JP2682463B2 - Logarithmic amplifier circuit - Google Patents

Logarithmic amplifier circuit

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JP2682463B2
JP2682463B2 JP6216431A JP21643194A JP2682463B2 JP 2682463 B2 JP2682463 B2 JP 2682463B2 JP 6216431 A JP6216431 A JP 6216431A JP 21643194 A JP21643194 A JP 21643194A JP 2682463 B2 JP2682463 B2 JP 2682463B2
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differential
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克治 木村
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は対数増幅回路に係わり、
特に半導体集積回路上に形成される低電圧動作可能な対
数増幅回路に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a logarithmic amplifier circuit,
In particular, the present invention relates to a logarithmic amplifier circuit formed on a semiconductor integrated circuit and capable of low voltage operation.

【0002】[0002]

【従来の技術】対数増幅回路は、入力信号のダイナミッ
クレンジを圧縮することを行う回路である。対数増幅回
路の1つとして、リミッタ特性を有する複数の増幅器
と、飽和しないその利得が1の複数の増幅器とをそれぞ
れ縦続接続し、各段のリミッタ特性を備えた増幅器の出
力を減衰器で減衰させてた後、対応する段の利得が1の
増幅器の出力と合成させたものが特開平3−12750
4号公報に開示されている。
2. Description of the Related Art A logarithmic amplifier circuit is a circuit for compressing a dynamic range of an input signal. As one of the logarithmic amplifier circuits, a plurality of amplifiers having a limiter characteristic and a plurality of amplifiers having a gain of 1 which are not saturated are connected in cascade, and the output of the amplifier having the limiter characteristic of each stage is attenuated by an attenuator. After that, the output of the corresponding stage having the gain of 1 is combined with the output of the amplifier described in JP-A-3-12750.
No. 4 discloses this.

【0003】また、複数の増幅器を使用するこによって
対数特性の折れ線近似で行う場合に、入力電圧に応じて
利得の異なる増幅器を切り換えて使用した対数増幅回路
が特開平2−141012号公報に開示されている。
A logarithmic amplifier circuit in which amplifiers having different gains are switched according to an input voltage when a logarithmic characteristic is approximated by a broken line using a plurality of amplifiers is disclosed in JP-A-2-141012. Have been.

【0004】さらに、縦続された増幅器の各段の出力信
号を整流器で検波し、それぞれの検波電流の総和をベー
ス接地されたトランジスタのエミッタに入力することに
よって検波電流の加算を行った対数増幅回路が特開昭6
2−100010号公報に開示されている。
Further, a logarithmic amplifier circuit in which output signals of the respective stages of the cascaded amplifiers are detected by a rectifier, and the sum of the respective detection currents is input to the emitter of a transistor whose base is grounded to add detection currents. Was published in
It is disclosed in JP-A-2-1100010.

【0005】また、対数増幅回路の整流器で使用される
トランジスタのエミッタサイズとMOSトランジスタの
ゲート幅およびゲート長を特定の関係に設定することに
よってダイナミックレンジを広げた対数増幅回路が特開
平3−228412号公報に開示されている。このほか
にも、特開昭62−293807号公報、特開昭62−
292010号公報、特開平4−165805号公報に
類似した対数増幅回路は開示されている。これらは、エ
ミッタの面積比あるいはゲート幅とゲート長の比を異な
らせた2対の不平衡差動対の入力を交叉接続し、その出
力を並列接続することによって両波整流器を構成してい
る。このような整流器の構成手法は、IEEE Tra
nsaction on Circuits and
Systems−I、VOL.39、NO.9 の第7
71ページから第777ページ(1992年9月発行)
にも詳しく開示されている。
A logarithmic amplifier circuit in which the dynamic range is widened by setting the emitter size of the transistor used in the rectifier of the logarithmic amplifier circuit and the gate width and the gate length of the MOS transistor in a specific relationship is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-228412. No. 6,086,045. In addition, JP-A-62-293807 and JP-A-62-293807
Japanese Patent Application Laid-Open No. 292010 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-165805 disclose a logarithmic amplifier circuit. These cross-connect the inputs of two unbalanced differential pairs having different emitter area ratios or gate width to gate length ratios, and connect the outputs in parallel to form a double-wave rectifier. . The construction method of such a rectifier is based on IEEE Tra.
nsaction on Circuits and
Systems-I, VOL. 39, NO. 7th of 9
From page 71 to page 777 (issued September 1992)
Are also disclosed in detail.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】特開平3−12750
4号公報に開示されている対数増幅器は、多段に縦続さ
れた増幅器を、入力電圧の増加に伴って後段から飽和さ
せることによって、増幅利得を対数特性にしている。こ
の対数増幅器では対数特性を折れ線近似することはでき
るが、増幅器の段数を多くしなければ、実際の対数特性
との近似誤差が大きくなってしまう。このため、精度の
よい対数増幅器を得るには、回路が大型化してしまうと
いう問題があった。これは、利得の異なる増幅器を切り
換えて使用する特開平2−141012号公報に開示さ
れた対数増幅回路にも同様に発生する問題である。
Problems to be Solved by the Invention
In the logarithmic amplifier disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4 (1999) -1999, the amplification gain has a logarithmic characteristic by saturating an amplifier cascaded in multiple stages from a subsequent stage with an increase in input voltage. In this logarithmic amplifier, the logarithmic characteristic can be approximated by a broken line, but unless the number of stages of the amplifier is increased, an approximation error from the actual logarithmic characteristic increases. For this reason, there has been a problem that the circuit becomes large in order to obtain an accurate logarithmic amplifier. This is a problem that also occurs in the logarithmic amplifier circuit disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 2-141012 in which amplifiers having different gains are switched and used.

【0007】一方、特開昭62−100010号公報に
開示されている対数増幅回路のように、各段の増幅器の
出力を対数特性を近似させるような特性を持った整流器
で検波することによって、折れ線近似による誤差を少な
くすることができる。しかしながら、整流器のダイナミ
ックレンジは狭いので、広いダイナミックレンジの対数
増幅回路を得るには、カスケードされる差動増幅器の段
数を多くし、ダイナミックレンジを細かく分割しなけれ
ばならず、これに応じて整流器や差動増幅器が多数必要
になってしまうという問題があった。特開平3−228
412号公報では、トランジスタのエミッタ面積比ある
いはゲート幅とゲート長の比を異ならせた不平衡差動対
を用いた半波整流器や、2対の不平衡差動対の入力を交
叉接続しその出力を並列接続した両波整流器を用いて整
流器の動作範囲を広げている。しかし、整流器のダイナ
ミックレンジは差動増幅器のダイナミックレンジに比べ
れば未だ充分ではないため、広いダイナミックレンジの
対数増幅回路を得るには、整流器が多数必要になってし
まうという問題があった。
On the other hand, like the logarithmic amplifier circuit disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 62-100010, the output of the amplifier at each stage is detected by a rectifier having a characteristic that approximates the logarithmic characteristic. The error due to the polygonal line approximation can be reduced. However, since the dynamic range of the rectifier is narrow, in order to obtain a logarithmic amplification circuit with a wide dynamic range, the number of stages of cascaded differential amplifiers must be increased and the dynamic range must be finely divided. There was a problem that many differential amplifiers were needed. JP-A-3-228
In Japanese Patent No. 412, a half-wave rectifier using an unbalanced differential pair in which the ratio of the emitter area of a transistor or the ratio of the gate width to the gate length is different, and the inputs of two unbalanced differential pairs are cross-connected to each other. The operating range of the rectifier is expanded by using a double-wave rectifier with the outputs connected in parallel. However, since the dynamic range of the rectifier is still insufficient compared with the dynamic range of the differential amplifier, there is a problem that a large number of rectifiers are required to obtain a logarithmic amplification circuit with a wide dynamic range.

【0008】そこで本発明の目的は、対数精度や温度安
定性に優れ、かつ少ない整流器で広いダイナミックレン
ジを得ることができる低電圧動作可能な対数増幅回路を
得ることにある。
It is therefore an object of the present invention to obtain a logarithmic amplifier circuit which is excellent in logarithmic accuracy and temperature stability and which can obtain a wide dynamic range with a small number of rectifiers and which can operate at low voltage.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明で
は、リミティング特性を有する多段に縦続接続された複
数の差動増幅器と、これら差動増幅器の入力信号または
出力信号をそれぞれ検波する整流器であって、その差動
対を構成する一方のトランジスタのコレクタ電流または
ドレイン電流に等しい電流を発生する電流発生手段と、
前記した一方のトランジスタのコレクタ電流またはドレ
イン電流に等しい電流と所定の定電流を加算する加算手
段とを有し、加算手段の加算した値の電流で駆動される
差動回路で構成された複数の整流器と、これら整流器か
ら出力される全ての検波整流電流を加算する加算器と、
この加算器の出力を入力するダイオード接続されたトラ
ンジスタとを対数増幅回路に具備させている。
According to a first aspect of the present invention, a plurality of differential amplifiers having a limiting characteristic and connected in cascade are provided, and a rectifier for detecting an input signal or an output signal of each of the differential amplifiers. And a current generating means for generating a current equal to the collector current or drain current of one of the transistors forming the differential pair ,
The collector current or drain of one of the transistors described above
An adder that adds a current equal to the in-current and a predetermined constant current
A plurality of rectifiers each having a stage and constituted by a differential circuit driven by a current of the added value of the adding means, and an adder for adding all the detected rectified currents output from these rectifiers,
A logarithmic amplifier circuit is provided with a diode-connected transistor that inputs the output of this adder.

【0010】すなわち請求項1記載の発明では、ダイナ
ミックバイアス技術を適用した差動対を使用することに
よって整流器に指数特性、あるいは2乗特性を持たせ、
これを整流器の出力電流をダイオード接続されたトラン
ジスタによって対数圧縮あるいはルート圧縮している。
これにより、整流器のダイナミックレンジを広げること
ができる。
That is, according to the first aspect of the invention, the differential pair to which the dynamic bias technique is applied is used to give the rectifier exponential characteristic or square characteristic,
The output current of the rectifier is logarithmically compressed or route compressed by a diode-connected transistor.
As a result, the dynamic range of the rectifier can be expanded.

【0011】請求項2記載の発明では、リミティング特
性を有する多段に縦続接続された複数の差動増幅器と、
これら差動増幅器の入力信号または出力信号をそれぞれ
両波整流する整流器であって、その差動対を構成する一
方のトランジスタのコレクタ電流またはドレイン電流に
等しい電流を発生する電流発生手段と、前記した一方の
トランジスタのコレクタ電流またはドレイン電流に等し
い電流と所定の定電流を加算する加算手段とを有し、加
算手段の加算した値の電流で駆動される差動回路で構成
された2つの半波整流器の入力が互いに交叉接続された
複数の整流器と、これら整流器から出力される全ての検
波整流電流を加算する加算器と、この加算器の出力を入
力するダイオード接続されたトランジスタとを対数増幅
回路に具備させている。
According to a second aspect of the present invention, a plurality of differential amplifiers having limiting characteristics and cascaded in multiple stages,
A rectifier for double-wave rectifying an input signal or an output signal of each of these differential amplifiers, and a current generating means for generating a current equal to a collector current or a drain current of one of the transistors forming the differential pair, and One
Equal to the collector or drain current of the transistor
There and an adding means for adding the current and predetermined constant current, pressurized
A plurality of rectifiers in which the inputs of two half-wave rectifiers configured by a differential circuit driven by the current of the added value of the calculating means are cross-connected to each other, and all the detected rectified currents output from these rectifiers are added. And a diode-connected transistor for inputting the output of the adder are provided in the logarithmic amplifier circuit.

【0012】すなわち請求項2記載の発明では、ダイナ
ミックバイアス技術を適用した2つの半波整流器の入力
を互いに交叉接続することによって、両波整流器を構成
している。これにより、入力電圧を両波整流できるダイ
ナミックレンジの広い対数増幅回路を少ない整流器によ
って実現している。
That is, in the second aspect of the present invention, the double-wave rectifier is constructed by cross-connecting the inputs of the two half-wave rectifiers to which the dynamic bias technique is applied. As a result, a logarithmic amplifier circuit with a wide dynamic range that can rectify both waves of the input voltage is realized with a small number of rectifiers.

【0013】請求項3記載の発明では、整流器および加
算器の出力にダイオード接続されるトランジスタをバイ
ポーラトランジスタにしている。これにより、整流器は
指数特性を備え、その出力をダイオード接続されたトラ
ンジスタによって対数圧縮している。指数と対数は逆の
関数関係になっているので、指数特性の傾きをなだらか
にすることができ、整流器のダイナミックレンジを広げ
ることができる。
According to the third aspect of the invention, the transistor diode-connected to the outputs of the rectifier and the adder is a bipolar transistor. As a result, the rectifier has an exponential characteristic, and its output is logarithmically compressed by the diode-connected transistor. Since the exponent and the logarithm have an inverse functional relationship, the slope of the exponential characteristic can be made gentle and the dynamic range of the rectifier can be widened.

【0014】請求項4記載の発明では、整流器および加
算器の出力にダイオード接続されるトランジスタをMO
Sトランジスタにしている。これにより、整流器は2乗
特性を備え、その出力をダイオード接続されたトランジ
スタによってルート圧縮している。2乗と平方根は逆の
関数関係にあるので、2乗特性の傾きをなだらかにする
ことができ、整流器のダイナミックレンジを広げること
ができる。
According to a fourth aspect of the present invention, a transistor which is diode-connected to the outputs of the rectifier and the adder is MO.
It is an S transistor. As a result, the rectifier has a squared characteristic, and its output is route-compressed by the diode-connected transistor. Since the square and the square root have an inverse functional relationship, the slope of the square characteristic can be made gentle and the dynamic range of the rectifier can be widened.

【0015】[0015]

【実施例】以下実施例につき本発明を詳細に説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail below with reference to embodiments.

【0016】図1は、本発明の一実施例における対数増
幅回路の回路構成の概要を表わしたものである。この対
数増幅回路は、カスケード接続された複数の差動増幅器
11 1 〜11N と、これら差動増幅器の入力端および最
終段の出力端にそれぞれ接続された整流器121 〜12
N +1と、これら整流器の出力電流を加算する加算器13
と、加算器の出力電流を入力するダイオード接続された
トランジスタ14とから構成されている。差動増幅器1
1 〜11N はそれぞれリミティング特性を備えてお
り、対数増幅回路の入力電圧にが大きくなるに従って、
後段の差動増幅器から順に飽和するようになっている。
各整流器は差動増幅器の入力電圧範囲のうち、互いに異
なる範囲をそれぞれ受け持ち、指数特性あるいは2乗特
性を得るようになっている。加算器はこれら整流器の出
力電流を加算し、ダイオード接続されたトランジスタ1
4は加算器の出力を対数圧縮、あるいはルート圧縮する
ようになっている。
FIG. 1 shows the logarithmic increase in one embodiment of the present invention.
It is a diagram showing an outline of the circuit configuration of the width circuit. This pair
The number amplification circuit is a plurality of differential amplifiers connected in cascade.
11 1~ 11NAnd the input and
Rectifiers 12 connected to the output terminals of the final stage1~ 12
N +1And an adder 13 for adding the output currents of these rectifiers
And a diode connected to input the output current of the adder
It is composed of a transistor 14. Differential amplifier 1
11~ 11NEach have limiting characteristics
As the input voltage of the logarithmic amplifier circuit increases,
The differential amplifiers in the subsequent stages are saturated sequentially.
Each rectifier is different from the input voltage range of the differential amplifier.
Are each in charge of the range
To get sex. The adder is the output of these rectifiers.
Force-current-added and diode-connected transistor 1
4 is the logarithmic compression or the root compression of the output of the adder
It has become.

【0017】図2は図1に示した整流器の回路構成の概
要を表わしたものである。この整流器は、トランジスタ
21とトランジスタ22によって差動対を構成してい
る。そし、定電流源23によって得られる定電流IO
差動対を構成する一方のトランジスタ21のコレクタ電
流との和の電流で駆動される差動回路になっている。ま
ず、バイポーラトランジスタを使用した整流器の特性に
ついて説明する。
FIG. 2 shows an outline of the circuit configuration of the rectifier shown in FIG. In this rectifier, the transistor 21 and the transistor 22 form a differential pair. Then, the differential circuit is driven by the sum of the constant current I O obtained by the constant current source 23 and the collector current of the one transistor 21 forming the differential pair. First, the characteristics of a rectifier using a bipolar transistor will be described.

【0018】バイポーラトランジスタのコレクタ電流と
ベース−エミッタ間電圧の関係は指数則に従うものとす
れば、次式で表わされる。
The relationship between the collector current and the base-emitter voltage of the bipolar transistor is expressed by the following equation, if the power law is followed.

【数1】 ここで、IS は飽和電流、VT は熱電圧であり、VT
q/kTと表わされる。ただし、qは単位電子電荷、k
はボルツマン定数、Tは絶対温度である。ベース−エミ
ッタ間電圧VBEi が600mV前後のトランジスタで
は、通常動作時には、指数部exp(VBEi /VT )は
10乗程度の値になり、(1)式の、−1は無視でき
る。このとき、図2に示したテール電流IEEで駆動され
るバイポーラ差動対の差動出力電流は、素子間の整合性
が良いと仮定すると、次式で表わされる。
(Equation 1) Here, IS is the saturation current, VT is the thermal voltage, and VT =
It is expressed as q / kT. Where q is the unit electron charge, k
Is the Boltzmann constant, and T is the absolute temperature. In a transistor having a base-emitter voltage V BEi of about 600 mV, the exponent exp (V BEi / V T ) has a value of about the 10th power during normal operation, and −1 in the equation (1) can be ignored. At this time, the differential output current of the bipolar differential pair driven by the tail current I EE shown in FIG. 2 is expressed by the following equation, assuming that the matching between the elements is good.

【数2】 ただし、αF はトランジスタの直流電流増幅率であり、
通常のプロセスでは0.98〜0.99の値であるが、
ここでは、αF =1とする。
(Equation 2) Where α F is the direct current amplification factor of the transistor,
In a normal process, the value is 0.98 to 0.99,
Here, α F = 1.

【0019】また、In addition,

【数3】 のように表わされるので、(1)式にこれらを代入して
C1を求めると、
(Equation 3) Since they are expressed as follows, by substituting these into the equation (1) to obtain I C1 ,

【数4】 となる。これは、(1)式と対比すると、ベース−エミ
ッタ間電圧VBEi がV i に、飽和電流IS をI0 に置き
換えたものとなっている。飽和電流IS はトランジスタ
のバラツキにより変動するが、I0 は定電流源により任
意に設定することができる。したがって、IC1は、電気
的にプログラム可能なパラメータによって表わされてお
り、差動入力電圧に対して精度のよい指数回路を実現す
ることができる。
(Equation 4)Becomes Compared with equation (1), this is the base-em
Unit voltage VBEiIs V iAnd the saturation current ISTo I0Put on
It has been replaced. Saturation current ISIs a transistor
It fluctuates due to the variation of0Is controlled by a constant current source
It can be set at will. Therefore, IC1Is electric
Represented by programmable parameters
Realizes an exponential circuit with high accuracy for differential input voltage
Can be

【0020】図3は図2に示した整流器における入力電
圧とコレクタ電流の関係を表わしたものである。縦軸は
コレクタ電流IC1を、横軸は入力電圧(Vi /VT )を
表わしている。このように、ダイナミックバイアス電流
技術を適用した差動対の一方のコレクタ電流は指数特性
になっている。
FIG. 3 shows the relationship between the input voltage and the collector current in the rectifier shown in FIG. The vertical axis represents the collector current I C1 and the horizontal axis represents the input voltage (V i / V T ). In this way, one collector current of the differential pair to which the dynamic bias current technique is applied has an exponential characteristic.

【0021】図4は、図3に示した整流器の入力電圧に
対する出力電流の関係を対数表示したものである。ダイ
ナミックバイアス電流技術を適用した差動対を用いたバ
イポーラ整流器の動作入力電圧範囲は非常に広く、回路
中のトランジスタが内部抵抗等で飽和するまでである。
しかし、もともと、指数特性と対数特性は互いに逆の関
数関係であるので、このままでは対数入力ダイナミック
レンジとしては図4に示したように10dB(デシベ
ル)以下でしか利用できない。トランジスタにエミッタ
抵抗を挿入してエミッタデジェネレーションを施せば整
流器の指数特性をなまらせ傾きをなだらかにでき、対数
入力ダイナミックレンジを広げることができる。しかし
ながら、エミッタ抵抗を挿入するとそれだけ、電源電圧
を高くしなければならず、低電圧動作に不向きとなる。
一方、整流器の出力電流をダイオードを介して対数圧縮
すれば、対数入力ダイナミックレンジとしては差動増幅
器の利得に相当するところまで利用することができる。
整流器の出力電流をダイオード接続したトランジスタを
介して出力した場合の出力電圧は、(1)式の関係から
対数圧縮される。したがって、差動増幅器が飽和してリ
ミッタとなるまでは、およそ線型な整流器とみなすこと
ができる。このため、図1に示した回路の整流器として
図2に示した整流器を使用することにより、対数増幅回
路を構成することができる。
FIG. 4 is a logarithmic representation of the relationship between the output voltage and the input voltage of the rectifier shown in FIG. The operating input voltage range of the bipolar rectifier using the differential pair to which the dynamic bias current technology is applied is very wide, and the transistor in the circuit is saturated by internal resistance.
However, since the exponential characteristic and the logarithmic characteristic have mutually inverse functional relationships, as it is, the logarithmic input dynamic range can be utilized only at 10 dB (decibel) or less as shown in FIG. If an emitter resistor is inserted in the transistor and emitter degeneration is applied, the exponential characteristic of the rectifier can be rounded, the slope can be made gentle, and the logarithmic input dynamic range can be widened. However, if the emitter resistance is inserted, the power supply voltage must be increased correspondingly, which is unsuitable for low voltage operation.
On the other hand, if the output current of the rectifier is logarithmically compressed via the diode, it is possible to utilize up to the logarithmic input dynamic range corresponding to the gain of the differential amplifier.
The output voltage when the output current of the rectifier is output via the diode-connected transistor is logarithmically compressed from the relationship of the equation (1). Therefore, it can be regarded as an approximately linear rectifier until the differential amplifier is saturated and becomes a limiter. Therefore, the logarithmic amplifier circuit can be configured by using the rectifier shown in FIG. 2 as the rectifier of the circuit shown in FIG.

【0022】また、差動増幅器111 〜11N はそれぞ
れリミティング特性を持っているので、すべての整流器
121 〜12N +1の出力電流を加算器13によって加算
した後の電流を、ダイオード14を介して対数圧縮して
も同様の結果を得ることができる。図1に示した対数増
幅回路では、加算後に対数圧縮を行っている。
Since the differential amplifiers 11 1 to 11 N each have a limiting characteristic, the current after adding the output currents of all the rectifiers 12 1 to 12 N +1 by the adder 13 to the diode 14 Similar results can be obtained by logarithmic compression via. In the logarithmic amplifier circuit shown in FIG. 1, logarithmic compression is performed after addition.

【0023】図5は、図1に示した対数増幅器の入力電
圧とそれぞれの整流器および加算器の出力電流との関係
を表わしたものである。図1に示した差動増幅器111
〜11N はカスケード接続されているので、入力電圧の
増加に伴って最終段の差動増幅器11N から順に飽和す
る。たとえば、80dBの入力電圧範囲を10に区分し
たとすると、最初の10dBについては、最終段の差動
増幅器11N の出力端に接続された整流器12N +1を利
用して対数特性を得るようになっている。最終段の差動
増幅器11N は入力電圧が10dB以上になると飽和す
るようにそのリミティング特性が設定されている。これ
により、特性曲線41で表わしたように、それ以上入力
電圧が上昇しても、整流器12N +1の出力電流は一定値
以上に増えない。10dB〜20dBの入力電圧範囲に
ついては、最終段から2個目の整流器12N を利用して
対数特性を得ている。そして、入力電圧が20dB以上
になると最終段から2段目の差動増幅器11N -1が飽和
し、整流器の出力電流はそれ以上入力電圧が高くなって
も増えない。特性曲線42は整流器12N の出力電流特
性を表わしている。このようにして10dBごとにそれ
ぞれの整流器の受け持つ入力電圧範囲を区分しておき、
これらの出力電流の和をとると、特性曲線45の示すよ
うに広いダイナミックレンジを備えた対数増幅回路を実
現することができる。
FIG. 5 shows the relationship between the input voltage of the logarithmic amplifier shown in FIG. 1 and the output current of each rectifier and adder. The differential amplifier 11 1 shown in FIG.
Since ~ 11 N are cascade-connected, the differential amplifier 11 N at the final stage is sequentially saturated with an increase in the input voltage. For example, if the input voltage range of 80 dB is divided into 10, the logarithmic characteristic is obtained by using the rectifier 12 N +1 connected to the output terminal of the differential amplifier 11 N at the final stage for the first 10 dB. It has become. The limiting characteristic of the differential amplifier 11 N at the final stage is set so as to be saturated when the input voltage becomes 10 dB or more. As a result, as indicated by the characteristic curve 41, even if the input voltage further increases, the output current of the rectifier 12 N +1 does not increase beyond a certain value. For the input voltage range of 10 dB to 20 dB, the logarithmic characteristic is obtained by using the second rectifier 12 N from the final stage. When the input voltage exceeds 20 dB, the differential amplifier 11 N -1 from the final stage to the second stage is saturated, and the output current of the rectifier does not increase even if the input voltage becomes higher. The characteristic curve 42 represents the output current characteristic of the rectifier 12 N. In this way, the input voltage range of each rectifier is divided for each 10 dB,
By taking the sum of these output currents, it is possible to realize a logarithmic amplifier circuit having a wide dynamic range as shown by the characteristic curve 45.

【0024】次に、MOSトランジスタを用いた整流器
について説明する。
Next, a rectifier using MOS transistors will be described.

【0025】図6は図1に示した対数増幅回路の整流器
をMOSトランジスタを用いて構成したときの回路構成
を表わしたものである。これは図2に示した整流器の各
トランジスタをバイポーラ型からMOS型に変更したも
のである。この整流器の入出力特性について説明する。
FIG. 6 shows a circuit configuration when the rectifier of the logarithmic amplifier circuit shown in FIG. 1 is configured by using MOS transistors. This is a modification of each transistor of the rectifier shown in FIG. 2 from bipolar type to MOS type. The input / output characteristics of this rectifier will be described.

【0026】飽和領域で動作しているMOSトランジス
タのドレイン電流は、チャネル長変調と基板効果を無視
すれば、次式で表わすことができる。
The drain current of the MOS transistor operating in the saturation region can be expressed by the following equation, ignoring the channel length modulation and the substrate effect.

【数5】 ここで、β=μ(COX/2)(W/L)で表わされるト
ランスコンダクタンス・パラメータである。μはキャリ
アの実行モビリティを、COXは単位面積当たりのゲート
酸化膜容量を、W、Lはそれぞれゲート幅、ゲート長を
表わしている。また、VTHはスレッショルド電圧を、V
GSi はゲート・ソース間電圧をそれぞれ表わしている。
(Equation 5) Here, β = μ (C OX / 2) (W / L) is a transconductance parameter. μ represents the carrier's effective mobility, C OX represents the gate oxide film capacitance per unit area, and W and L represent the gate width and the gate length, respectively. V TH is the threshold voltage, V
GSi represents the gate-source voltage.

【0027】テール電流ISSで駆動されるMOS差動対
の差動出力電流は、素子間の整合性が良いものと仮定
し、基板効果を無視し、飽和領域で動作するMOSトラ
ンジスタのドレイン電流とゲート・ソース間電圧の関係
が(6)式に示した2乗則に従うものとすれば、次式で
表わされる。
The differential output current of the MOS differential pair driven by the tail current I SS is assumed to have good matching between elements, the substrate effect is ignored, and the drain current of the MOS transistor operating in the saturation region is ignored. If the relationship between the gate-source voltage and the gate-source voltage follows the square law shown in the equation (6), it is expressed by the following equation.

【数6】 ここで、各電流の関係は次式で表わされる。(Equation 6) Here, the relation of each current is expressed by the following equation.

【数7】 従って、(6)式、(7)式に代入してID1を求めると
以下のようになる。
(Equation 7) Therefore, when I D1 is obtained by substituting the equations (6) and (7), the following is obtained.

【数8】 (Equation 8)

【0028】図 7は、図6に示した整流器の入力電圧と
ドレイン電流の関係を表わしたものである。この図から
も、ダイナミックバイアス電流技術を適用した差動対の
一方のドレイン電流が2乗特性になっていることが分か
る。(6)式、(7)式に表わしたMOSトランジスタ
のゲート電圧とドレイン電圧の関係と、(11)式およ
び(12)式とを対比してみると、ゲート・ソース間電
圧VGSi は差動入力電圧Vi に、またシュレショルド電
圧VTHはSQR(I0 /β)にそれぞれ対応している。
ここでSQRはルートを示している。このように、ドレ
イン電流は、全て電気的にプログラムできるパラメータ
のみによって表わされている。
FIG. 7 shows the relationship between the input voltage and the drain current of the rectifier shown in FIG. Also from this figure, it can be seen that the drain current of one of the differential pairs to which the dynamic bias current technique is applied has a square characteristic. Comparing the relationship between the gate voltage and the drain voltage of the MOS transistor expressed by the equations (6) and (7) with the equations (11) and (12), the gate-source voltage V GSi is different. The dynamic input voltage V i and the threshold voltage V TH correspond to SQR (I 0 / β), respectively.
Here, SQR indicates a route. Thus, the drain current is all represented by only electrically programmable parameters.

【0029】図8は、MOSトランジスタを用いた整流
器の出力電流特性を対数表示したものである。ダイナミ
ックバイアス電流技術を適用した差動対を用いた整流器
の動作入力電圧範囲は非常に広い。それは、回路中のト
ランジスタが内部抵抗等によって飽和するまでのレンジ
がある。しかしながら、もともと、2乗特性と対数特性
はむしろ逆の関数関係にあるので、このままで整流器を
使用したのでは、対数入力として利用できるダイナミッ
クレンジはたかだか10dB程度にすぎない。そこで、
整流器の出力電流をルート圧縮することによってそのダ
イナミックレンジを広くすることができる。つまり、整
流器の出力電流をMOSトランジスタをダイオード接続
してルート圧縮ことによって、対数入力としてのダイナ
ミックレンジを差動増幅器の利得に相当する範囲まで広
げることができる。ダイオード接続されたトランジスタ
を介して出力される出力電圧は、(6)式によってルー
ト圧縮されるので、差動増幅器が飽和してリミッタとな
るまではおよそ線形な整流器とみなすことができる。し
たがって、図1に示した対数増幅回路の整流器に図6に
示したものを使用することによって、少ない整流器でダ
イナミックレンジの広い対数増幅回路を実現することが
できる。
FIG. 8 is a logarithmic representation of the output current characteristic of a rectifier using MOS transistors. The operating input voltage range of the rectifier using the differential pair applying the dynamic bias current technology is very wide. It has a range until the transistor in the circuit is saturated by internal resistance or the like. However, since the square characteristic and the logarithmic characteristic are originally in the opposite functional relationship, if the rectifier is used as it is, the dynamic range that can be used as the logarithmic input is only about 10 dB. Therefore,
The dynamic range can be widened by root-compressing the output current of the rectifier. That is, the output current of the rectifier is diode-connected to the MOS transistor and the route is compressed, whereby the dynamic range as a logarithmic input can be expanded to a range corresponding to the gain of the differential amplifier. The output voltage output via the diode-connected transistor is route-compressed by the equation (6), and can be regarded as an approximately linear rectifier until the differential amplifier saturates and becomes a limiter. Therefore, by using the rectifier of the logarithmic amplifier circuit shown in FIG. 1 as shown in FIG. 6, it is possible to realize a logarithmic amplifier circuit having a wide dynamic range with a small number of rectifiers.

【0030】これまで、説明した整流器の整流特性は半
波整流器になっている。この半波整流器を2つ用い、互
いの入力を交叉させて接続しその出力を加算することに
よって両波整流器を得ることができる。
The rectifying characteristics of the rectifier described so far are half-wave rectifiers. A double-wave rectifier can be obtained by using two of these half-wave rectifiers, connecting their inputs to each other and connecting them, and adding their outputs.

【0031】図9は、バイポーラトランジスタを使用し
た両波整流器の回路構成を表わしたものである。トラン
ジスタ51と52によって、一方の半波整流器が構成さ
れている。またトランジスタ53、54によって他方の
半波整流器が構成されている。入力電圧Vi はその正負
が逆になってそれぞれの半波整流器のトランジスタ51
〜54のベースに供給されている。そして、トランジス
タ52と53のコレクタを共通接続することによってそ
れぞれの半波整流器の出力電流は加算されている。
FIG. 9 shows a circuit configuration of a double-wave rectifier using bipolar transistors. The transistors 51 and 52 constitute one half-wave rectifier. The transistors 53 and 54 form the other half-wave rectifier. The positive and negative of the input voltage V i are reversed, and the transistor 51 of each half-wave rectifier is
To 54 bases. Then, by commonly connecting the collectors of the transistors 52 and 53, the output currents of the respective half-wave rectifiers are added.

【0032】図10はCMOSトランジスタを使用した
両波整流器の回路構成を表わしたものである。トランジ
スタ61と62によって、一方の半波整流回路が、トラ
ンジスタ63、64によって他方の半波整流回路がそれ
ぞれ構成されている。入力電圧Vi はその正負が逆にな
るようにそれぞれの半波整流器に入力されている。トラ
ンジスタ62とトランジスタ63のドレインは共通接続
されており、これにより半波整流器の出力電流が加算さ
れるようになっている。
FIG. 10 shows a circuit configuration of a double-wave rectifier using CMOS transistors. The transistors 61 and 62 form one half-wave rectification circuit, and the transistors 63 and 64 form the other half-wave rectification circuit. The input voltage V i is input to each half-wave rectifier so that its positive and negative polarities are reversed. The drains of the transistor 62 and the transistor 63 are commonly connected, so that the output currents of the half-wave rectifiers are added.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上説明したように請求項1記載の発明
によれば、広い動作入力電圧を持つ整流器を用いている
ので、対数増幅回路を少ない数の整流器で構成すること
ができる。また、ダイナミックバイアス電流技術を適用
した差動対を用いた整流器を使用することによって、対
数精度や温度特性の安定性に優れ、かつエミッタ抵抗を
挿入していないので、低電圧で動作させることができ
る。したがって、低電圧駆動させる半導体集積回路にお
いて対数増幅回路を容易に形成することができる。
As described above, according to the first aspect of the invention, since the rectifier having a wide operating input voltage is used, the logarithmic amplifier circuit can be composed of a small number of rectifiers. Also, by using a rectifier that uses a differential pair to which the dynamic bias current technology is applied, the logarithmic accuracy and the stability of temperature characteristics are excellent, and since no emitter resistor is inserted, it is possible to operate at a low voltage. it can. Therefore, it is possible to easily form a logarithmic amplifier circuit in a semiconductor integrated circuit driven at a low voltage.

【0034】また請求項2記載の発明によれば、ダイナ
ミックバイアス電流技術を利用した半波整流器を2個使
用することによって、動作入力電圧範囲の広い両波整流
器を得ることができる。これにより、少ない整流器の数
で両波整流した出力電圧を得ることができる対数増幅回
路を構成することができる。
According to the second aspect of the present invention, by using two half-wave rectifiers utilizing the dynamic bias current technique, a double-wave rectifier having a wide operating input voltage range can be obtained. As a result, it is possible to configure a logarithmic amplifier circuit that can obtain an output voltage that is double-wave rectified with a small number of rectifiers.

【0035】さらに請求項3記載の発明によれば、バイ
ポーラトランジスタを使用して整流器を構成するととも
に、ダイオード接続されるトランジスタとしてバイポー
ラトランジスタを使用している。これにより、整流器の
指数特性をダイオード接続したトランジスタによって対
数圧縮することができるので、ダイナミックレンジの広
い整流器を得ることができる。
Further, according to the third aspect of the invention, the rectifier is constructed by using the bipolar transistor, and the bipolar transistor is used as the diode-connected transistor. Thus, the exponential characteristic of the rectifier can be logarithmically compressed by the diode-connected transistor, so that a rectifier with a wide dynamic range can be obtained.

【0036】また請求項4記載の発明によれば、MOS
トランジスタを使用して整流器を構成するとともに、ダ
イオード接続されるトランジスタとしてMOSトランジ
スタを使用している。これにより、整流器の2乗特性を
ダイオード接続したトランジスタによってルート圧縮す
ることができるので、ダイナミックレンジの広い整流器
を得ることができる。
According to the invention of claim 4, a MOS is provided.
A rectifier is formed by using a transistor, and a MOS transistor is used as a diode-connected transistor. As a result, the square characteristic of the rectifier can be route-compressed by the diode-connected transistor, so that a rectifier with a wide dynamic range can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例における対数増幅回路の回路
構成の概要を表わしたブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram illustrating an outline of a circuit configuration of a logarithmic amplifier circuit according to an embodiment of the present invention.

【図2】バイポーラトランジスタを用いた整流器の回路
構成の概要を表わした回路図である
FIG. 2 is a circuit diagram showing an outline of a circuit configuration of a rectifier using a bipolar transistor.

【図3】図2に示したバイポーラトランジスタを用いた
整流器の入出力特性を表わした特性図である。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing input / output characteristics of a rectifier using the bipolar transistor shown in FIG.

【図4】図3に示した整流器の入出力特性を対数表示し
た特性図である。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the input / output characteristics of the rectifier shown in FIG. 3 in logarithmic form.

【図5】図1に示した対数増幅回路の入出力特性を表わ
した特性図である。
5 is a characteristic diagram showing input / output characteristics of the logarithmic amplifier circuit shown in FIG.

【図6】CMOSトランジスタを用いた整流器の回路構
成を表わした回路図である。
FIG. 6 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a rectifier using CMOS transistors.

【図7】図6に示したCMOSトランジスタを用いた整
流器の入出力特性を表わした特性図である。
7 is a characteristic diagram showing an input / output characteristic of a rectifier using the CMOS transistor shown in FIG.

【図8】図6に示した整流器の入出力特性を対数表示し
た特性図である。
8 is a characteristic diagram showing the input / output characteristics of the rectifier shown in FIG. 6 in logarithmic form.

【図9】バイポーラトランジスタを用いた2つの半波整
流器を用いて構成された両波整流器の回路構成を表わし
た回路図である。
FIG. 9 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a double-wave rectifier configured by using two half-wave rectifiers using bipolar transistors.

【図10】CMOSトランジスタを用いた2つの半波整
流器を用いて構成された両波整流器の回路構成を表わし
た回路図である。
FIG. 10 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a double-wave rectifier configured by using two half-wave rectifiers using CMOS transistors.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

111 〜11N 差動増幅回路 121 〜12N +1 整流器 13 加算器 14 ダイオード接続されたトランジスタ 21、22、51〜54 バイポーラトランジスタ 23 定電流源 61〜64 MOSトランジスタ11 1 to 11 N differential amplifier circuit 12 1 to 12 N +1 rectifier 13 adder 14 diode-connected transistor 21, 22, 51-54 bipolar transistor 23 constant current source 61-64 MOS transistor

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 リミティング特性を有する多段に縦続接
続された複数の差動増幅器と、 これら差動増幅器の入力信号または出力信号をそれぞれ
検波する整流器であって、その差動対を構成する一方の
トランジスタのコレクタ電流またはドレイン電流に等し
い電流を発生する電流発生手段と、前記一方のトランジ
スタのコレクタ電流またはドレイン電流に等しい電流
所定の定電流を加算する加算手段とを有し、前記加算手
段の加算した値の電流で駆動される差動回路で構成され
た複数の整流器と、 これら整流器から出力される全ての検波整流電流を加算
する加算器と、 この加算器の出力を入力するダイオード接続されたトラ
ンジスタとを具備することを特徴とする対数増幅回路
1. A plurality of differential amplifiers having a limiting characteristic, which are cascade-connected in multiple stages, and a rectifier that detects an input signal or an output signal of each of the differential amplifiers, one of which constitutes a differential pair. Current generating means for generating a current equal to the collector current or drain current of the transistor, and the one transistor
A current equal to the collector current or drain current of the star and an addition means for adding a predetermined constant current.
A plurality of rectifiers composed of differential circuits driven by the current of the added value of the stages, an adder that adds all the detected rectified currents output from these rectifiers, and a diode that inputs the output of this adder A logarithmic amplifier circuit comprising a connected transistor .
【請求項2】 リミティング特性を有する多段に縦続接
続された複数の差動増幅器と、 これら差動増幅器の入力信号または出力信号をそれぞれ
両波整流する整流器であって、その差動対を構成する一
方のトランジスタのコレクタ電流またはドレイン電流に
等しい電流を発生する電流発生手段と、前記一方のトラ
ンジスタのコレクタ電流またはドレイン電流に等しい電
と所定の定電流を加算する加算手段とを有し、前記加
算手段の加算した値の電流で駆動される差動回路で構成
された2つの半波整流器の入力が互いに交叉接続された
複数の整流器と、 これら整流器から出力される全ての検波整流電流を加算
する加算器と、 この加算器の出力を入力するダイオード接続されたトラ
ンジスタとを具備することを特徴とする対数増幅回路。
2. A plurality of differential amplifiers having a limiting characteristic, which are cascade-connected in multiple stages, and a rectifier for rectifying both input signals or output signals of the differential amplifiers, respectively, which constitutes a differential pair. A current generating means for generating a current equal to the collector current or the drain current of one of the transistors;
Current equal to the collector or drain current of the transistor.
Current and a predetermined constant current are added to the addition means.
A plurality of rectifiers having inputs of two half-wave rectifiers, which are constituted by a differential circuit driven by the current of the added value of the calculation means, are cross-connected to each other, and all the detected rectified currents output from these rectifiers are added. And a diode-connected transistor for inputting the output of the adder .
【請求項3】 前記整流器のトランジスタおよび前記ダ
イオード接続されたトランジスタはバイポーラトランジ
スタであることを特徴とする請求項1または請求項2記
載の対数増幅回路。
3. A logarithmic amplifier circuit according to claim 1, wherein the rectifier transistor and the diode-connected transistor are bipolar transistors.
【請求項4】 前記整流器のトランジスタおよび前記ダ
イオード接続されたトランジスタはMOSトランジスタ
であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の
対数増幅回路。
4. The logarithmic amplifier circuit according to claim 1, wherein the rectifier transistor and the diode-connected transistor are MOS transistors.
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