DE1115831B - Schaltungsanordnung zur logarithmischen Umsetzung einer elektrischen Spannung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer elektrischen Eingangsspannung, insbesondere einer Wechselspannung, in eine mit dem Signal in logarithmischer Beziehung stehende Ausgangsspannung mittels eines Gleichrichters mit exponentieller Strom-Spannungs-Kennlinie, dem ein der Eingangsspannung proportionaler Strom zugeführt wird. Bekanntlich hat ein in seiner Vorwärtsrichtung betriebener Gleichrichter, insbesondere ein Gleichrichter von der Halbleiterart, eine im wesentlichen exponentielle Strom-Spannungs-Charakteristik, so daß, wenn das Eingangssignal in Form eines Stromes durch den Gleichrichter hindurchgeführt wird, über den Gleichrichter ein Spannungsfall gemessen wird, der im wesentlichen dem Logarithmus aus diesem Strom und deshalb dem Logarithmus aus der Signalspannung im wesentlichen porportional ist.

Die Erfindung zielt insbesondere auf die Verwendung einer solchen Schaltungsanordnung im Zusammenhang mit Eingangssignalwechselspannungen ab. Hierbei stößt man aber auf die folgende Schwierigkeit: In der einen Phase der Signalwechselspannung wird der Gleichrichter in seiner Vorwärtsrichtung betrieben, und er wird deshalb eine Spannung erzeugen, die dem Logarithmus aus der Eingangssignalspannung proportional ist. In der entgegengesetzten Phase der Signalspannung aber wird der Gleichrichter in seiner Sperrichtung betrieben, und er wird deshalb einen so großen inneren Widerstand haben, daß die darüber erzeugte Spannung im wesentlichen der Eingangssignalspannung selbst entspricht.

Der Zusammenhang zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung ist in diesem Fall somit nicht weiter logarithmisch. Diese Schwierigkeit kann dadurch vermieden werden, daß die Ausgangsspannung einem Widerstand entnommen wird, der in Reihe mit einem zweiten Gleichrichter parallel zum ersten Gleichrichter geschaltet ist, wobei dann die beiden Gleichrichter während der gleichen Phase der Eingangssignalspannung leitend sind. Weil aber sowohl die zwischen die Signalspannungsquelle und den erstgenannten Gleichrichter zu schaltende Vorschaltimpedanz als auch der erwähnte Widerstand groß in bezug auf den Durchlaßwiderstand des erstgenannten Gleichrichters sein müssen, geht auf diese Weise viel Energie in der Schaltungsanordnung verloren.

Die Erfindung kommt diesem Übelstand bei und hat das Merkmal, daß der in Basisschaltung arbeitende Transistor mit einer exponentiellen Strom-Spannungs-Kennlinie für den Eingangskreis betrieben ist und daß das gewünschtenfalls geglättete Ausgangs-

Schaltungsanordnung zur logarithmischen
Umsetzung einer elektrischen Spannung

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 12. Juli 1958

Edmond de Niet, Eindhoven (Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

signal zwischen Kollektor und Basis des Transistors entnehmbar ist.

Es ist bekannt, einen Transistor in Emitterschaltung und mit Gleichspannung zu betreiben. Wesentlich für die Erfindung ist aber die Tatsache, daß keine Kollektorspeisespannung angewendet wird, wodurch sich die Kollektorelektrode auf eine Vorwärtsspannung gegenüber der Basis gleich der Emitterspannung einstellt. Weil die positive Halbwelle der Emitterspannung infolge eines Widerstandes in logarithmischer Beziehung zur Eingangsspannung steht, wird auf diese Weise die logarithmische Beziehung auf die Kollektorspannung übertragen, wobei aber der Einfluß der negativen Halbwelle der Emitterspannung auf die Kollektorspannung beseitigt wird.

Der Erfindung liegt die im übrigen an sich bekannte Erkenntnis zugrunde, daß der Kollektor eines Transistors bei fehlender Speisespannungsquelle zwischen dem Kollektor und der Basis im wesentlichen das gleiche Potential wie der Emitter des Transistors hat. Weil sich die Emitter-Basis-Strecke eines Transistors als ein Gleichrichter mit einer im wesentlichen exponentiellen Strom-Spannungs-Charakteristik verhält, wird dennoch am Kollektor ebenfalls eine Spannung erzeugt, die sich im wesentlichen logarithmisch mit der Eingangssignalspannung ändert. Der Kollektor-Basis-Kreis kann nun mit einem verhältnismäßig niedrigen Ausgangswiderstand, ζ. B. mit einem Span-

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nungsmesser von verhältnismäßig niedrigem'innerem Auch kann gewünschtem⁰alls ein Anpaßübertrager

Widerstand, belastet werden, ohne daß dies die ge- zwischengeschaltet werden. Ein weiteres Anwendungs-

wünschte logarithmische Charakteristik stark beein- gebiet besteht z.B. bei Gegentakt-Frequenzmodulaträchtigt. , -■ toren, bei denen bekanntlich die Verwendung von

Es sei noch bemerkt, daß es an sich bekannt ist, 5 logarithmischen Detektordioden zu einem Ausgangs-

eine Signalgleichspannung mittels eines Gleichrichters signal führt, das* von unerwünschten Amplituden-

in eine logarithmisch hiervon abhängige Spannung modulationen des Eingangssignals im wesentlichen

umzuwandeln, die anschließend mittels eines mit der unabhängig ist.

Signalgleichspannung selbst gespeisten Transistor- Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines solchen Frequenzverstärkers verstärkt wird. Der Transistor hat dabei io modulators. Die Eingangssignale werden nach Aneine grundsätzlich andere Funktion und ist auch nicht paßübertragung über gegenseitig etwa kritisch gespeisespannungslos geschaltet. koppelte, auf ihre zentrale Frequenz abgestimmte

Die Erfindung wird an Hand einer Zeichnung bei- Kreise 9 und 10 den Emitter-Basis-Kreisen der Transpielsweise näher erläutert. sistoren 11 und 12 zugeführt. Der Vorschaltwider-

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild nach der Erfin- 15 stand 2 von Fig. 1 ist durch eine den beiden Trandung; sistoren gemeinsame Vorschaltinduktivität 13 ersetzt.

Fig. 2 und 3 stellen zwei Abwandlungen dar, bei Das Gegentakt-Ausgangsfilter enthält neben einem

denen das Prinzip der Erfindung bei einem Frequenz- Kondensator 15, der für die Eingangssignalschwin-

detektor Anwendung findet; gungen einen Kurzschluß, aber für die Modulations-

Fig. 4 ist eine Abwandlung von Fig. 1. 20 schwingung eine hohe Impedanz bildet, noch einen

In Fig. 1 ist eine Eingangssignalquelle zur Liefe- Vorschaltwiderstand 14, der es erlaubt, mit einem

rung von elektrischen Wechselspannungen mit 1 be- verhältnismäßig klein bemessenen Kondensator 15

zeichnet. Die Quelle 1 ist über einen Widerstand 2, auszukommen.

der gegebenenfalls durch den inneren Widerstand der Bei der Abwandlung nach Fig. 3 kommen wieder Quelle 1 selbst gebildet werden kann, zwischen den 25 zwei etwa kritisch gekoppelte, auf die zentrale Emitter und die Basis eines Flächentransistors 3 ge- . Frequenz der zu modulierenden Schwingungen abgeschaltet. Der Widerstand 2 hat eine Impedanz, die stimmte Kreise 9 und 10 zur Verwendung, deren groß gegenüber dem Emitter-Basis-Eingangswider- Schwingungen den Emittern der Transistoren 11 und stand des Transistors 3 ist. Die Emitter-Basis-Strecke 12 zugeführt werden. Diese Transistoren stehen in wirkt somit als ein Gleichrichter, so daß am Emitter 30 Gleichstromverbindung mit Transistoren 21 und 22 eine Spannung erzeugt wird, die während derjenigen von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, die außer-Phase, in der diese Spannung in Vorwärtsrichtung dem als Gegentaktverstärker des demodulierten wirksam ist, praktisch in logarithmischer Beziehung Signals geschaltet sind. Die Kondensatoren 15 und 16 mit der Spannung der Quelle 1 steht. Der Kollektor dienen wieder dazu, die Eingangssignalschwingungen des Transistors 3 nimmt dann eine im wesentlichen 35 von den demodulierten Schwingungen zu entkoppeln, gleich hohe Spannung an, die mit einem verhältnis- und weiter können gewünschtenf alls, um die Linearität mäßig niederohmigen Spannungsmesser 4 gemessen des Gegentaktverstärkers 21, 22 zu verbessern, werden kann. Während der entgegengesetzten Phase Gegenkopplungswiderstände 23 und 24 zur Verwendes Eingangssignals der Quelle 1 wird der Emitter- dung kommen, die außerdem die Eingangsimpedanz Basis-Kreis des Transistors 3 gesperrt, und die Emit- 4° der Transistoren 21 und 22 herabsetzen und deshalb, terspannung entspricht also der Signalspannung. Die trotz der Gegenkopplung, kaum zu einer Verstärkungs-Kollektor-Basis-Spannung ist dann aber praktisch verringerung Veranlassung geben.
Null, so daß die logarithmische Beziehung beibehal- Es kann vorteilhaft sein, die Emitter- und Kollekten wird. torelektroden eines Transistors bei den dargestellten

Der niedrigste Wert, den man dabei praktisch dem 45 Schaltungsanordnungen umgekehrt anzuschließen, so

Widerstand des Spannungsmessers 4 geben kann, ist daß seine Kollektorelektrode als Emitter und seine

dabei in der Regel kleiner als der Widerstand 2 und Emitterelektrode als Kollektor betrieben wird. Oft

wird durch die Minimalamplitude der Eingangssignal- kann nämlich an der Kollektorelektrode eines im

Spannung bestimmt, und zwar derart, daß der dabei Handel erhältlichen Transistors eine höhere Rück-

den Widerstand 2 durchfließende Strom, der außer- 50 wärtsspannung zugelassen werden als an der Emitter-

dem fast ganz den Spannungsmesser 4 durchfließt, elektrode, so daß höhere Signalwechselspannungen,

imstande ist, hierüber annähernd einen gleich großen z. B. bis zu 30 V, zulässig sind. Weiter ist oft die

Spannungsabfall zu bewirken, wie dann zwischen dem Oberfläche der Kollektorelektrode größer als die der

Emitter und der Basis des Transistors 3 auftritt. Bei Emitterelektrode und der Kollektor-Eingangswider-

einem Widerstand 2 von 2 kß konnte man z. B. mit 55 stand einer in Vorwärtsrichtung also als Emitter be-

einem Widerstand von 680 Ω des Spannungsmessers 4 triebenen Kollektor-Basis-Grenzschicht niedriger als

auskommen. Der Bereich, über den die logarith- der der entsprechenden Emitter-Basis-Grenzschicht,

mische Beziehung gilt, ist gegebenenfalls mittels einer Fig. 4 zeigt eine derartige Schaltungsanordnung, bei

Quelle 5, die eine geringe Rückwärtsspannung z. B. der dem betreffenden Transistor 3' ein Transistor 31

von 0,1 V im Emitter-Basis-Kreis erzeugt, einstellbar. 60 vorangeschaltet ist, der die Signalspannung der Quelle 1

Auf diese Weise war ein Änderungsbereich von 50 db in einen ihr proportionalen Strom umsetzt. Dieser

der Eingangssignalspannung zulässig. Transistor 31 hat dabei einen hohen inneren Wider-

Das erzeugte Ausgangssignal kann, gegebenenfalls stand, so daß sich die Vorschaltimpedanz 2 bzw. 13 nach Verstärkung, auch einem Oszillographen züge- erübrigt. Die Speisequelle 32 betreibt die Kollektorführt werden, um Erscheinungen in Logarithmischem 65 Basis-Strecke des Transistors 31 in Rückwärtsrich-Maßstab sichtbar zu machen. Als Zwischenverstärker tung. Über der letztgenannten Kollektor-Basis-Strecke kann wieder ein Transistor wegen seiner niedrigen tritt deshalb wieder eine mit der Signalspannung der Eingangsimpedanz vorteilhaft verwendet werden. Quelle 1 in logarithmischer Beziehung stehende Span-

nung auf, die der niederohmigen Belastung 4' übertragen wird.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer elektrischen Eingangsspannung, insbesondere einer Wechselspannung, in eine zu ihr in logarithmischer Beziehung stehende Ausgangsspannung mittels der Emitter-Basis-Strecke eines Transistors, der mit einem der Eingangsspannung proportionalen Strom beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der in Basisschaltung arbeitende Transistor mit einer exponentiellen Strom-Spannungs-Kennlinie für den Eingangskreis betrieben ist und daß das gewünschtenfalls geglättete Ausgangssignal zwischen Kollektor und Basis des Transistors entnehmbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors liegende Belastung, z. B. ein Spannungsmesser, einen inneren Widerstand hat, der kleiner als die zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors liegende äußere Impedanz ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Quelle von geringer in Rückwärtsrichtung wirkender Spannung zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors liegt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre paarweise Verwendung als logarithmische Detektordioden eines Gegentakt-Frequenzdemodulators.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren in Gleichstromkaskade mit zwei Transistoren von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp stehen, die als Gegentaktverstärker geschaltet sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor- und Emitterelektroden zur Verwechslung ihrer Funktion vertauscht sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Electronic Engineering«, August 1955, S. 344 bis 346.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen