NL8400018A - Logaritmische schakeling met temperatuurcompensatie. - Google Patents

Description

* " N-0. 32207 1

Logaritmische schakeling met temperatuurcompensatie.

De uitvinding heeft betrekking op een elektrische schakeling voor het opwekken van een uitgangssignaal volgens een logaritmische functie. Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een verbeterde schakeling voor het voortbrengen van een temperatuur-oaafhankelijk lo- * 5 garitmisch uitgangssignaal.

Diverse typen analoge logaritmische schakelingen worden sedert ja-ren op industriële schaal toegepast. Daaronder vallen log-versterker-(waaraan slechts ëén variabel ingangssignaal worden toegevoerd) en log-verhouding-schakelingen (waaraan twee variabele ingangssignalen worden 10 toegevoerd). In het algemeen wordt de logaritmische functie tot stand gebracht door een paar tegengesteld geschakelde P-N-overgangen waar doorheen de respectieve stromen Ij en l£ vloeien, waarbij de verschilspanning kT/q (In 1^/¾) als het basisuitgangssignaal wordt toegepast. Aangezien het uitgangssignaal evenredig is aan de absolute 15 temperatuur, is het duidelijk dat een of andere vorm van temperatuur-compensatie voor een dergelijke schakeling moet worden toegepast, die voor deze schakeling vereist is om bij variërende temperaturen nauwkeurig te kunnen functioneren.

Er treedt een probleem op bij het vervaardigen van logaritmische 20 schakelingen met temperatuurcompensatie die geschikt zijn voor de fa-brikage in monolytische vorm, dat wil zeggen geïntegreerde schakeling-chips. Gewoonlijk wordt bij bekende schakelingen een weerstand met een grote temperatuurcoëfficiënt (TC) gebruikt om de gewenste temperatuur-compensatie te bereiken. Echter is het moeilijk om zulk een weerstand 25 monolithisch aan te brengen. Daarom wordt in het algemeen een uitwendige weerstand met een grote temperatuurcoëfficiënt toegepast. Dit is niet bevredigend omdat het produkt in moduulformaat moet worden vervaardigd in plaats van als een volledig monolithische uitvoering.

Volgens de uitvinding wordt voorzien in een logaritmische schake-30 ling (hetzij een log-versterker of log-verhoudingschakellng), waarbij de noodzaak van elke speciale component, zoals een temperatuurcompesa-tieweerstand wordt vermeden door de toepassing van een compensatiescha-keling die slechts gebaseerd is op het gedrag van de overgang.

Bij een bij voorkeur toe te passen uitvoeringsvorm van de uitvin-35 ding worden aan een paar tegengesteld geschakelde P-N-overgangen in-gangsstromen 1} en l£ toegevoerd om de logaritmische basisrelatie te bereiken, let uiteindelijke log-verhoudingsignaal wordt toegevoerd aan de compensatieschakeling die een tweede paar P-N-overgangen bevat, 8400018 ' * Ji 2 waarvan de gemeenschappelijke emitters worden gevoed door een stroombron die een stroom levert die evenredig is aan de absolute temperatuur (hierna PTAT-stroom genoemd).

De PTAT-stroom die over het tweede paar overgangen wordt verdeeld, 5 wordt gemoduleerd volgens de logaritmische verhouding (In I1/I2)> de door de temperatuur tot stand gebrachte variaties die door het eerste paar overgangen worden geïntroduceerd, worden gecompenseerd door gelijke en tegengesteld gerichte temperatuurvariaties die door de PTAT-stroombron worden ingevoerd. Een uiteindelijk uitgangssignaal wordt 10 evenredig aan de modulatiefactor van het tweede paar overgangen opgewekt en dit uitgangssignaal is onafhankelijk van de temperatuur.

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van de tekeningen. In de tekeningen toont: figuur 1 een schakelschema van een betrekkelijk eenvoudige versie 15 van de basisschakeling, die de principes van de uitvinding illustreert ; figuur 2 een gewijzigde uitvoeringsvorm waarbij een balansschakeling wordt toegepast; en figuur 3 een meer gedetailleerde voorstelling van een schakeling 20 van het in figuur 2 getoonde type.

In figuur 1 is een betrekkelijk eenvoudige versie van een logaritmische schakeling getoond, die een paar naar gelijkheid geselecteerde transistoren Qj en Q2 in gemeenschappelijke emitteschakeling bevat om tegengesteld geschakelde P-N-overgangen tot stand te brengen. De ba-25 sis van is geaard en de collector daarvan is met een ingangsklem 10 verbonden om een variabele ingangsstroom Ij te ontvangen. Deze ingangsklem is eveneens met de ingang van een inverterende versterker 12 met een hoge versterkingsfactor verbonden, waarvan het uitgangssignaal de gemeenschappelijke emitterverbinding van en Q2 bestuurd, 30 waarbij een stroom Ij door Q.j_ wordt tot stand gebracht.

De collector van Q2 ontvangt een stroom uit een bron I2 die een constante stroombron is in het geval van een log-versterkertoepas-sing, of een variabele stroom voor een log-verhoudingtoepassing. De versterker 12 levert de stroom I2 op aanvraag.· 35 De basis van Q2 is via een weerstand R met aarde en met de col lector van een transistor Q3 verbonden. De basis van Q3 is geaard en de emitter daarvan is met de emitter van een op gelijkheid met Q3 geselecteerde transistor Q4 verbonden, waarvan de collector is geaard. De gemeenschappelijke emitters van Q3 en Q4 zijn met een 40 stroombron Ij verbonden, die een PTAT-stroom levert (dat wil zeggen 8400018 * ** 3 een stroom evenredig aan de absolute temperatuur). O3 neemt een fractie van de PTAT-stroom xIT op, terwijl Q4 de resterende stroom (1-x) Ιχ opneemt.

Het blijkt, dat de collectorstroom van Q3 ook door de weerstand 5 R vloeit. De spanning aan het bovenste uiteinde van de weerstand zal dus -xLpR ten opzichte van aarde zijn. Daarom kan de ketenvergelijking vanaf de geaarde basis van worden geschreven als: M ln ii - JË. ln + xLR (1) q Is q Is 10 waarbij Is de verzadigingsstroom van de overgang is.

Teneinde de analyse louter om illustratiedoeleinden te vereenvoudigen, zal worden aangenomen dat het produkt I<jR is ingesteld op de waarde kT/q. Door substitutie in de vergelijking (1) geldt: JSiuil.Sta + (2) 15 *s * h *

Door het combineren van termen en delen door kT/q ontstaat: I, 1« ln _i - ln _ x (3) *8 *8 20 χ of x - ln — (4) I2

De modulatiefactor "x" is dus recht evenredig met de gewenste logaritmische verhouding en is vrij van temperatuureffecten. Om een daar-25 mee overeenkomend uitgangssignaal te verkrijgen, is het slechts nodig om een uitgangssignaal overeenkomstig "x" op te wekken.

Zoals in figuur 1 is geïllustreerd kan dit worden bereikt door het toepassen van een derde paar op gelijkheid geselecteerde P-N-overgangen Q5 en Qg, dat met de basis van Q4 is gekoppeld en als stroomspie-30 gelschakeling is geschakeld. Een constante stroombron Ir is met de gemeenschappelijke emitters van O5 en (¾ verbonden. Het blijkt dat de stroom door Qg gelijk is aan xIr en dus als uitgangsstroom lout dient· 0® een daarmee overeenkomende uitgangsspanning op te wekken kan de collector van Qg met een inverterende versterker 20 met 35 een hoge versterkingsfactor worden toegepast, die voorzien is van een terugkoppelweerstand Rg. Voor de uitgangsspanning zal dan gelden: I, E * I R ln _i (5) OUT R s 19 40 1 8400018 •o 4

Het is dus duidelijk dat de uitgangsspanning onafhankelijk van de temperatuur is en wordt opgewekt zonder dat speciale componenten, zoals weerstanden met een grote temperatuurcoëfficiënt nodig zijn. Als gevolg hiervan kan zulk een schakeling gemakkelijk volledig in monolithische 5 vorm worden uitgevoerd.

Bij de toepassing als logaritmische versterker, waarbij I2 vast is, is de foutspanning in het knooppunt N niet erg belangrijk, aangezien voor dit knooppunt een stroomsturing kan worden toegepast; de lage basisstromen van Q4 en Q5 kunnen verwaarloosbaar klein zijn. Ιχ 10 kan gemakkelijk worden opgewekt door een Eg0-schakeling, bijvoorbeeld van het algemene type dat in figuur 2 van het Amerikaanse oc-trooischrift 3.940.760 is gexllustreeerd. Opgemerkt wordt dat indien en Ιχ nagenoeg gelijk zijn, voor de schakeling zelfs niet een goede logaritmische overeenkomst van Q3 tot Qg vereist is, aange-15 zien hun ohmsche afwijkingen gelijk zijn.

Teneinde een goede virtuele aarde in het knooppunt N tot stand te brengen om bijvoorbeeld een zeer nauwkeurige logaritmische verhoudings-schakeling te verkrijgen, kan een niet-inverterende versterker met een lage versterkingsfactor in het schakelingspunt A van figuur 1 worden 20 opgenomen. Figuur 2 toont een andere schakeling, waarbij het knooppunt N voor !]_ - I2 nabij aardpotentiaal ligt. Analyse van deze balansschakeling is ongecompliceerd en toont aan dat: (2x-l) = ln —i (6) I2 25 2

Bij wijze van voorbeeld toont figuur 3 op welke wijze de details van een praktische schakeling die op figuur 2 is gebaseerd, zou kunnen worden uitgevoerd. De werking van de schakeling is in de meeste aspecten ongecompliceerd. Q7 en Qg hebben een dubbele functie, doordat 30 deze de basisstromen van de transistoren Q4 tot en met Qg reduceren en enige ruimte voor de collectoren van de vier transistoren leveren.

Ιχ en Ir worden op betrekkelijk hoge waarden ingesteld. Hierdoor wordt gewaarborgd dat de weerstand R voldoende klein kan zijn, zodat basisstroomfouten van Qj^ bij hoge waarden van het signaalbereik een 35 verwaarloosbare afwijking in het uitgangssignaal veroorzaken.

Met verwijzing naar figuur 2 zal het duidelijk zijn dat een eindige stroomversterking β van de "kera"-transistoren Qi en Q2 een nadelig effect tot gevolg zal hebben. Hoewel de basisstromen van en Q2 de spanning over de weerstanden R niet zullen veranderen 40 (aangezien deze door de toegepaste terugkoppeling steeds wordt bepaald 8400018 •if im 5 op een waarde Vt In (Ι]./ΐ2))> wijzigen deze stromen meer in het bij zonder de waarde van de modulatie-index x die nodig is om deze spanning op te bouwen en introduceren dus een afwijking in het uiteindelijke uitgangssignaal. Figuur 4 toont een aanvullende variant 5 van het kerngedeelte van figuur 2, waarmee het genoemde probleem op de volgende wijze wordt vermeden. Qj4 wskt een basisstroom op die gelijk is aan de som van de basisstromen van Qj en Q£· Q}2 eu Qj3 vormen een emitter-gekoppeld paar en maken deze stroom op dezelfde wijze als Qj en Q£ evenredig aan de totale emitterstroom 10 Ij + l£· Als gevolg van de kruislingse verbindingen en onder de veronderstelling dat de basisstroom-foutfactor S (s 1/0) klein is, is de collectorstroom van Qj2 nagenoeg gelijk aan de basisstroom van Q2· Eveneens is de collectorstroom van (^3 nagenoeg gelijk aan de baisstroom van Qj. De basisstroom door elke weerstand is dus δ (Ij 15 + I2) en de netto differentiële fout is nul.

Hoewel verscheidene bij voorkeur toe te passen uitvoeringsvormen van de uitvinding in bijzonderheden zijn beschreven, is het duidelijk dat binnen het kader van de uitvinding diverse varianten mogelijk zijn.

84 0 0 0 1 8

Claims (18)

1· Logaritmische schakeling voor het opwekken van een uitgangssignaal dat evenredig is aan de logaritme van een ingangssignaal en vrij is van temperatuurvariaties, gekenmerkt door: 5 een ingangsketen die reageert op het ingangssignaal en middelen bevat voor het opwekken van een eerste signaal dat evenredig is aan het produkt van (1) de logaritme van het ingangssignaal en (2) de absolute temperatuur; een schakeling die een PTAT-bron bevat, die een tweede signaal le- 10 vert en met de ingangsketen is gekoppeld, welke schakeling voorts middelen bevat voor het moduleren van de grootte van het tweede signaal volgens de logaritme, terwijl van de bij de temperatuur behorende factoren van de twee signalen worden geëlimineerd; en een uitgangsketen voor het opwekken van een uitgangssignaal dat 15 overeenkomt met de modulatie van het tweede signaal.

2. Schakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de ingangsketen differentiaalmiddelen bevat, die reageren op het ingangssignaal en op een referentiesignaal om het eerste signaal evenredig aan de logaritme van de verhouding tussen het ingangssignaal en het referen- 20 tiesignaal op te wekken.

3. Schakeling volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de differentiaalmiddelen eerste en tweede transistoren in gemeenschappelijke emitterschakeling bevatten en dat de ingangs- en referentiesignalen stromen omvatten die door de respectieve transistoren vloeien.

4. Schakeling volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de modula- tieschakeling weerstanden bevat die met de basis van de tweede transistor zijn verbonden en dat een koppelketen aanwezig is die de PTAT-bron met de weerstanden verbindt om een PTAT-stroom daar doorheen tot stand te brengen.

5. Schakeling volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de koppel keten bestaat uit derde en vierde transistoren in gemeensachappelijke emitterschakeling, dat de weerstanden zijn aangesloten tussen de collector en basis van de derde transistor en dat de PTAT-bron met de emitters van de derde en vierde transistoren is verbonden.

6. Schakeling volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de basis van de eerste transistor op een referentiepotentiaal is aangesloten, dat de basis van de tweede transistor met de collector van de derde transistor is verbonden en dat de basis van de derde transistor op een referentiepotentiaal is aangesloten,

7. Schakeling volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de basis 8400018 ..7. van de eerste transistor op een referentiepotentiaal is aangesloten, dat de modulatieketen een weerstand omvat, die tussen de basis van de tweede transistor en een referentiepotentiaal is aangesloten en dat de PTAT-bron met de weerstand is verbonden om een PTAT-stroom daar door-5 heen te laten vloeien, teneinde het tweede signaal op te wekken.

8. Schakeling volgens conclusie 7, gekenmerkt door een versterker met een grote versterkiagsfactor, waarvan de uitgang met de gemeenschappelijke emitters van de eerste en tweede transistoren is verbonden en waarvan de ingang is aangesloten op de collector van de eerste tran- 10 sistor, waarbij de ingang van de versterker ook is verbonden met de in-gangsklem die de ingangsstroom opneemt en door de eerste transistor dwingt.

9. Schakeling volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het refe-rentiesignaal wordt gevormd door een stroombron die met de collector 15 van de tweede transistor is verbonden.

10. Schakeling volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de modu-latieschakeling voorts derde en vierde transistoren in gemeenschappelijke emitterschakeling omvat, dat de derde transistor met de weerstand is gekoppeld om de stroom daarvan op te nemen en dat de modulatiescha- 20 keling de stroom uit de PTAT-bron verdeelt tussen de derde en vierde transistoren, waarbij het deel van de stroom door de derde transistor als modulatièfactor dient, die afhankelijk is van de verhouding van de stromen.

11. Schakeling volgens conclusie 10, gekenmerkt door vijfde en 25 zesde transistoren in gemeenschappelijke emitterschakeling, waarbij de vijfde en zesde transistoren met de derde en vierde transistoren zijn verbonden, de uitgangsketen middelen bevat voor het nabootsen van een stroommodulatie in de zesde transistor, die overeenkomt met die van de derde transistor, en waarbij de uitgagsketen voorts middelen bevat die 30 reageren op de stroom door de zesde transistor om een uitgangssignaal op te wekken.

12. Gebalanceerde logaritmische verhoudingschakeling, gekenmerkt door; een eerste paar op gelijkheid geselecteerde transistoren in ge- 35 meenschappelijke emitterschakeling, waarbij de collectoren van de genoemde transistoren zijn verbonden met respectieve ingangsklemmen voor het opnemen van ingangsstromen; een versterker waarvan de ingang met een van de ingangsklemmen en waarvan de uitgang met de gemeenschappelijke emitters zijn gekoppeld, 40 een paar weerstanden die elk aan een uiteinde met een bijbehorende 8400018 * r 'C basis van het genoemde paar transistoren is verbonden, waarbij de andere uiteinden van de weerstanden gemeenschappelijk zijn verbonden met een referentiepotentiaal, een tweede paar op gelijkheid geselecteerde transistoren waarvan 5 de collectoren respectievelijk zijn verbonden met de bases van het eerste paar transistoren en waarvan de emitters onderling zijn verbonden; een PTAT-stroombron die met het tweede paar emitters is verbonden om daar doorheen en door de respectieve weerstanden een stroom op te wekken die gemoduleerd is volgens de logaritme van de verhouding van de 10 ingangsstromen; en een uitgangsketen om een uitgangssignaal volgens de modulatie van de PTAT-stroom op te wekken.

13. Schakeling volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de uitgangsketen bestaat uit een derde paar transistoren die op gelijkheid 15 met het tweede paar zijn geselecteerd, dat de emitters van het derde paar gemeenschappelijk met een constante stroombron zijn verbonden, dat het derde paar transistoren met het tweede paar is verbonden om de stroom door het derde paar te moduleren volgens de modulatie van de stroom door het tweede paar; 20 een uitgangsketen die middelen bevat die reageren op de stroom door een van de transistoren van het derde paar.

14. Schakeling volgens conclusie 13, gekenmerkt door een stroom-spiegelschakeling die met de collectoren van het derde paar transistoren is verbonden en dat de uitgangsketen met de collector van een van 25 het derde paar transistoren is verbonden.

15. Werkwijze voor het opwekken van een temperatuur-onafhankelijk signaal dat overeenkomt met de logaritme van een ingangssignaal, gekenmerkt door: het opwekken van een eerste signaal dat het produkt van (1) de lo-30 garitme van het ingangssignaal en (2) de absolute temperatuur voorstelt; het opwekken van een tweede signaal uit een PTAT-stroombron; het combineren van de eerste en tweede signalen; het instellen van de grootte van het tweede signaal om de tempera-35 tuurafhankelijke factoren van de twee signalen te elimineren; het moduleren van de grootte van het tweede signaal volgens de logaritme van de verhouding tussen het ingangssignaal en een referentie-signaal; en het opwekken van een uitgangssignaal volgens de modulatie van het 40 tweede signaal. 8400018 ’* jf '

16. Schakeling volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat het eerste signaal wordt opgewekt door een paar tegengesteld geschakelde P-N-overgangen, door een waarvan een eerste stroom vloeit, die overeenkomt met het ingangssignaal en door de andere waarvan een tweede stroom 5 vloeit.

17. Schakeling volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat de modulatie van het tweede signaal wordt uitgevoerd door een tweede paar tegengesteld geschakelde F-N-overgangen.

18. Schakeling volgens conclusie 12, gekenmerkt door middelen voor 10 het vermijden van de effecten van een eindige β in het eerste paar transistoren en omvattende: een derde paar emitter-gekoppelde transistoren, waarvan de collectoren respectievelijk zijn verbonden met de basis van het eerste paar transistoren, waarbij de collector van elke transistor van het derde 15 paar is verbonden met de basis van de andere transistor van het paar; en een extra transistor waarvan de collector met de emitters van het eerste paar transistoren is verbonden en waarvan de basis met de emitter van de transistor van het derde paar is verbonden. ********* 8400018