JPH0783228B2 - 対数増幅器 - Google Patents

対数増幅器

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JPH0783228B2
JPH0783228B2 JP3081031A JP8103191A JPH0783228B2 JP H0783228 B2 JPH0783228 B2 JP H0783228B2 JP 3081031 A JP3081031 A JP 3081031A JP 8103191 A JP8103191 A JP 8103191A JP H0783228 B2 JPH0783228 B2 JP H0783228B2
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JP
Japan
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voltage
terminal
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equation
current
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JP3081031A
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JPH04219007A (ja
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グレン・ベイトマン
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Tektronix Inc
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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06GANALOGUE COMPUTERS
    • G06G7/00Devices in which the computing operation is performed by varying electric or magnetic quantities
    • G06G7/12Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers specially adapted therefor
    • G06G7/24Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers specially adapted therefor for evaluating logarithmic or exponential functions, e.g. hyperbolic functions

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、対数増幅器、特に、入
力信号電流のレンジに適応するように利得を容易に変更
できる対数増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】対数増
幅器は、大きなダイナミック・レンジの入力信号を圧縮
して小さなダイナミック・レンジの出力信号にすること
が必要な場合に使用される。しかし、従来の対数増幅器
は、対数出力電圧を決める直線利得係数は、固定した関
数であるか、又は容易に変更不可能であるかのいずれか
であった。そこで、入力信号電流のレンジに適応し、対
数増幅器の次段の直線増幅器が大きなダイナミック・レ
ンジを必要としなくてもよいように、容易にダイナミッ
ク・レンジを変更可能な対数増幅器が必要とされる。
【0003】本発明の目的は、利得を容易に調整可能な
対数増幅器の提供にある。本発明の他の目的は、特定の
入力電流に対し、最大ダイナミック・レンジの電圧を出
力するように利得を最適化できる対数増幅器の提供にあ
る。本発明の他の目的は、100MHz以上の高周波数
で動作可能な対数増幅器の提供にある。
【0004】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明による対
数増幅器は、入力信号電流及び定常電流がアノードに供
給される第1ダイオードを有する。第1ダイオードのカ
ソードは、PNPトランジスタのエミッタに結合され
る。PNPトランジスタのコレクタは、第2ダイオード
のアノードに結合される。バイアス電流を、PNPトラ
ンジスタのエミッタに加え、且つコレクタから減じるこ
とにより、エミッタ抵抗が減少する。第2ダイオードの
カソードは、負荷抵抗を介して負の電源電圧に結合され
る。エミッタ結合したNPNトランジスタ対を有する帰
還回路は、第2ダイオードのアノード電圧をサンプル
し、PNPトランジスタのベースから電流を引き出す。
第1ダイオードのアノードの電圧は増幅され、対数出力
電圧となる。出力電圧は減衰され、PNPトランジスタ
のベースに供給される。
【0005】
【実施例】図1は、本発明の対数増幅器10を示す。第
1ダイオード11のアノードは接続点62に接続され、
入力電流源26から入力信号電流INの一部及びバイア
ス電流源24から定常電流即ちバイアス電流ISTが供給
される。第1ダイオード11に流れ込む入力信号電流の
INの一部をI1とする。ダイオード11は、図示する様
に、d1で示す理想ダイオード12及び抵抗値Rd1の寄
生抵抗素子30で構成される。PNPトランジスタ14
のエミッタ即ち第1被制御端子は、第1ダイオード11
のカソードに結合される。PNPトランジスタ14は、
図示する様に、理想トランジスタQ1及び抵抗値RTの寄
生抵抗素子32で構成される。電流値IBIASのバイアス
電流は、PNPトランジスタ14のエミッタでバイアス
電流ISTに加算される。バイアス電流源28は、PNP
トランジスタ14のコレクタ即ち第2被制御端子から同
じバイアス電流IBIASを減算する。バイアス電流IBIAS
は、PNPトランジスタ14のみを流れ、トランジスタ
のエミッタ・インピーダンスを減少させる。d2で示す
理想ダイオード16及び抵抗値Rd2の寄生抵抗素子3
4で構成される第2ダイオードのアノードは、PNPト
ランジスタ14のコレクタに結合される。第2ダイオー
ドのカソードは、抵抗値Rcの負荷抵抗である抵抗素子
36を介して5ボルトの電圧源に結合される。
【0006】帰還回路22は、第2ダイオード15のア
ノード電圧をサンプルし、この電圧を基準電圧と比較す
る。帰還回路22の出力は、PNPトランジスタ14の
ベース即ち制御端子に結合される誤差電流である。誤差
電流を発生する手段は、Q2及びQ3で示すNPNトラン
ジスタ50及び52を含む。トランジスタ50及び52
のエミッタは、R3及びR4で示すエミッタ抵抗46及び
48を介して互いに結合され、IEで示すエミッタ電流
源58に結合されて差動増幅器を形成する。NPNトラ
ンジスタ50のベース電圧が、NPNトランジスタ52
のベース電圧と等しくなければ、出力誤差電流がNPN
トランジスタ50のコレクタに生じる。NPNトランジ
スタ52のベース電圧は、、抵抗値R5のバイアス素子
即ち抵抗素子54及びd3 で示す第3ダイオードを有す
る基準電圧発生器により供給される。基準電圧発生器が
供給する電圧は、第2ダイオード15のアノード電圧の
温度変化に追従する。したがって、NPNトランジスタ
50のコレクタを流れる誤差電流は、入力電流IINによ
り決まる第2ダイオード15のアノード電圧の関数のみ
で表される。
【0007】第2電流路は、抵抗値RIの入力抵抗素子
40及び抵抗値Rfの帰還抵抗素子38を含む。入力抵
抗40及び帰還抵抗38には、電流I2が流れる。負の
利得ーRf/RIを有する演算増幅器18は、接続点62
の電圧を増幅し、接続点60に出力電圧eOUTを供給す
る。対数出力電圧eOUTは、減衰回路20により減衰さ
れ、PNPトランジスタ14のベースに供給される。減
衰回路20は、抵抗値R2の直列抵抗素子44及び抵抗
値R1の分路抵抗素子42を含む。
【0008】演算増幅器10の動作を更によく理解する
ために、次の様に電圧を定義する。即ち、e1は接続点
62の電圧、e2は理想ダイオードd1のカソード電圧、
e3は第2ダイオード15のアノード電圧、e4はPNP
トランジスタ14のベース電圧である。すでに定義され
た電圧及び電流と共に、これらの電圧は、直線的入力電
流に対する対数出力電圧を求めるために使用される。最
も重要な原理から始めると、ダイオードは次式で表され
る。
【0009】
【数1】 ここで、K=nkt/q、ISは飽和電流である。ただ
し、ダイオードをバイアスするために定常電流を使用す
ると、ダイオードの式は次の様に変更される。
【数2】 ここで、ISTは定常電流である。ISTがISより大幅に
大きければ、ダイオードの式は、次の様に簡単になる。
【数3】
【0010】次の数4及び数5は、図1の回路から明か
である。
【数4】
【数5】
【0011】次の数6及び数7は、出力電圧eOUTを減
衰させた電圧及び抵抗42及び44の並列回路を流れる
トランジスタ50のコレクタからの誤差電流により生成
される電圧の重ね合わせにより得られる。
【数6】
【数7】 ここで、Ax=R1/(R1+R2)、b=R1/(R3+R
4)である。
【0012】ダイオード15のアノードの電圧e3及び
e1の項である出力電圧eOUTは、夫々数8及び数9で表
される。
【数8】
【数9】
【0013】数8及び数9を数7に代入すると、次の式
になる。
【数10】
【数11】
【0014】数10を整理すると、次の式になる。
【数12】 αb(Rd2+Rc)=Rd1+RTであるように、RCを調
整すると、
【数13】
【数14】
【0015】RCを適切に選択することにより、寄生抵
抗素子Rd1、Rd2及びRTを無視できる。Q1に高いβ値
のトランジスタを使用すると、α値は1に近づく。αが
1に設定されると、誤差は最小になる。IS1=IS2と仮
定し、式を整理すると、
【数15】
【0016】e1を解くと、
【数16】
【数17】
【0017】これより
【数18】
【数19】
【0018】e1=ーeOUT・R1/Rfであるから
【数20】 I2=ーeOUT/Rfであり、数4に代入すると、次の式
になる。
【数21】
【0019】数21は、直線的入力電流に対する対数出
力電圧を表す最終的式である。ここで、ダイオード1
1、15及びPNPトランジスタの寄生抵抗素子が対数
利得特性に影響しないことに留意されたい。ただし、こ
の式は超越関数であり、出力電圧eOUTは、入力電流II
Nの直接的関数として記述できない。数21をグラフで
表現すると図2の様になる。図2は、入力信号電流の対
数関数として出力電圧を示すグラフである。入力電流が
約1μAより大きい場合、本発明による対数増幅器は、
グラフ上の直線で表される対数出力を生成する。電流が
1μAより小さい場合は、出力電圧は入力電流の直線関
数で表され、グラフ上で曲線で示される。対数増幅器の
利得特性の直線部分は、低レベルの入力信号電流を平均
化し、ノイズ・レベルが大きくなるにつれ、信号レベル
を確認するのに有効である。
【0020】増幅器の利得は、数21から分かるよう
に、容易に変更可能である。例えば、低入力信号電流に
対し大ダイナミック・レンジが必要であれば、次の成分
値が望ましい。 R1=150Ω R2=10KΩ Rf=300KΩ RI=1KΩ IST=1μA
【0021】他の例では、高い信号電流レベルに対し
て、最高30MHzの最大帯域幅が必要であれば、次の
成分値が望ましい。 R1=150Ω R2=∞ Rf=30KΩ RI=1KΩ IST=50μA 上のいずれの例にも望ましい他の残りの成分の値は、 IBIAS=3mA IE=6mA R3=R4=120Ω R5=47KΩ 最適な周波数性能を得るためには、ダイオード11及び
15として、ショットキー・ダイオードを使用すること
が望ましい。
【0022】適切な動作状態の下であるなら、減衰係数
Axが0に設定される他の実施例を使用してもよい。こ
れは、抵抗RI、Rf及びR2と、演算増幅器18とを除
去することにより成し得る。この実施例では、数17
は、以下の様に簡単になる。
【数22】 本発明NO対数増幅器は、本発明の要旨を逸脱することな
く、上述の好適な実施例に種々の変形、変更ができるこ
とは明かである。例えば、トランジスタの極性は、バイ
アス電圧及び電流の極性と共に変更可能である。
【0023】
【効果】以上の様に、本発明の対数増幅器の利得特性
は、入力電流のレベルに対し最適になるように容易に調
整可能である。また、抵抗素子RCを適切に選択するこ
とにより、この対数利得特性は、ダイオード及びトラン
ジスタの寄生抵抗素子の値に影響されないことがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の対数増幅器を示す回路図である。
【図2】図1の対数増幅器の入力信号電流ー出力電圧特
性を示すグラフ図である。
【符号の説明】
11 第1非直線素子 14 トランジスタ 15 第2非直線素子 18、38、40 出力手段 20 減衰回路 22 帰還回路 RC 負荷抵抗素子

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力信号電流が供給される入力端子及び
    出力端子を有する第1非直線素子と、 該第1非直線素子の出力端子に結合される第1被制御端
    子、第2被制御端子及び制御端子を有するトランジスタ
    と、 該トランジスタの第2被制御端子に結合された入力端子
    及び出力端子を有する第2非直線素子と、 一端が上記第2非直線素子の出力端子に結合され、他端
    が電源に結合された負荷抵抗素子と、 上記第2非直線素子の入力端子の電圧を基準電圧と比較
    し、これらの誤差に応じた電流を上記トランジスタの制
    御端子に供給する帰還回路と、 上記第1非直線素子の入力端子の電圧を受け、対数出力
    電圧を出力する出力手段と、 該出力手段からの対数出力電圧を分圧して、上記トラン
    ジスタの制御端子に供給する減衰回路とを具える対数増
    幅器。
JP3081031A 1990-03-19 1991-03-19 対数増幅器 Expired - Lifetime JPH0783228B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US495191 1990-03-19
US07/495,191 US5012140A (en) 1990-03-19 1990-03-19 Logarithmic amplifier with gain control

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH04219007A JPH04219007A (ja) 1992-08-10
JPH0783228B2 true JPH0783228B2 (ja) 1995-09-06

Family

ID=23967640

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP3081031A Expired - Lifetime JPH0783228B2 (ja) 1990-03-19 1991-03-19 対数増幅器

Country Status (4)

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US (1) US5012140A (ja)
EP (1) EP0447980B1 (ja)
JP (1) JPH0783228B2 (ja)
DE (1) DE69118957T2 (ja)

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DE69118957D1 (de) 1996-05-30
EP0447980B1 (en) 1996-04-24
EP0447980A3 (en) 1992-01-22
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