1 und den Ausgang S1 geschaltet. Dies ist der Nutzverstärker der Schaltung. Die anderen Elemente der Schaltung sind für die Steuerung der Verstärkung bestimmt.
Der Verstärker A1 enthält einen Verstärkungssteuereingang (Eg1), wobei seine Verstärkung G eine Funktion (nicht zwangsläufig wohlbekannt und nicht zwangsläufig eine einfache Funktion, jedoch mehr oder weniger eine monotone Funktion) des an den Eingang Eg1 angelegten Verstärkungssteuersignals Vg ist. Das Ausgangssignal Vout ist das Produkt von Vin mit der Verstärkung G. Unter "Signal" wird eine elektrische Größe verstanden, die beliebig eine Spannung oder ein Strom sein kann; das Ausgangssignal könnte beispielsweise ein Strom sein, während das Eingangssignal eine Spannung ist, wobei in diesem Fall die Verstärkung G ein Vorwärtsleitwert ist. In der Folge der auf Fig. 1 bezogenen Erläuterungen wird davon ausgegangen, daß Vin und Vout und die anderen Pegel der erwähnten Signale Spannungen sind.
Ein zweiter Verstärker A2, der mit dem ersten soweit wie möglich übereinstimmt, besitzt einen Eingang E2, der ein kontinuierliches, festes Referenzsignal empfängt, das hier durch eine Referenzspannung Vref repräsentiert ist.
Der Ausgang S2 des zweiten Verstärkers wird an den Eingang eines Schaltungselements FTL mit logarithmischer Übertragungsfunktion angelegt. Das an dieses Element angelegte elektrische Signal ist G Vref. Die Übertragungsfunktion des Elements FTL besitzt die Form p Log(G Vref); das Signal am Ausgang des Elements FTL ist daher bis auf einen Multiplikationskoeffizienten p gleich dem Logarithmus des Eingangssignals.
Der Ausgang des Elements mit logarithmischer Übertragungsfunktion wird an einem ersten Eingang eines hochverstärkenden Differenzverstärkers AD angelegt, der an einem zweiten Eingang ein Verstärkungs-Einstellsignal Vc empfängt und der an seinem Ausgang die Spannung Vg abgibt, die an die Verstärkungssteuereingänge der Verstärker A1 und A2 angelegt wird.
Die Verstärkungs-Regelungsschleife, die den Ausgang des Verstärkers A2, das Element FTL, den Differenzverstärker AD und den Verstärkungs-Steuereingang des Verstärkers A2 umfaßt, versucht ständig, die Differenzspannung am Eingang von AD auf Null zurückzustellen, sofern die Verstärkung von AD ausreichend hoch ist. Daraus ergibt sich eine bestimmte Verstärkung G des Verstärker A2. Die Verstärkung des Verstärkers A1 ist eine einfache Kopie der Verstärkung G, weil die Verstärker miteinander übereinstimmen und die gleiche Verstärkungs-Steuerspannung Vg empfangen.
In dem gezeigten Beispiel wird die Einstellspannung Vc von einem zusätzlichen Verstärker AC ausgegeben, der an seinem Eingang ein Signal V empfängt. Der Verstärker AC besitzt eine Verstärkung B, derart, daß das Einstellsignal Vc, das an den Eingang des Differenzverstärkers AD angelegt wird, gleich B V ist. Auch hier kann die Übertragungsfunktion dieses Hilfsverstärkers vom Typ Spannungsverstärker, Stromverstärker, Vorwärtsleitwert, Widerstand usw. sein. Die Verstärkung B kann vorteilhaft zur absoluten Temperatur T proportional sein, wie weiter unten deutlich wird.
Die Regelschleife erzeugt zwischen dem Signal B V und dem Signal p Log(G Vref) ein Gleichgewicht.
Darauf folgt, daß die Verstärkung G des Verstärkers A2 einen Wert annimmt wie etwa:
B V = p Log(G Vref),
also
wobei B und p Konstanten sind, die mit den Übertragungsfunktionen des Elements FTL und des zusätzlichen Verstärkers AC in Beziehung stehen. Andererseits ist Vref eine feste Spannung.
Es wird somit eine Verstärkungsveränderung des exponentiellen Typs erhalten, die von einer Steuerspannung V abhängt.
Die Verstärkung des Nutzverstärkers A1 ist ebenfalls gleich G und folgt daher dem gewünschten Steuergesetz.
In jedem Zeitpunkt ist der Wert der Verstärkung G durch die einfache Kenntnis des Wertes des Steuersignals V bekannt, weil das exponentielle Gesetz, das V mit G verbindet, sehr gut bekannt sein kann, falls Vref, p und B bekannt sind.
Das Element FTL mit logarithmischer Übertragungsfunktion kann im wesentlichen einen PN-Übergang enthalten; das Eingangssignal ist der durch den Übergang geschickte Strom, (wobei der Verstärker A2 dann z. B. einen Stromausgang besitzt, der einen Strom I2 = G Vref abgibt), während das Ausgangssignal die Spannung Vd an den Anschlüssen des Übergangs ist.
Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Prinzipschaltbild dieser Möglichkeit.
Die Übertragungsfunktion lautet dann Vd = kT/qLog(I2/I0), wobei k, q physikalische Konstanten sind, I0 eine zu einem Strom (Sättigungsstrom des Übergangs) analoge Konstante ist, die mit der Geometrie und mit den Dotierungen des Übergangs in Beziehung steht, und T die absolute Temperatur ist.
Wenn angenommen wird, daß Vref ebenso wie das Verstärkungs-Regelungssignal V von der Temperatur unabhängig ist, ist ersichtlich, daß die Verstärkung G von der Temperatur unabhängig gemacht werden kann, vorausgesetzt, daß ein Verstärker AC mit einer Verstärkung B vorgesehen ist, die zur absoluten Temperatur proportional ist (B = B0 T), wobei bekannt ist, wie dies zu bewerkstelligen ist.
Es wird angemerkt, daß, falls die Dynamik der Verstärkung der Verstärkerschaltung gemäß der Erfindung ohne Änderung des Steuersignals zu erhöhen gewünscht ist, mehrere identische Verstärker A1, A'1, A"1 in Kaskade geschaltet werden können, die sämtlich durch das gleiche Verstärkungssteuersignal Vg gesteuert werden, das von AD ausgegeben wird.
Fig. 3 zeigt ein entsprechendes Schaltbild.
Selbstverständlich können die betrachteten Spannungen und Ströme differentielle Ströme und Spannungen sein, wobei die Verstärker A1, A2 und das Element FTL Schaltungen mit differentiellen Eingängen und Ausgängen sind und wobei der Verstärker AD außerdem einen differentiellen Ausgang besitzt. In diesem Fall geht der Term I0, der von der Technologie abhängt, nicht mehr ein.
Fig. 4 zeigt ein entsprechendes Schaltbild.
Es wird angemerkt, daß im allgemeinen die Erfindung ermöglicht, die an den Eingängen des Differenzverstärkers vorhandenen Spannungen auf einen geringen Wert zu begrenzen; diese Spannungen sind einerseits die Einstellspannungen und andererseits die Ausgangsspannung eines logarithmischen Elements. Dies wäre nicht der Fall, wenn ein Element mit exponentieller Funktion zwischen die Spannung V und den Differenzverstärker in Serie geschaltet würde. Folglich ist es wichtig, daß der Differenzverstärker Spannungen in einer begrenzten Dynamik empfängt, falls gewünscht ist, daß er seine Aufgabe in der Regelung korrekt erfüllt.
Nun wird mit Bezug auf die folgenden Figuren eine genaue Ausführung der Erfindung beschrieben, die auf eine Technologie mit bipolaren integrierten Schaltungen angewendet wird.
Zunächst zeigt Fig. 5 ein Blockschaltbild der genauen Ausführung, die im folgenden beschrieben wird. Dieses Blockschaltbild unterscheidet sich formal von demjenigen von Fig. 1, es erfüllt jedoch genau die gleiche globale Funktion.
In diesem Schaltbild erzeugt das Element mit logarithmischer Funktion FTL direkt die Differenz zwischen dem Einstellsignal Vc und dem Logarithmus des Ausgangssignals des zweiten Verstärkers.
Das Element FTL empfängt daher gleichzeitig das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers und das Einstellsignal Vc und erzeugt eine Ausgangsfunktion der Form: Vc - p LogG + Konstante. Diese Funktion wird in Form einer Differenzspannung geliefert, die dann an den Eingang des hochverstärkenden Differenzverstärkers AD angelegt wird. Daraus ist leicht verständlich, daß die Hauptdifferenz gegenüber Fig. 1 rein formal ist, weil sie darin besteht, im Element FTL statt im Differenzverstärker AD, der ihm unmittelbar folgt, eine Subtraktion auszuführen. Da jedoch die Wirklichkeit der Schaltbilder der folgenden Figuren besser der Darstellung der Fig. 5 entspricht, wird bevorzugt, von dieser letzteren auszugehen. Das übrige Schaltbild ist das gleiche wie in Fig. 1.
In diesem Beispiel muß außerdem darauf hingewiesen werden, daß als Verstärker A1 und A2 Stromverstärker mit Verstärkung G verwendet werden:
- der Verstärker A1 empfängt einen Eingangsstrom Ie und liefert einen Ausgangsstrom Is = G Ie,
- der Verstärker A2 empfängt einen Referenzeingangsstrom Iref und liefert einen Ausgangsstrom G Iref.
Es ist nicht wichtig zu wissen, ob die Verstärkungssteuerung (Vg) eine Spannung oder ein Strom ist; es ist ausreichend zu wissen, daß der Ausgang des Differenzverstärkers AD mit einem Verstärkungssteuereingang der Verstärker A1 und A2 verbunden ist und daß sich die Verstärkung monoton in Abhängigkeit von Veränderungen des Stroms oder der Spannung am Ausgang des Verstärkers AD verändert.
Wie in Fig. 1 ist klar, daß dann, wenn die Regelung arbeitet, d. h. wenn die Verstärkung G einen Wert erreicht, so daß die Eingangs-Differenzspannung des Verstärkers AD praktisch null ist, eine exponentielle Beziehung zwischen der Einstellspannung Vc und der Verstärkung G über die folgende Formel vorliegt:
Vc - p Log(G) + Konstante = 0.
Fig. 6 zeigt die Struktur einer Zelle mit veränderlicher Verstärkung, die den Kern der identischen Verstärker A1 und A2 darstellt.
Diese Zellen sind Strom/Strom-Verstärker mit Verstärkung G. Der Verstärker A1 kann eingangsseitig und ausgangsseitig von Elementen umgeben sein, um gewünschte Strom/Spannungs- oder Spannungs/Strom-Umsetzungen oder gewünschte Vorverstärkungen oder Nachverstärkungen mit bekannten, festen Umsetzungs- bzw. Verstärkungskoeffizienten zu berücksichtigen, jedoch sind es die Zellen mit Verstärkung G, die mit Bezug auf Fig. 1 Verstärker mit identischer Konstruktion genannt werden.
Diesbezüglich muß präzisiert werden, daß unter Verstärkern mit identischer Konstruktion Verstärker verstanden werden, die global unter der Steuerung desselben Verstärkungs-Modifikationssignals die gleiche Verstärkungsveränderung erfahren. Darunter ist also zu verstehen, daß zwischen den Verstärkern A1 und A2 aus praktischen Gründen einige Konstruktionsunterschiede vorhanden sein können, wenn dasselbe Ziel erreicht wird, d. h. wenn sich die Verstärkungen der Verstärker A1 und A2 auf gleiche Weise verändern.
Die Zelle von Fig. 6 zeigt genauer die Verstärkungszelle A1, d. h. diejenige, die ein Verstärkungssteuersignal Vg und einen zu verstärkenden Eingangsstrom Ie empfängt, um einen Ausgangsstrom Is = G Ie zu liefern.
Die Zelle enthält zwei Transistoren Q1 und Q3, deren Emitter mit einem Eingang E1 der Zelle verbunden sind. Dieser Eingang empfängt den Strom Ie (der hier durch einen die Zelle verlassenden Strom repräsentiert ist). Der Strom Ie ist die Summe der Emitterströme der Transistoren Q1 und Q3. Der Kollektor von Q1, der mit dem Ausgang S1 der Zelle verbunden ist, liefert den Strom Is des Ausgangs der Zelle (der durch einen in die Zelle eintretenden Strom repräsentiert ist). Die Basis von Q1 ist durch eine feste Spannung Vpol1 vorgespannt. Der Kollektor von Q3 wird durch eine Speisespannung Vcc gespeist.
Das Verhältnis zwischen dem Strom Is und dem Strom Ie wird durch die an die Basis des Transistors Q3 angelegte Spannung Vg moduliert: je nach Wert von Vg trägt der Transistor Q3 zum Strom Ie mehr oder weniger bei, so daß folglich der Strom Is mehr oder weniger verkleinert oder vergrößert wird. Die Stromverstärkung G der Zelle, die das Verhältnis zwischen Is und Ie ist, hängt daher direkt von Vg ab. Es wird bemerkt, daß sie kleiner als 1 ist.
In Fig. 7 ist die Basiszelle des Verstärkers A2 gezeigt, die mit der Zelle A1 der Figur 6 völlig übereinstimmt, jedoch als Eingangsstrom statt des Stroms Ie einen Referenzstrom Iref empfängt. Der Eingang der Zelle ist mit E2 bezeichnet und mit einer Stromquelle SCref verbunden. Der Ausgang ist mit S2 bezeichnet und liefert einen Strom I2 = G Iref.
Die Zelle A2 enthält zwei Transistoren T2 und T3, die Aufgaben erfüllen, die mit denen der Transistoren Q1 bzw. Q3 identisch sind, und die folglich wie diese letzteren angeschaltet sind.
Die Basis von T3 empfängt die gleiche Steuerspannung Vg wie die Basis von Q3. Die Basis von T2 empfängt die gleiche Vorspannung Vpol1 wie die Basis von Q1.
Fig. 8 zeigt die bevorzugte Ausführung für das Element mit logarithmischer Übertragungsfunktion FTL.
Gemäß dem Blockschaltbild von Fig. 5 empfängt dieses Element FTL einerseits den Strom I2 = G Iref, der vom Verstärker A2 ausgegeben wird, und andererseits die Einstellspannung Vc, die hier eine differentielle Spannung ist.
Das Element FTL enthält zwei Transistoren T10 und T11, wovon die Kollektoren mit einer Speisespannung (Vcc) verbunden sind.
Der Emitter von T10 ist mit dem Ausgang S2 der Verstärkungszelle A2 in der Weise verbunden, daß der Emitterstrom von T10 zwangsläufig der obenerwähnte Strom I2 = G Iref ist.
Außerdem ist der Emitter von T11 mit einer festen Referenzstromquelle SCref1 verbunden, die zu Iref proportional ist, mit einem Proportionalitätskoeffizienten, der mit C bezeichnet ist. Der Transistor T11 wird daher von einem Emitterstrom I3 = C Iref durchlaufen.
Es wird daran erinnert, daß in der Technologie der integrierten Schaltungen sehr gut bekannt ist, zueinander proportionale Referenzströme mit wohlbekannten Proportionalitätskoeffizienten zu erzeugen.
Die Stromquelle SCref1 wird ganz einfach ausgehend von der Quelle SCref, die den Eingangsstrom der Zelle A2 liefert, durch einen Stromspiegel erzeugt.
Zusammengefaßt enthält das Element FTL die Transistoren T10 und T11 und für die Speisung von T11 eine Stromquelle mit einem zum Eingangsstrom der Zelle A2 proportionalen Wert.
Die Einstellspannung Vc wird als Differenz direkt zwischen die Basen von T10 und T11 angelegt.
Der Ausgang des Elements FTL ist die Differenzspannung Vdif, die zwischen den Emittern T10 und T11 vorhanden ist; diese Spannung Vdif wird zwischen die Eingänge des hochverstärkenden Differenzverstärkers AD angelegt.
Die Spannung Vdif ist gleich:
Vdif = Vc - (Vbe10 - Vbe11),
wobei Vbe11 und Vbe10 die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren T11 bzw. T10 sind. Diese Spannung zieht folglich die Regelung auf Null.
Nun kann wegen der Ströme I2 und I3, die die Transistoren durchlaufen, die Differenz Vbe10 - Vbe11 in der Form p Log(I2/I3) geschrieben werden, d. h. in der Form p Log(G Iref/C Iref) oder aber p . Log(G/C), was auch als p Log(G) + Konstante geschrieben werden kann.
Darauf folgt, daß das Element FTL von Fig. 8 gut die im Zusammenhang mit Fig. 5 erwähnte logarithmische Übertragungsfunktion erfüllt: die Steuerspannung Vc wirkt über den Verstärker AD in der Weise, daß der Strom I2 so lange modifiziert wird, bis die Gleichung Vc = pLog(G) + Konstante erfüllt ist.
Es wird angemerkt, daß p ein Koeffizient des Typs kT/q ist und daher zur absoluten Temperatur proportional ist.
Bei dieser praktischen Ausführung ist ersichtlich, daß die Verstärkung G der Verstärker A1 und A2 den Wert
G = C exp(Vc/p)
annimmt.
Die Temperatur geht in die Exponentialfunktion ein, weil p zu T proportional ist.
Wenn die Verstärkung von der Temperatur unabhängig gemacht werden soll, ist es ausreichend, vor dem Eingang des Verstärkungseinstellsignals Vc einen Verstärker AC mit zur Temperatur (B = B0 T) proportionaler Verstärkung B vorzusehen, um ausgehend von einer Steuerspannung V eine Schwellenspannung Vc auszugeben.
In diesem Fall gilt Vc = B V = B0 T V.
Die Verstärkung G wird
die eine exponentielle Funktion der Steuerspannung V und unabhängig von der Temperatur (wenigstens im ersten Grad) ist.
Es ist bekannt, Verstärker AC zu schaffen, deren Spannungsverstärkung zur absoluten Temperatur proportional ist und die differentielles Ausgangssignal liefern.
Fig. 9 ist ein vereinfachtes Beispiel eines solchen Verstärkers AC.
Der Verstärker AC enthält zwei Stufen. Die erste enthält ein Paar von differentiellen Zweigen mit zwei Eingangstransistoren T4 und T5, zwei Emitterwiderständen R4 und R5 sowie zwei als Diode geschaltete Ladungstransistoren T6 und T7. Das differentielle Paar wird mit einem konstanten Strom gespeist, der von einer Quelle SC0 erzeugt wird, die mit den Emittern der Eingangstransistoren verbunden ist. Der Eingang des Verstärkers ist eine Steuerspannung V, die zwischen die Basen der Transistoren T4 und T5 angelegt wird. Der Ausgang der ersten Stufe ist eine differentielle Spannung an den Emittern der Ladungstransistoren T6 und T7. Die Basen und die Kollektoren dieser Letzteren sind mit einer festen Speisespannung (z. B. Vcc) verbunden.
Die zweite Stufe enthält ein weiteres differentielles Paar mit jeweils einem Transistor und einem Kollektorwiderstand in jedem Zweig (T8 R8; T9, R9). Die Emitter sind miteinander verbunden und werden durch eine Konstantstromquelle SC1 gespeist. Die Widerstände sind zwischen den Kollektor und ein festes Speisepotential (z. B. Vcc) geschaltet.
Der Ausgang des Verstärkers AC ist eine differentielle Spannung zwischen den Kollektoren der Transistoren T8 und T9. Die Spannung Vc, die hier auftritt, ist zur Regelungsspannung V proportional.
Die Stromquellen SC0 und SC1 sind nicht von der gleichen Art. Die Quelle SC0 ist eine temperaturkompensierte Stromquelle. Die Quelle SC1 ist zur absoluten Temperatur proportional.
Die Potentialdifferenz V erzeugt in T4 und in T5 ein Strom-Ungleichgewicht und daher eine Potentialdifferenz zwischen den Emittern von T6 und T7; diese Differenz, die an die Basen von T8 und T9 übertragen wird, erzeugt in T8 und T9 erneut ein Strom-Ungleichgewicht, wobei dieses Ungleichgewicht über die Widerstände R8 und R9 eine Ausgangspotentialdifferenz Vc erzeugt.
Aufgrund der Tatsache, daß die Stromquelle SC0 temperaturkompensiert ist, jedoch SC1 zur Temperatur proportional ist, erweist sich die Ausgangsspannung Vc in guter Näherung als zur absoluten Temperatur und zur Spannung V proportional.
In Fig. 10 ist ein detailliertes Gesamtschaltbild der beschriebenen Ausführung gezeigt. Dieses Schaltbild nimmt die Elemente der Fig. 6 bis 9 wieder auf und vervollständigt sie eventuell; die Bezugszeichen sind die gleichen wie in den Fig. 6 bis 9; zusätzlich zur Spannung Vpol1 sind Vorspannungen Vpol2 und Vpol3 dargestellt worden; sie dienen dazu, die Basen der Transistoren zu versorgen, die die Stromquellen, insbesondere die Quellen SCref, SCref1, SC0 und SC1 bilden.
In Fig. 10 ist angenommen worden, daß der Eingang der Verstärkerschaltung ein Stromeingang (Ie) ist und daß der Ausgang ein Spannungsausgang Vs ist. Hierzu ist gegenüber dem Schaltbild der Zelle A1 von Fig. 6 in Fig. 10 zwischen Vcc und dem Kollektor von Q3 ein Widerstand Rs hinzugefügt, außerdem wird der Spannungsausgang an der Verbindungsstelle zwischen Q3 und Rs abgegriffen.
Darüber hinaus könnte, falls gewünscht ist, daß der Eingang der Verstärkerschaltung von Fig. 10 ein Spannungseingang ist, vor dem Eingang E1 der Zelle A1 eine Spannungs/Strom-Umsetzerstufe hinzugefügt werden.
Wenn schließlich z. B. eine Verstärkerschaltung gewünscht ist, die einen differentiellen Spannungseingang und einen differentiellen Spannungsausgang besitzt, können zwei Zellen wie etwa A1 vorgesehen werden, die parallel arbeiten und beide durch den Verstärker AD gesteuert werden, der die Eingangsströme der zwei differentiellen Zweige einer Stufe mit differentiellem Spannungseingang empfängt, wobei die Zellen Ausgangsströme über zwei Widerstände wie etwa Rs liefern. Der Ausgang zwischen den zwei Widerständen ist differentiell.
Fig. 11 zeigt diesen Aufbau der Verstärkerschaltung mit zwei symmetrischen Zellen A1 und A'1. Die Verstärker AC, A2 und das Element FTL sind nicht wieder aufgenommen; sie können mit denjenigen von Fig. 10 identisch sein.

Claims

1. Verstärkerschaltung mit durch ein elektrisches Verstärkungseinstellsignal gesteuerter Verstärkung, mit zwei identischen Verstärkern (A1, A2) mit gesteuerter Verstärkung, die beide das gleiche Verstärkungssteuersignal (Vg) empfangen, wobei der erste Verstärker (A1) ein zu verstärkendes Signal empfängt und ein verstärktes Ausgangssignal abgibt, und der zweite Verstärker (A2) ein zu verstärkendes festes Referenzsignal empfängt und an seinem Ausgang ein diesem Referenzsignal und der Verstärkung (G) der Verstärker proportionales Signal liefert, wobei die Schaltung ferner einen Eingang für ein Verstärkungseinstellsignal (Vc) und eine Regelschleife enthält, die das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers (A2) empfängt und das Verstärkungssteuersignal abhängig vom Einstellsignal festlegt, wobei diese Regelschleife wenigstens einen hochverstärkenden Differenzverstärker (AD) enthält, bei dem die Regelschleife versucht, die Eingangssignaldifferenz auf Null zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß in die Regelschleife zwischen dem Ausgang des zweiten Verstärkers (A2) und dem Eingang des hochverstärkenden Differenzverstärkers (AD) ein Schaltungselement (FTL) mit logarithmischer Übertragungsfunktion eingefügt ist.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (FTL) mit logarithmischer Übertragungsfunktion ein Signal erzeugt, das zum Logarithmus des an seinen Eingang angelegten Signals proportional ist.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Elements mit logarithmischer Übertragungsfunktion an einen Eingang des hochverstärkenden Differenzverstärkers (AD) angelegt ist, und daß das Einstellsignal (Vc) an den anderen Eingang dieses Differenzverstärkers angelegt ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die logarithmische Übertragungsfunktion eine lineare Kombination des Logarithmus des Ausgangssignals des zweiten Verstärkers und des Einstellsignals ist, wobei diese Kombination die Form Vc - p Log(G) + Konstante hat, wobei p eine Konstante ist, Vc das Verstärkungseinstellsignal ist und G die Verstärkung der zwei Verstärker ist.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Elements (FTL) mit logarithmischer Übertragungsfunktion in Differenzform zwischen die Eingänge des hochverstärkenden Differenzverstärkers (AD) angelegt wird.

6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mit logarithmischer Übertragungsfunktion zwei Transistoren (T10, T11) enthält, von denen der eine durch den Strom aus dem zweiten Verstärker und der andere durch einen dem festen Referenzsignal proportionalen Strom, der an den Eingang des zweiten Verstärkers angelegt ist, gespeist wird, daß das Verstärkungseinstellsignal (Vc) eine Differenzspannung ist, die zwischen die Basisanschlüsse der zwei Transistoren angelegt wird, und daß das Ausgangssignal des Elements mit logarithmischer Übertragungsfunktion die Differenzspannung zwischen den Emitteranschlüssen dieser Transistoren ist.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die identischen Verstärker Strom-Strom- Verstärker sind, die jeweils einen ersten Transistor (Q1, T2), dessen Basis auf eine feste Spannung vorgespannt ist, und einen zweiten Transistor (T3, Q3) enthalten, dessen Basis das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (AD) empfängt, wobei die Emitter der zwei Transistoren verbunden sind und der an diese Emitter angelegte Gesamtstrom den Verstärkereingangsstrom bildet, wobei die Kollektoren der zwei Transistoren (T3, Q3) mit einer Versorgungsspannungsquelle (Vcc) verbunden sind und der Strom am Kollektor des ersten Transistors (Q1, T2) den Verstärkerausgangsstrom bildet.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die identischen Verstärker Stromausgangssignale liefern und daß das Element mit logarithmischer Übertragungsfunktion wenigstens einen PN-Übergang enthält, durch den der aus dem zweiten Verstärker kommende Strom fließt.

9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang für das Verstärkungseingangssignal ein Verstärker vorgeschaltet ist, dessen Verstärkung der absoluten Temperatur proportional ist.