DE2552863B2

DE2552863B2 - Logarithmischer Verstärker

Info

Publication number: DE2552863B2
Application number: DE2552863A
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Fujino; Masanoshin Omiya Komori; Saburo Numata
Original assignee: Fuji Photo Optical Co Ltd
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 1974-11-25
Filing date: 1975-11-25
Publication date: 1978-03-09
Also published as: JPS5161243A; US3992622A; DE2552863A1; DE2552863C3

Description

Die Erfindung betrifft einen logarithmischen Verstärker mit einem Operationsverstärker hoher Eingangsimpedanz, einem die logarithmische Kennlinie erzeugenden Halbleiterbauelement zwischen einem Eingangsanschluß und einem Punkt des Ausgangskreises des Operationsverstärkers, einem mit einem Endanschluß am Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers liegenden Spannungsteiler und einem mit dem Spannungsteiler verbundenen Kompensationstransistor vom npn-Leitungstyp.

Aus der »Electronic Engineering H. 538, Band 44 vom Dezember 1972« ist ein logarithmischer Verstärker gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Bei diesem Verstärker besteht das Halbleiterbauelement aus einem Transistor, dessen Kollektor-Emitter-Strecke parallel zum Eingangs- und Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers geschaltet ist, um die logarithmische Beziehung zwischen Basis-Emitter-Spannung und dem Kollektorstrom auszunutzen. Um Änderungen der Verstärkerlinie, d. h. der Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Eingangsstrom, hervorgerufen durch Temperaturschwankungen, zu kompensieren, ist am Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers ein Spannungsteiler vorgesehen, der aus zwei Widerständen besteht, die einen bestimmten Temperaturkoeffizienten aufweisen. Diese Widerstände haben Einfluß auf die Neigung der Verstärkerkennlinie. Eine temperaturbedingte Verschiebung der Verstärkerkennlinie wird durch einen Transistor kompensiert, dessen Basis am Mittelzapfpunkt des Spannungsteilers angeschlossen ist, dessen Emitter mit dem Emitter des zur logarithmischen Umsetzung dienenden Transistor verbunden ist, sowie mit dem Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers, mit dessen Eingang der Kollektor des Kompensationstransistors verbunden ist. Eine derartige Schaltungsanordnung zum Kompensieren von Temperatureinflüssen ist aufwendig, und da insbesondere zur Kompensation der Neigungsänderung der Verstärkerkennlinie Widerstände verwendet werden, die einen bestimmten Temperaturkoeffizienten aufweisen, läßt sich eine derartige Schaltungsanordnung nicht in monolithischer Form herstellen.

Ό Ein ähnlicher logarithmischer Verstärker ist aus der DT-AS 12 76 733 bekannt, bei dem ebenfalls Kompensationswiderstände im Ausgangskreis verwendet werden, die einen bestimmten Temperaturkoeffizienten aufweisen. Auch eine derartige Schaltungsanordnung ist nicht in monolithischer Form mit geringen Abmessungen herstellbar. Ferner äst aus der »Siemens-Zeitschrift 41, 1967, Heft 11, S. 921« eine Verstärkeranordnung bekannt, bei der temperaturbedingte Kennlinienschwankungen durch temperaturabhängige Spannungsteilerwiderstände kompensiert werden. Auch dieser Verstärker hat die obengenannten Nachteile. Aus der Druckschrift »Frequenz« 22, 1968, 5, S. 145 ist ein logarithmischer Verstärker bekannt, bei dem zur Erzeugung der logarithmischen Kennlinie ebenfalls ein

2a Transistor verwendet wird, dessen Emitter-Kollektor-Strecke parallel zum Ein- und Ausgangsanschluß eines Operationsverstärkers geschaltet sind. Zum Kompensieren von Temperatureinflüssen ist der andere Operalioniverstärkereingang mit der Basis eines zweiten Transistors beschaltet, der ein ähnliches Temperaturverhalten aufweist, wie der zur logarithmischen Umsetzung dienende Transistor. Der Emitter des Kompensationstransistors ist geerdet, der Kollektor ist mit der Basis kurzgeschlossen, und ihm wird ein konstanter Vergleichsstrom eingeprägt. Eine derartige Schaltungsanordnung zur Kompensation von Temperatureinflüssen ist jedoch nur in gewissen Grenzen wirksam, da das tatsächliche Ausgangssignal des Verstärkers bei der Kompensation nicht berücksichtigt wird. Ferner ist aus der DT-AS 19 08 753 ein Gleichstromverstärker bekannt, bei dem die Basis-Emitter-Strecken zweier Transistoren gegeneinander geschaltet sind, um die temperaturbedingte Spannungsdrift der Verstärkeranordnung zu verbessern. Bei diesem Verstärker handelt es sich jedoch nicht um einen logarithmischen Verstärker.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen logarithmischen Verstärker mit einer Kompensationseinrichtung für temperaturbedingte Kennlinienänderun- gen (Zusammenhang zwischen Eingangsgröße und Ausgangsgröße, wobei es sich bei diesen Größen um Strom oder Spannung handelt) zu schaffen, bei dem nur Bauelemente verwendet werden, die einen Verstärkeraufbau in monolithischer Bauweise ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Diese Verstärkerschaltung hat den Vorteil, daß temperaturbedingte Kennlinienänderungen, und zwar sowohl in Form von Parallelverschiebungen als auch in Form von Neigungsänderungen auf einfache Weise kompensiert werden, ohne daß das Erfordernis besteht, relativ viel Platz beanspruchende Widerstände mit speziellen Temperaturkoeffizienten zu verwenden. Dies ermöglicht den Aufbau in monolithischer Form und

i>5 führt somit zu einer vielseitigen und einfacheren Verwendbarkeit.

Bei dem logarithmischen Verstärker werden also erfindungsgemäß ein Transistor-Verstärker und ein

Teilerwiderstand zwischen dem Ausgang eines Operationsverstärkers und einer Diode zur logarithmischen Umsetzung parallel gelegt, wobei die Temperaturabhängigkeiten der Diodenkennlinie und der Transistor-Verstärkerkennlinien sich gegenseitig aufheben, wodurch Temperaturschwankungen vollständig kompensiert v/erden und ein vom Temperaturschwankungen unbeeinflußtes Ausgangssignal der Verstärker erhalten wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen logarithmischen Verstärkers,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung für eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßeri logarithmischen Verstärkers,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Temperaturabhängigkeit der Kennlinie des logarithmischen Verstärkers, bei dem keine Temperatur-Kompensationseinrichtungen verwendet werden,

Fig.4 eine graphische Darstellung der Temperaturabhängigkeit der Kennlinien des Transistor-Verstärkers, der gemäß der Erfindung zur Temperaturkompensation mit dem logarithrnischen Verstärker verbunden ist, und

Fig. 5 eine graphische Darstellung von Kennlinien des logarithrnischen Verstärkers mit der Temperatur als Parameter, bei dem gemäß der Erfindung Temperatur-Kompensationseinrichtungen verwendet werden.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der ein Operationsverstärker 1 mit einer Versorgungsquelle 2 verbunden und ein Photodetektor 3, beispielsweise eine Silicium-Blauzelle, vorgesehen ist. Da durch den Photodetektor 3 Strom nur mit einer geringen Stromstärke von etwa 10-'² bis ΙΟ"⁴ Α fließen kann, ist der Operationsverstärker 1 einer mit hoher Eingangsimpedanz, beispielsweise ein MOS-Spitzen-Operationsverstärker.

Über den Operationsverstärker 1 liegt ein Halbleiterelement 4 zur logarithmischen Umsetzung (nachfolgend als »log-Diode« bezeichnet). Die Anode der log-Diode ist mit dem Photodetektor 3 und die Kathode mit einem ersten Teilerwiderstand 5 verbunden, der seinerseits zwischen dem Ausgang la des Operationsverstärkers 1 und der log-Diode 4 liegt. Ein zweiter Teilerwiderstand 6 liegt zwischen der Kathode der log-Diode 4 und Masse. Ein Transistor 7 liegt parallel zum ersten Widerstand 5. Der Kollektor 7 des Transistors 7 steht mit dem Ausgang la des Operationsverstärkers 1, der Emitter Ta mit dem Schaltungspunkt P zwischen dem ersten Widerstand 5 und dem zweiten Widerstand 6 und die Basis 7c über einen V/iderstand 8 ebenfalls mit dem Ausgang la des Operationsverstärkers 1 in Verbindung.

Nachfolgend soll die Funktionsweise des zuvor beschriebenen logarithmischen Verstärkers gemäß Fig. 1 erläutert werden. Der weitaus größte Anteil des bei Lichtausfall im Photodetektor 3 erzeugten Stromes fließt durch die log-Diode 4, da die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers 1 sehr hoch ist. Daher fällt die Spannung am Verbindungspunkt P der beiden Widerstände 5 und 6 auf einem Wert ab, der kleiner ist als die Bezugsspannung der Versorgungsquelle 2, und tu zwar um einen Betrag, der dem über der log-Diode auftretenden Spannungsabfall entspricht. Daher ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 1 eine Funktion der auf dem Photodetektor 3 auffallenden Lichtintensität und des Widerstandswertes des ersten Teilerwiderstandes, wenn der Transistor 7 außer Betracht bleibt.

Die Temperaturabhängigkeit der Kennlinie der log-Diode 4 ändert sich, wenn Strom durch sie hindurchfließt, d. h. ist abhängig von der vom Photodetektor 3 empfangenen Lichtintensität. Die Temperaturabhängigkeit des durch den Transistor 7 fließenden Emitterstroms ändert sich, wenn sich die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 1 ändert. Fig. 3 zeigt die Änderung der Temperaturabhängigkeit, die aufgrund der log-Diode 4 auftritt, und Fig.4 zeigt die Änderung der Temperaturabhängigkeit, die aufgrund des Transisiors 7 auftritt. Da die Temperaturabhängigkeil der Kennlinie der log-Diode 4 und die des Transistors 7 zueinander entgegengesetzt sind, hebt sich so der Einfluß von Temperaturänderungen am Ausgang des Operationsverstärkers auf, dadurch, daß die den Transistor 7 enthaltene TransistorschaUung mit dem logarithmischen Verstärker kombiniert wird, wobei die log-Diode 4 und die Teilerwiderstände 5 und 6 -S5 vorgesehen sind. Da die Temperaturabhängigkeit des durch den Transistor 7 fließenden Emitterstroms durch Verändern des Basiswiderstandes 8 geändert werden kann, kann eine vollständige Temperaturkompensation über den gesamten Stromstärkenbereich des durch die ■w log-Diode 4 fließenden Stromes durch Einstellen oder durch richtiges Auswählen des Widerstandsweites des Basiswiderstandes 8 durchgeführt werden. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 1, die vollständig temperaturkompensiert ist, ist in Fig. 5 dargestellt.

In Fig.2 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung wiedergegeben. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform, die in Fig. 1 dargestellt und zuvor beschrieben wurde und bei der ein Transistorverstärker mit fester Vorspannung verwendet wird, wird bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Transistorverstärker 9 mit sich selbst einstellender Vorspannung verwendet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Logarithmischer Verstärker mit einem Operationsverstärker hoher Eingangsimpedanz, einem die logarithmische Kennlinie erzeugenden Halbleiterbauelement zwischen einem Eingangsanschluß und einem Punkt des Ausgangskreises des Operationsverstärkers, einem mit einem EndanschluB am Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers liegenden Spannungsteiler und einem mit dem Spannungsteiler verbundenen Kompensationstransistor vom npn-Leitungstyp, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement eine Diode (4) ist. deren Anode mit einem Eingangsanschluß des Operationsverstärkers (1) und deren Kathode mit dem Mittelabgriff (P) des Spannungsteilers (5, 6) verbunden ist, daß der Kollektor des Kompensationsiransistors (7) mit dem Ausgimgsanschluß des Operationsverstärkers (1) und sein Emitter mit der Kathode der Diode (4) verbunden ist und daß die Basis des Kompensationstransistors (7) über einen Widerstandszweig (8) mit dem Ausgangsanschluß (la^verbunden ist.

2. Logarithmischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationstransistor (7) einen Verstärker mit fester Vorspannung bildet.

3. Logarithmischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationstransistor (7) einen Verstärker (9) mit sich selbst einstellender Vorspannung bildet.