JPS6336163B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般的には非直線増幅器、特に繰返
し入力信号振幅を対数関数で増幅する対数増幅装
置に関する。

対数増幅器の如き非直線増幅器は、特に通信分
野や特定の測定機器において広く使用されてい
る。スペクトル解析器、サンプリング・オシロス
コープ、タイム・ドメイン・レフレクトメータ
（TDR）は電気的又は光学的信号伝送線などの電
気的又は光学的特性の測定に用いられるが、これ
らは非直線増幅器を用いる主要製品である。

従来の非直線増幅装置においては、入力信号は
最初に非直線（例えば対数）伝達関数を有する回
路で処理される。後段増幅器のダイナミツク・レ
ンジには制限があるので、大振幅入力信号は入力
回路の対数伝達特性により順次圧縮して増幅装置
全体の見掛けのダイナミツク・レンジを増加す
る。

ダイナミツク・レンジは、微少信号レベルを増
幅する直線前置増幅器を用いて更に増加しうる。
しかし、かかる前置増幅器は大信号レベルを受け
入れることができず、そのため全体のダイナミツ
ク・レンジは制限される。

したがつて、本発明の目的は、ダイナミツク・
レンジが改善された増幅器を提供するにある。

本発明の他の目的は、使用ダイナミツク・レン
ジ内に増幅器入力雑音レベル以下の入力信号が含
まれる非直線増幅器を提供するにある。

本発明の更に他の目的は、互いに反対の利得―
信号レベル特性を有する２つの非直線増幅器を縦
続接続した対数増幅器を提供するにある。

これらの本発明の目的、利点、構成及び動作
は、以下の説明及び図面より理解されるであろ
う。

第１図は、本発明による非直線増幅器全体を示
す簡略ブロツク図である。本発明増幅器は、第１
非直線増幅段１０、信号サンプリング回路１２及
び第２非直線増幅段１４を有する。第１増幅段１
０は、入力端子１６より供給される繰返し入力信
号電流を第２図に示す非直線的な利得―信号レベ
ル特性で増幅する。すなわち、第１増幅段１０
は、入力雑音レベルX_oを含むX^*より下の信号レ
ベル範囲内で直線的な利得―信号レベル特性を呈
する。しかし、増幅器１０は、X^*以上の信号レ
ベル範囲では対数的な利得―信号レベル特性を呈
する。第２図においては、水平軸は対数目盛りの
入力信号レベルを表わし、垂直軸は直線目盛りの
出力信号を表わす。また、Y₁ ^*及びY_1naxは、信
号X^*及びX_naxに対応する第１増幅段１０の出力
を示す。信号サンプリング回路１２は、繰返し入
力信号をクロツク端子２０へ加えられるサンプリ
ング指令クロツクの制御の下でサンプリングす
る。サンプリング・クロツクは、繰返し入力信号
の次々の異なる部分をサンプリングするか又は入
力信号の同一部分における複数のサンプルをサン
プリングし波して次の隣接部に送るように発生
する。第２増幅段１４は、低入力信号レベルでは
対数的利得特性を示すが、高入力信号レベルでは
直線的利得特性を示す。合成出力信号は、出力端
子１８より取出される。

第１及び第２増幅段１０及び１４の対数的利得
特性と直線的利得特性間の移行点は、出力端子１
８における総合増幅出力が第３図に示すように所
要の非直線的すなわち完全に対数的な利得特性を
呈するように、互いに一致しなければならない。
入力雑音は通常ランダムすなわちホワイト雑音で
あるから、サンプリング回路１２の平滑作用によ
りかかる雑音は効果的に消去される。これによ
り、雑音に埋れた信号成分が検出され、増幅器全
体の使用ダイナミツク・レンジが増幅入力雑音レ
ベルより下の入力信号まで含むように改善され
る。すなわち、低信号レベルにおける第１増幅段
１０の利得特性が線形であるので、アベレージン
グ作用により雑音中の信号が正確且つ容易に排除
できる。

次に、第１増幅段１０の１例をそれぞれ第４図
及び第５図を参照して説明する。第４図は、第１
増幅段１０の入力増幅器部１０ａを示す。同図に
示すように、高入力インピーダンス非反転増幅器
２２が信号源３８からの入力信号電流を増幅する
のに使用される。シヨツトキー障壁ダイオード２
４が増幅器２２の入力端とアース間に接続され、
その両端に対数電圧が生じる。コンデンサ３２、
ダイオード２８，３０及び抵抗３４，３６を有す
る正帰還ループが増幅器２２に接続される。

静止状態では、ダイオード２４は電流源２６か
らの小電流により順バイアスされ、ダイオード２
８，３０も電圧源V₁，V₂を調整することにより
順バイアスされる。電流源２６は、ダイオード２
４のインピーダンスを決定する。ダイオード２
８，３０には、熱平衡のために等しい電流を流
す。正帰還は、低信号レベルでの増幅器２２の入
力キヤパシタンスを減少させるために用いられ、
これにより増幅器２２の帯域幅を維持する。入力
信号が一定値例えば50dBを越えると、増幅器の
帯域はダイオード２４のインピーダンスで決ま
り、非直線動作中、帰還路のダイオード２８は非
導通となり増幅器の不安定性を避ける。その結
果、増幅器全体は低入力レベルでは直線的に、し
かし高入力レベルでは対数的に動作する。

第５図は、第１増幅器１０全体の１例を示すブ
ロツク図である。上述のような非直線動作をする
入力増幅器部１０ａの出力は、リミツタ回路４６
に入力される。リミツタ回路４６は約50dB以下
のレベルに振幅制限をし、これら低レベル信号電
流のみを次の増幅器４８に送ると共に位相反転し
た電圧出力を生じる。増幅器４８は、増幅器１０
ａと同様に或るレベル以上で非直線動作をするも
のである。リミツタ回路４６の電圧出力は、増幅
器１０ａ及び４８の出力と共に加算器５０に入力
される。遅延線４３及び５２は、各回路からの信
号の伝搬遅延時間を一致させるためのものであ
る。加算器５０においてリミツタ回路４６の電圧
出力が減算される結果、出力端子４０から得られ
る出力信号は、主に増幅器４８より供給される入
力信号の低レベル範囲のものと、主に増幅器１０
ａより供給される高レベル範囲のものと、３つの
回路１０ａ，４６及び４８の出力の合成による中
間レベルのものとを含むものとなる。こうして、
所望の円滑な対数利得特性を得ることができる。

第６図は、本発明による非直線増幅装置の好適
な１実施例を示す詳細ブロツク図である。第１増
幅段１０は、第１増幅器部５４、リミツタ増幅器
部５６、第２増幅器部５８、加算増幅器６０及び
ドリフト補正増幅器６２を有する。予定の入力信
号レベル例えば50dBで直線から対数伝達関数に
円滑に移行させるため、第１増幅器部５４に
50dBの上と下でそれぞれ直線及び対数伝達関数
をもたせ、リミツタ５６は50dB以下の入力信号
レベルのみを第２増幅器部５８に送り、そこで本
実施例では例えば35dBの上と下の入力レベルを
それぞれ直線的及び対数的に増幅させる。この直
線から対数増幅への転換レベルは任意であつて、
必要とするダイナミツク・レンジに応じて変更し
うる。第１増幅器部５４、リミツタ５６及び第２
増幅器部５８からの出力は、加算増幅器６０によ
り合成される。伝送線６６及び６８は、例えば
2.5ns及び1.25nsの遅延時間をもつ同軸ケーブル
であつて、これらの入力信号の伝播遅延時間を整
合した後に合成するために使用される。加算増幅
器６０は入力段に共通ベス・トランジスタを含ん
でもよく、その場合、抵抗６７，６９は遅延線６
６，６８をその特性インピーダンスで終端するの
に用いられる。後記のように、制御回路７０は、
ゼロ・レベル補正スイツチ６４を制御するパルス
を含め各種のパルスを発生する。かかるパルスは
各サンプリング動作に先立つて発生され、この補
正パルスにより増幅装置のゼロ・レベルを確立す
る補正信号を第１増幅器部５４に加える。したが
つて、第１増幅段１０は、円滑な直線及び対数伝
達関数をその全ダイナミツク・レンジに亘つて示
す。

信号サンプリング回路１２は、ダイオード・ブ
リツジ７２、記憶コンデンサ７４及び緩衝増幅器
７６を有する従来設計のものでよい。ダイオー
ド・ブリツジ７２は、制御回路７０からのサンプ
リング指令パルスの制御の下に瞬時信号レベルを
抽出するため繰返し導通する。第２増幅段１４か
らの帰還信号は、DCオフセツトを排除するため
にサンプリング回路１２に従来のサンプリング・
ゲートと同様に印加される。すなわち、第２増幅
段１４の出力はサンプリング・ゲート８０によつ
て周期的にサンプリングされ、記憶コンデンサ８
１に記憶されたサンプルはサンプリング回路１２
に緩衝増幅器７８を介して帰還される。

第２増幅段１４は、本実施例では、入力及び帰
還抵抗８３，８５を有する反転増幅器８２、リミ
ツタ８４、増幅器８６、入力及び帰還抵抗８７，
８９を有する加算増幅器８８、電流源９３、対数
増幅器９０（ダイオード９１，９２を含む。）及
び加算増幅器９４（抵抗９５，９６，９７を含
む。）を有する。

演算増幅器８２は、抵抗８３，８５と共にサン
プリング回路１２の出力信号を例えば４の利得で
直線的に増幅する。その出力は、例えば35dB以
下の信号レベルで直線的に動作するリミツタ８４
に供給される。リミツタ８４の一方の出力は補正
増幅器８６の出力と加算増幅器８８で加えられ、
他方の出力は、増幅器９０で対数的に増幅され加
算増幅器９４により加算増幅器８８の出力と合成
される。ダイオード９１，９２は、増幅器９０を
対数伝達関数とする。リミツタ８４は入力端子１
６における入力信号レベルが35dBに達すると飽
和するので、35dB以上の信号レベルでは、対数
増幅器９０及び加算増幅器８８には何の信号も供
給されない。しかし、増幅器８６はかかる信号レ
ベル以上でも直線増幅し続ける。

第７Ａ，７Ｂ及び７Ｃ図は、第１増幅段１０の
実用例を示す回路図である。第１回路部５４は、
例えば７の差動電圧利得を有する単一信号源３８
駆動型の平衡差動帰還増幅器である。１対の
DMOS（２重拡散金属酸化物半導体）FET１０
０，１０２は、高入力インピーダンスと低雑音を
得るために用いる。FET１００，１０２はpnpト
ランジスタ１１８，１２０を駆動し、これらのト
ランジスタは抵抗１１３，１１５の和と１１７
（又は１１３，１１５の和と１１９）の抵抗比に
よつて決まる電圧利得を有する。トランジスタ１
１８，１２０のコレクタ出力は、出力エミツタ・
フオロア・トランジスタ１２２，１２４のベース
に加えられる。トランジスタ１２２，１２４は、
後で詳細に述べるリミツタ部５６への入力を供給
する。可変抵抗１３０は、加算増幅器６０への入
力レベルを決定するが、リミツタ５６への入力は
不変である。僅かに抵抗値の異なる抵抗１２３，
１２５を、トランジスタ１２２，１２４のエミツ
タ間に結合している。かかる抵抗１２３，１２５
の接続点の電圧は、演算増幅器１２６の非反転入
力へ印加される。トランジスタ１２２のエミツタ
電圧は、FET１００の入力端すなわちゲートに
ダイオード１１４及びコンデンサ１１２を介して
送られる。コンデンサ１１２及びダイオード１１
４の接続点は、ダイオード１１６を経て増幅器１
２６の出力端へ接続される。FET１００及び１
０２のゲートは、それぞれシヨツトキー障壁ダイ
オード１０４，１０６及び抵抗の直列結合を介し
て接地される。順バイアス電流が各ダイオード１
０４，１０６に高抵抗１０８，１１０を経て供給
され、後述の温度補償電圧源V_TCと共に電流源を
構成する。

所望の対数特性がシヨツトキー障壁ダイオード
１０４の使用によつて得られ、同様なダイオード
１０６がダイオード１０４の直流オフセツトの補
正に使用される。ダイオード１０４，１０６は、
所望低順方向電流例えば1.37μAにバイアスされ
る。ダイオード１０４を流れる電流が増加するに
つれて、ダイオード１０４の両端電圧は直線から
対数特性に変化する。コンデンサ１１２及びダイ
オード１１４を介しての正帰還は、低入力レベル
における入力静電容量を減少し広周波数帯域を維
持するために使用している。しかし、ほぼ10μA
以上の大入力レベルでは、ダイオード１０４のイ
ンピーダンスが充分低くなり広帯域増幅するので
上記の正帰還はダイオード１１４を逆バイアスし
て遮断する。これにより、対数モードにおける増
幅器の不安定性を防止する。演算増幅器１２６及
びダイオード１１６を有する回路は、静止状態に
おいてダイオード１１４，１１６を流れる電流を
ほぼ等しく維持するのに使用される。

リミツタ部５６は、縦続接続２段差動トランジ
スタ１３２，１３４，１３８及び１４０並びに電
流源１３６，１４１及び抵抗１３３，１３５，１
４１，１４２を含む関連回路部品より成る。電流
源１３６及び抵抗１３３，１３５は、50dB以下
の入力信号レベルのみリミツタ５６を通過するよ
うに選択する。換言すると、入力信号がこのレベ
ルの達した時、トランジスタ１３２はオフとなり
リミツタ増幅器５６を飽和させる。しかし、この
レベル以下の信号レベルは直線的に伝達される。

後述のように、トランジスタ１２４及び１４０
のコレクタ出力は、端子１６０，１６１から遅延
時間補正のため適当な伝送線を経て第７Ｃ図の加
算増幅器６０に供給され加算される。これら２つ
のコレクタ電流は互いに逆極性であるため、リミ
ツタ５６の一部が第１増幅器部５４の出力から減
算され、一方の対数増幅器より他方の直線増幅器
への移行が円滑に行なわれる。50dB以下では、
トランジスタ１２４のコレクタからの出力は下記
の第２増幅器５８の出力に比して無視しうる。

第７Ｂ図により、第２増幅器部５８の実用例を
説明する。リミツタ５６のトランジスタ１３８の
コレクタ電流は、増幅器５８に端子１４５を介し
て供給される。この増幅器は、構成が第１増幅器
部５４と類似し同様な動作をする。よつて、同様
な素子には同様の参照番号を用い、差異について
のみ述べることにする。

FET１００′，１０２′及びトランジスタ１１
８′，１２０′，１２２′及び１２４′を有する増幅
器は、第１増幅部５４におけるものと全く同じで
ある。ただし、非直線帰還手段すなわちダイオー
ド１１４が帰還コンデンサ１１２′と直列に挿入
されていない点及び入力信号電流源３８′がFET
１０２′のゲートに接続される点が異なる。リミ
ツタ部５６におけるトランジスタ１３８のコレク
タ電流と電流源１４２（第７Ｂ図の信号電流源３
８′）との差電流は、第２増幅器部５８へ供給さ
れてダイオード１０６′を駆動する。FET１０
０′のゲート及びアース間に接続されたダイオー
ド１０４′は、抵抗１０８′及び温度補償電圧V_TC
により例えば10μAにバイアスされる。温度補償
電圧V_TCは、２演算増幅器１５２，１５６、抵抗
１５３，１５５，１５７，１５８及び分圧器１５
４を有する温度補償回路１５０より供給される。
同様に、ダイオード１０６′は抵抗１１０′を介し
てバイアスされる。トランジスタ１２４′のコレ
クタ出力は、第７Ｃ図の加算増幅器６０に供給さ
れる。第７Ｂ図には示さないが第６図に示すよう
に、対数増幅器ゼロ・パルスが周期的にサンプリ
ング・ゲート６４に加えられ、ダイオード１０
６′両端に得られるサンプル電圧は比較器６２に
よりダイオード１０４′両端の電圧と比較される。
比較器６２の出力電圧は抵抗を経て第１増幅器部
５４のトランジスタ１２０のベースに送られ、増
幅装置のゼロ出力レベルが確立される。

温度補償は、次のようして行なわれる。１対の
整合したダイオード１０４′及び１０４″を用いて
ダイオード１０４″両端電圧により温度変化を検
出し、その検出電圧は増幅器１５２，１５６によ
り増幅され温度補償電圧V_TCを生じる。ダイオー
ド１０６′及び１０４′のバイアス電流は、温度変
化の影響を相殺するよう自動的に制御される。

第７Ｃ図に、３部５４，５６及び５８からの出
力を合成する加算増幅器６０が示される。加算増
幅器６０は、第１増幅器部５４、リミツタ５６及
び第２増幅器部５８の出力信号を受ける共通エミ
ツタ入力段トランジスタ１６３，１６４，１６
５、エミツタがそれぞれ電流源１７４，１７５に
接続され可変抵抗を介してFET１６９と関連抵
抗回路網１７０，１７１，１７２に結合された差
動増幅器１６６，１６７、出力共通ベース・トラ
ンジスタ１７６、及びFET１６９ゲート電圧制
御用温度補償回路１７７を有する。温度補償回路
１７７は、温度補償電圧V_TCに応答する演算増幅
器、エミツタがそれぞれ抵抗１８９，１９０を介
して負電圧に接続された整合したトランジスタ対
１７９，１８０、FET１６９と厳密に整合した
FET１８１、及び関連抵抗回路網１８２，１８
３，１８４，１８５を有する。

次に、動作を説明する。差動トランジスタ対１
６６，１６７はベースに加えられた信号をFET
１６９及び抵抗１７０，１７１の合成抵抗値によ
つて決まる一定の利得で増幅する。第２増幅器部
５８の出力は第１増幅器部５４の出力信号と逆極
性であるので、これらは加算増幅器６０において
増幅され出力端子４０に第１及び第２増幅器部５
４及び５８の和からリミツタ５６の出力信号を減
じた出力信号を生じる。

抵抗１７０，１７１，１８３，１８４は等しい
抵抗値を有し、抵抗１７２，１８５もそうであ
る。温度補償回路１７７は、演算増幅器１７８の
両入力端子が同一電圧であるため、FET１８１
のチヤンネル抵抗がV_TCに追従するように動作す
る。トランジスタ１７９のコレクタ電流はトラン
ジスタ１９０によつて正確に再生され、FETの
１６９のチヤンネル抵抗は正確にFET１８１と
同一となるよう調整される。これにより、加算増
幅器６０の利得は対数ダイオード１０６′，１０
４の温度による利得変化を補償し、増幅器全体の
利得は温度変化に無関係に一定に保持される。

第８図は、第２増幅段１４の実用例を示す回路
図である。この回路は、第６図の回路と構成が実
質的に同じである。説明を容易にするため、同様
の参照番号を同様の素子に付してある。

演算増幅器８２及び抵抗８３，８５を含む直線
増幅器は、電圧利得が４の反転増幅器でもよい。
この増幅器の出力信号は、差動増幅器８４のリミ
ツタを駆動する。増幅器８４は、エミツタが電流
源２０８にそれぞれ抵抗２０４，２０６を介して
接続された１対のトランジスタ２００，２０２を
有する。

リミツタ増幅器８４は、小信号に対して直線増
幅器として動作する。しかし、トランジスタ２０
０は、入力信号レベルが一定レベル例えば35dB
に達すると、オフに転ずる。このリミツタ・レベ
ルは、抵抗２０４，２０６及び電流源２０８から
の電流レベルによつて決まる。トランジスタ２０
２のコレクタ電流の一部は、増幅器８６の出力信
号に加算される。

リミツタ８４からの低信号は、演算増幅器９０
及び非直線帰還素子９２′を有する対数増幅器に
よつて対数変換を受ける。帰還素子９２′は、整
合した１対のダイオードａ，ｂを有する。一方は
帰還素子として、他方は対数増幅器の温度補償に
用いられる。ダイオード９２′ｂ、抵抗２１２，
２１４，２１９及び分圧器２１６は、電圧分割器
を形成して増幅器９０の非反転入力端子への温度
補償されたバイアス電圧を得る。対数増幅器は、
ダイオード９１を介して供給される信号電流を増
幅する。対数出力は、端子２２０からサンプリン
グ段１２へ帰還されると共に加算増幅器９４にも
供給されてリミツタ８４及び増幅器８６からの出
力と加算される。対数増幅器の総合利得は、帰還
抵抗９７を変えて調整することができる。

１対のトランジスタ２２２，２２４、エミツタ
結合抵抗２２６，２２８及び帰還抵抗２３２を有
する増幅器８６は、例えば85dBより大きい大入
力信号を圧縮するのに使用される。この回路の主
要目的は、対数伝達関数を改善するにある。この
回路は、抵抗２３２と共に並列に接続された例え
ば20kΩの等価抵抗を形成し、20kΩの帰還抵抗８
９を用いるとき増幅器８８の利得を１とする。
85dB以上の信号では、トランジスタ２２２はオ
フに転じ上記等価抵抗を増加させて上記利得を減
少させる。トランジスタ２０２のコレクタ出力
は、圧縮出力と加算されて１つの対数増幅器から
他の増幅器への直線的移行の円滑性を改善する。

上述の説明から明らかな如く、本発明の非直線
増幅器によれば、前置増幅器として動作する第１
増幅段は雑音レベルを含む低レベル範囲について
のみ直線動作をし、高レベル範囲は非直線動作を
するので、ダイナミツク・レンジが拡大される。
更に、サンプリング手段を第１及び第２増幅段間
に挿入して反復的に又は繰返し入力される波形の
実質的に同じ部分を多数回サンプリングすること
により、ランダム・ノイズを消去してノイズ・レ
ベル内に埋もれている信号成分を効果的に取出す
ことができる。したがつて、本発明は、光フアイ
バーケーブル又は伝送線に繰返しパルスを入力し
て反射パルスを検出することにより、その伝送特
性ないし故障等を測定検出する光学又は電気的測
定機器の非直線増幅器として極めて有用である。

以上、本発明の１実施例についてのみ説明した
が、本発明の要旨を逸脱することなく種々の変形
をしうることは当業者にとつて容易に理解される
であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を示す簡略ブロツク図、
第２及び第３図は第１増幅段及び増幅器全体の利
得特性曲線図、第４図は第１図の第１増幅段の入
力増幅器部を示す略式回路図、第５図は上記第１
増幅段全体の１例を示すブロツク図、第６図は本
発明による非直線増幅器の実施例を示す詳細ブロ
ツク図、第７Ａ、第７Ｂ及び第７Ｃ図は第１非直
線増幅段の実用例を示す回路図、第８図は第２非
直線増幅段の実用例を示す回路図である。 １０…第１増幅段、１２…サンプリング回路、
１４…第２増幅段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反復的な入力信号を雑音レベルを含む低入力
   信号レベルでは直線的に、高入力信号レベルでは
   非直線的に増幅する第１増幅段と、 この第１増幅段の出力信号をサンプリングして
   上記入力信号に含まれる雑音を低減するサンプリ
   ング回路と、 このサンプリング回路の出力を入力とし、低入
   力信号レベルでは非直線的に、高入力信号レベル
   では直線的に増幅する第２の増幅段とを具えた非
   直線増幅器。