JP2000504900A - 温度補償された対数検出器 - Google Patents
温度補償された対数検出器Info
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Abstract
(57)【要約】
バイアストランジスタの面積比に従って生成される絶対温度に比例する(PTAT)電圧を用いてバイアスされる温度補償された対数検出器が開示される。本発明の一つの実現したものに従うと、温度補償された対数検出器は、バイアス回路(12)および対数検出器セル(14)を含む。バイアス回路は、入力信号を受けて、この入力信号からPTATバイアス電圧を生成する。PTATバイアス電圧のPTAT特性は、面積比によって生成される。対数検出器セルは、対数伝達関数に従って、入力信号を対数出力信号に狭域上にわたって変換する。
Description
【発明の詳細な説明】
温度補償された対数検出器関連出願に対する相互参照
本願は、1995年12月29日、発明者としてBrentR.JensenおよびJamesW.H.Marsh
名義で提出された米国特許出願第08/581,033号の一部継続出願であり、本願の譲
受人に譲渡され、米国特許出願は参照することによって本書に採り入られる。発明の背景
1.発明の分野
本発明は、対数回路に関し、より詳細には対数検出器(logarithmic detector
)または対数増幅器に関する。
2.関連技術の説明
対数検出器または対数増幅器は、大きなダイナミックレンジの信号に遭う場合
において特に有用である。このため、対数検出器または対数増幅器は、例えば広
範囲なアナログ入力データの圧縮、および指数関数的出力を有するトランスコン
ダクタンスの線形化を必要とする用途において役立つ。対数検出器または対数増
幅器の対数伝達関数の精度および安定性は重要であって、温度およびプロセスの
変動の両方に影響を受けないようにすべきである。対数伝達関数のバイアス点が
温度変化に敏感でないことが特に重要である。
近年、特別な設計技術が開発されて、対数検出器または対数増幅器の対数伝達
関数が温度およびプロセスの変動に独立しているようなった。図1は、従来の温
度補償された全波(full-wave)検出器2の一例のブロック図である。全波検出
器2は、入力電圧(VIN)を受けて、対数出力電流ILOG+、ILOG-を生成する。
全波検出器2には、第1および第2のエミッタホロワと全波対数検出器セルとが
含まれる。第1のエミッタホロワには、トランジスタQa、抵抗器R、および電
流源Iaが含まれ、抵抗器Rの両端の第1のバイアス電圧を生成するように作動
する。第2のエミッタホロワには、トランジスタQb、抵抗器R、および電流源
Ibが含まれ、抵抗器Rの両端の第2のバイアス電圧を生成するように作動する
。第1および第2のバイアス電圧は同一であり、なぜなら、トランジスタQa及
び
Qbが同一であり、両抵抗器Rが同一であり、電流源Ia及びIbが同一である
からである。第1及び第2のバイアス電圧はまた、絶対温度と比例していて(P
TAT)、なぜなら、電流源Ia及びIbがPTATに成されているからである
。結果として生じるPTATバイアス電圧Vr[Vr=Ia,b(R)]は、次に
全波対数検出器セルに供給される。全波対数検出器セルには、同一のトランジス
タQc、Qd、Qe、Qfをはじめ、同一の電流源Ic及びIdが含まれる。ト
ランジスタQc及びQdは第1のトランジスタ対を形成し、トランジスタQe及
びQfは第2のトランジスタ対を形成する。バイアス電圧は、第1及び第2のト
ランジスタ対を作り上げるトランジスタのベースの両端に現れる。対数出力電流
ILOG+は、トランジスタQd及びQfの共通に接続されたコレクタから得られる
ものとして示され、また対数出力電流IL0G-は、トランジスタQc及びQeの共
通に接続されたコレクタから得られるものとしてて示される。図1に図示されて
いるような従来の温度補償された全波検出器は、例えば、米国特許第4,990
,803号に記載されている。
しかしながら、これらの特別な設計技術は、低電力回路の設計に対しては不利
であり、なぜなら、対数検出器セルのトランジスタをバイアスするために使用さ
れる抵抗器の製作するために必要とされる大きなダイ領域が相対的に大きいから
である。結果として、ダイ領域が、製作された回路の主要なコスト要素であるか
ら、製造コストが増加される。また、低電流による作動をすると、これらの大き
な値の抵抗器は高周波の性能を劣化させる。高周波の性能を改善するために補正
が成されることができるけれど、このような補正は追加のダイ領域を必要とする
。このため、最小の量のダイ領域を持ち、温度補償および高周波の作動を妨げな
ることなく、そして最少の電力消費を使用して、対数検出器セルのトランジスタ
をバイアスするための必要性がある。発明の要約
一般的に言うと、本発明は、バイアス(biasing)トランジスタの面積比に従
って生成された絶対温度に比例する(PTAT)電圧を用いてバイアスされる対
数検出器に関する。本発明は、数々の方法で実現されることができる。本発明の
いくつかを実現したものが、以下に詳述される。
本発明の実施に従う温度補償された対数検出器には、バイアス回路部分(circ
uitry)および対数検出器セルが含まれる。バイアス回路部分は入力信号を受け
て、PTATバイアス電圧を生成する。バイアス電圧のPTAT特性は、1より
大きい面積比を用いて生成される。対数検出器セルは、入力信号を対数伝達関数
に従って対数出力信号に変換する。対数検出器セルは、半波検出器セルまたは全
波検出器セルのいずれかとして設計されることができる。
本発明の別の実施に従う温度補償された検出器は、差動入力電圧を受ける入力
端子を含み、この入力端子は第1の極性側および第2の極性側を有し、第1の面
積を有する第1トランジスタを含み、第1のトランジスタは第2の極性側に接続
されたベース、第1のポテンシャルに接続されたコレクタ、及びエミッタを有し
、第2の面積を有する第2トランジスタを含み、第2のトランジスタは第1の極
性側に接続されたベース、第1のポテンシャルに接続されたコレクタ、及びエミ
ッタを有し、第1のトランジスタのエミッタと第2のポテンシャルとの間に接続
された第1の電流源を含み、第2のトランジスタのエミッタと第2のポテンシャ
ルとの間に接続された第2の電流源を含み、第2のトランジスタのエミッタに接
続されたベース、コレクタ、エミッタを有する第3トランジスタを含み、第1の
トランジスタのエミッタに接続されたベース、コレクタ、および第3トランジス
タのエミッタに接続されたエミッタを有する第4トランジスタを含み、第3及び
第4のトランジスタに共通に接続されたエミッタと第2のポテンシャルとの間に
接続された第5の電流源を含み、対数信号を出力するための出力端子を含み、出
力端子は第3及び第4のトランジスタの少なくとも一方のコレクタに接続されて
いる。
第1及び第2の電流源は実質的に同一であり、第3のトランジスタは第3の面
積を有し、第4のトランジスタは第3の面積と異なる第4の面積を有することが
好ましい。同様に、バイアス電圧は、第3及び第4のトランジスタのエミッタ間
に、第3の面積の第4の面積に対する面積比に従って生成され、かつ第1及び第
2のトランジスタのエミッタ間に第1の面積の第2の面積に対する面積比に従っ
て生成されることが好ましい。加えて、対数検出器は、第1及び第3のトランジ
スタのエミッタの両端に、または差動入力電圧の両端に接続された差動入力を有
する差動増幅器を含むことができる。
少なくともバイアス回路部分および対数検出器セルを有する対数検出器を温度
補償するための方法として、本発明を実施したものは、トランジスタのベースー
エミッタ電圧間の差を用いて対数検出器セルのバイアスするためのバイアス電圧
を生成する操作、対数検出器セル内の一定の(certain)トランジスタをバイア
ス電圧に従っバイアスする操作、対数変換するために入力信号を受ける操作、バ
イアス回路部分と対数検出器セルを用いて入力信号を対数出力信号に対数的に変
換する操作、を含む。バイアス電圧は、ベース−エミッタ電圧のPTAT特性に
よって絶対温度に比例する(PTAT)。
本発明は有用であり、なぜなら、より小さいダイ領域が低電流において作動す
る対数検出器を製作するために必要とされるからであり、主として、対数検出器
セルのトランジスタをバイアスするために従来必要とされていた抵抗値(ダイ領
域の相対的に大きな量をとる)がもはや必要がないからである。結果として、製
造費用が低減され、なぜなら、より少ないダイ領域が必要とされるからである。
また、異なる面積比の使用すると、複雑なバイアス回路部分がなくても、非常に
高精度のPTAT電圧が、本来的に提供される。従って、本発明に従うと、対数
検出器セルのトランジスタは、最小限のダイ領域を用いてバイアスされることが
でき、それでも、温度補償および高周波の作動が妨げられることない。本発明は
また、電池駆動式といった低電力の設計のために本発明を好適にする最小限の電
力を使用することができる。
本発明の利点および他の局面は、本発明の原則を例示として図示する添付図面
と関連して、以下の詳細な記述から明らかにされよう。図面の簡単な説明
本発明は、添付図面と関連した以下の詳細な説明により容易に理解されよう。
図面において、同様な参照番号は同じ構成要素を指示する。
図1は、従来の温度補償された全波検出器の例示的な概略図である。
図2Aは、本発明の第1の実施態様に従う温度補償された対数検出器のブロッ
ク図である。
図2Bは、本発明の第2の実施態様に従う温度補償された対数検出器のブロッ
ク図である。
図3は、本発明に従う温度補償された全波検出器の概略図である。
図4は、本発明に従う利得増幅器を有する温度補償された全波検出器の概略図
である。
図5は、全波検出器セルを用いた6段の対数増幅器・リミッタのブロック図で
ある。
図6は、本発明に従う温度補償された半波検出器の概略図である。
図7〜図10は、本発明に従う全波検出器の特定モデルの特性を示すプロット
図である。発明の詳細な説明
本発明の実施態様は、図2A〜図10を参照して以下に議論される。しかしな
がら、当業者は、本発明がこれらの限定された実施の形態を越えて広がるので、
図面に関連してここに与えられた詳細な記述は、典型的な例示目的のためである
ことを容易に理解するであろう。
図2Aは、本発明の第1の実施の形態に従う温度補償された対数検出器10の
ブロック図である。対数検出器10は、バッファ(緩衝増幅器)およびバイアス
発生器12、並びに対数検出器セル14を含む。対数検出器セル14は、単一の
差動トランジスタ対を含む半波検出器セル、または2対の差動トランジスタ対を
含む全波検出器セルのいずれかであり得る。バッフア及びバイアス発生器12は
、入力電圧を緩衝増幅し(buffer、バッファし)、また対数検出器10内の差動
トランジスタ対(pair(s))をバイアスするためのバイアス電圧を生成するよう
に作動する。バイアス電圧は、検出器セル14を作り上げるトランジスタの固有
の温度依存性を相殺する(cancel)ためにPTATであるように設計される。故
に、対数検出器10のバイアス状態は、温度変動に本質的に影響を受けない。
図2Bは、本発明の第2の実施の形態に従う温度補償された対数検出器16の
ブロック図である。対数検出器16は、バッファ及びバイアス発生器12をはじ
め、第1の実施の形態と同じ対数検出器セル14を含む。加えて、対数検出器1
6には、利得増幅器18が含まれる。利得増幅器18は、入力電圧を増幅するよ
うに作動する。利得増幅器18は、好ましくは差動増幅器から形成され、また同
様にバッファ及びバイアス発生器12によってバイアスされる。加えて、利得増
幅器18は、また温度補償された増幅のためにPTAT電流源を使用する。した
がって、利得増幅器18は、温度変化にもかかわらず一定の利得を用いて入力電
圧を増幅する。本発明の第2の実施の形態は、例えば、図5に示すような縦続接
続された(cascaded)検出器段から構築される広範なダイナミックレンジの高速
な対数増幅器の設計に使用される。
図3は、本発明に従う温度補償された全波検出器20の概略図である。図3に
図示された全波検出器20は、本発明の第1の実施の形態(図2A)に従う全波
検出器10の例示的な詳細図である。
全波検出器20は、入力電圧(VIN)を受けて、対数電流(IR)を出力する
。この全波検出器20は、第1及び第2のバイポーラトランジスタ22、24(
Q1およびQ2)を含む。第1及び第2のバイポーラトランジスタ22、24(
Q1およびQ2)のベースは、入力電圧(VIN)の負側に結合され、コレクタは
VCCに結合され、エミッタは電流源26及び28(11及び12)を介してそ
れぞれ接地(GND)に結合される。全波検出器20は、また、第3及び第4の
バイポーラトランジスタ30、32(Q3およびQ4)を含む。第3及び第4の
バイポーラトランジスタ30、32(Q3およびQ4)のベースは、入力電圧(
VIN)の正側に結合され、コレクタはVCCに結合され、エミッタは電流源34
及び36(13及び14)を介してそれぞれ接地(GND)に結合される。トラ
ンジスタ22,24,30および32は、電流源26,28,34および36と
ともに、図2A及び図2Bのバッファ及びバイアス発生器12に関連づけされて
いる。トランジスタ22,24,30および32の各々は、その対応する電流源
26,28,34および36とともに、エミッタホロワを形成する。
全波検出器20は、第5及び第6のトランジスタ38、40(Q5及びQ6)
と、第7及び第8のトランジスタ42、44(Q7及びQ8)とを含む。第5及
び第6のトランジスタ38、40(Q5及びQ6)は、入力電圧(VIN)の正の
入力遷移を調整し(rectify)、また第7及び第8のトランジスタ42、44(
Q7及びQ8)は、入力電圧(VIN)の負の入力遷移を調整する(rectify)。
第5及び第6のトランジスタ38、40(Q5及びQ6)は、第1のトランジス
タ対
を形成し、第7及び第8のトランジスタ42、44(Q7及びQ8)は、第2の
トランジスタ対を形成する。第5トランジスタ38(Q5)のベースは、第4の
トランジスタ32(Q4)のエミッタに結合される。第6のトランジスタ40(
Q6)のベースは、第1のトランジスタ22(Q1)のエミッタに結合される。
第5及び第6のトランジスタ38、40(Q5及びQ6)のエミッタは、一緒に
接続されている。第7のトランジスタ42(Q7)のベースは、第2のトランジ
スタ24(Q2)のエミッタに結合される。第8のトランジスタ44(Q8)の
ベースは、第3のトランジスタ30(Q3)のエミッタに結合される。第7及び
第8トランジスタ42、44(Q7及びQ8)のエミッタは、一緒に接続される
。第6のトランジスタ40(Q6)及び第8トランジスタ44(Q8)のコレク
タは、一緒に接続され、かつVCCにも接続される。第5のトランジスタ(Q5
)38および第7のトランジスタ(Q7)42のコレクタは、一緒に接続される
。全波検出器20、対数電流(IR)、の出力は、第5及び第7のトランジスタ
(Q5及びQ7)38、42の共通に接続されたコレクタから得ることができる
。トランジスタ38,40,42および44、ならびに電流源46および48は
、図2Aおよび2Bの対数検出器セル14に関連付けられている。
PTATバイアス電圧を設けるための従来技術の取り組みは、PTAT電流源
を用いて抵抗器の両端に電圧を発生することである。例えば、図1および米国特
許第4,990,803号を参照されたい。対照的に、従来行われたようにPT
ATバイアス電圧を提供するために抵抗器を使用する代わりに、本発明に従う全
波検出器20は、全波検出器20(少なくともバッファおよびバイアス発生器1
2に対応する部分)内のトランジスタに関する相対的な面積を改変し、PTAT
バイアス電圧を提供する。相対的な面積比によって結果として得られるPTAT
電圧は、以下に詳述されるように、全波検出器20をバイアスすることが温度に
依存しないことを引き起こす。
温度補償された検出器セル14として適切に作動するためには、トランジスタ
Q5〜Q8は、差動トランジスタ対Q5及びQ6とQ7及びQ8との間のコレク
タ電流の比率が、VIN=0のときに利用可能な全電流の固定分数のままであるよ
うにバイアスされなければならない。利用可能な全電流は、Ik(電流源15及
び16)である。したがって、差動トランジスタ対Q5、Q6に対して、全電流
Ikの第1の部分(IC5)は、トランジスタQ5を通って流れ、全電流Ikの
第2の部分(IC6)は、トランジスタQ6を通って流れる。第1の部分及び第
2の部分の総和が、全電流Ikになる。これらの割合は、典型的には、10:1
〜30:1に設定され、これは検出器の出力電流の適切な範囲を提供する。
VIN=0の場合、差動トランジスタ対のQ5及びQ6とQ7及びQ8とを通る
電流を温度に対して一定比率であるように設定することは、最も重要なことであ
る。コレクタ電流の比率を一定に保つためには、検出器セル14のトランジスタ
Q5〜Q8のためのバイアス電圧が、バイポーラトランジスタQ5〜Q8の固有
の温度依存性を相殺するために、絶対温度に比例して(PTAT)いなければな
らない。差動トランジスタ対間、Q5及びQ6、Q7及びQ8、のコレクタ電流
の比率は、以下に示される式1によって数学的に表わされる。
IC6/IC5=IC8/IC7=Mexp(Vp/Vt)(VIN=0)(式1)
ここで、Vpはトランジスタ対、Q5及びQ6、Q7及びQ8のバイアス電圧で
あり、IC5,IC6,IC7,およびIC8は、それぞれのトランジスタQ5
,Q6,Q7,Q8を通してのコレクタ電流であり、Vtは熱電圧である。熱電
圧Vt=KT/qであり、ここでKはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは電子
の素電荷、Mはトランジスタ対Q5及びQ6と、Q7及びQ8の面積比である。
このため、コレクタ電流の比率は、温度とともに変化する指数関数である。例え
ば、仮にバイアス電流に対して10:1の比率が望ましいとすると、その時、適
当なバイアス電圧は、M=1であれば室温(300K)において60mVであり
、またはM=3であれば、適当なバイアス電圧は、室温(300K)において3
1.3mVとなろう。
それゆえに、温度にわたって固定されたバイアス電流の比率を維持するために
は、バイアス電圧(Vp)が絶対温度に比例する(PTAT)ように成される。
本発明は、エミッタホロア間の面積比を用いてPTATバイアス電圧を生成する
新規な取り組み法を提供する。面積比それ自体は、本質的にPTATであるバイ
アス電圧に至る。
図3に関して、特に、面積比が議論される。トランジスタQ1,Q2,Q3,
およびQ4は、各々、全波検出器20においてエミッタホロアとして接続され、
入力電圧(VIN)を緩衝増幅する(buffer)ように作動する。トランジスタQ1
,Q2,Q3,およびQ4は、それぞれに電流源I1,I2,I3,およびI4
によってバイアスされ、これらの電流源は、各々等量の電流Ipを供給する。ト
ランジスタQ1およびQ2はN:1の相対面積比を有すること、トランジスタQ
3およびQ4はN:1の相対面積比を有すること、に留意することは重要である
。Nの値は、対数全波検出器の特定のアプリケーションに従って変わる。典型的
には、このN値は2〜5の間であるように選択される。N値は、通常、整数であ
るが、非整数値であることもできる。例えば、N=3であれば、トランジスタQ
1の面積は、トランジスタQ2の面積の3倍の大きさであり、結果的に、トラン
ジスタQ1を通るコレクタ電流密度は、トランジスタQ2を通るコレクタ電流密
度より3倍低い。N=3とすると、並列に接続されたトランジスタQ2の3個分
の大きさのトランジスタからトランジスタQ1を形成することによって、トラン
ジスタQ2の3倍の面積を有するトランジスタQ1を容易に得ることができ、そ
れによって卓越したトランジスタの整合性が与えられる。
一般に、Vbe=VtIn[IC/(A(Is))]であり、Aはトランジス
タの面積を表わす。したがって、本発明に従うと、エミッタホロワによって生成
されるバイアス電圧Vpは、以下の式2によって表示され、
Vp=Vbe2−Vbe1
=VtIn[Ip/Is]−VtIn[Ip/(N(Is))]
Vp=ΔVbe=VtIn(N) (式2)
ここで、ΔVbeは、ベース電圧−エミッタ電圧の差を示す。図3に関して、ベ
ース−エミッタ電圧は、トランジスタ22および24(Q1およびQ2)のエミ
ッタ、またはトランジスタ30および32(Q3およびQ4)のエミッタ、から
由来する。式2に示されるように、バイアス電圧Vpは、熱電圧Vtに比例して
いて、この熱電圧Vtは絶対温度に比例している(PTAT)。したがって、エ
ミッタホロアによって発生されるバイアス電圧Vpは、対数全波検出器20の差
動トランジスタ対、Q5およびQ6、Q7およびQ8を温度補償するために必要
であるように、絶対温度に比例している(PTAT)。バイアス電圧Vpは、電
流源I1〜I4によって供給されるバイアス電流Ipには影響を受けない。
VIN=0であるとき、PTATバイアス電圧Vpは、Q1、Q4とのエミッタ
の間、およびQ3、Q2とのエミッタ間に現れる。これらのバイアス電圧は、対
数検出器14を形成するために相補性交差結合式でトランジスタQ5〜Q8をバ
イアスするように使用される。重要なこととして、トランジスタQ5およびQ6
が1:Mの相対面積比を有すること、また、トランジスタQ7およびQ8が1:
Mの相対面積比を有することが留意すべきことがある。これらの差動対Q5,Q
6,およびQ7,Q8は、それぞれ電流源15および16によってバイアスされ
、各々は電流Ikを供給する。正確な対数動作のために、電流源15および16
によって供給される電流Ikは、温度に関して一定であるべきである。Mの値は
、対数検出器の特定のアプリケーションと共に変わる。典型的には、M値は、2
〜5の間であるように選択される。例えば、M=3であると、トランジスタQ6
の面積は、トランジスタQ5の面積の3倍の大きさになる。M値は、通常は、ト
ランジスタの整合性を単純化するため整数であるが、整数値でなくてもよい。
VIN=0であって、エミッタホロアによって供給されるPTAT電圧Vpを差
動トランジスタの対、Q5,Q6,およびQ7,Q8の両端に課した状態である
とき、(ベース電流は無視し)全波対数検出器20によって生成される対数電流
(IR)は、以下の式3によって表現される。
IR=IC5+IC7 (式3)
Ik=IC5+IC6およびIk=IC7+IC8という関係とともに式1を
用いると、以下の式4は、式3から導出されることができる。
IR=2(Ik)/(Mexp(Vp/Vt)+1) (式4)
式2を式4に代入して単純にすると、
IR=2(Ik)/(MN+1) (VIN=0の場合) (式5)
が与えられる。
このように、本発明に従うと、(同等の電流源を用いてバイアスされる面積の
等しくないトランジスタから導出される)PTATバイアス電圧Vpは、全波対
数検出器セル14の温度依存性のバイアスを補償する。式5は、対数全波検出器
20からの結果として生じるゼロ入力バイアス電流出力(IR)は、温度に影響
受けないことを示す。本発明は、また、回路の設計者にアプリケーションに依存
するM値とN値の選択に際して多大の柔軟性を与える。バイアス比率が正確に1
0:1であるので、典型的には、N=M=3が好適な選択である。M、N値が大
きいと、より大きな電流比率を生じるが、しかし、トランジスタQ5およびQ7
が極めて小さい電流によりバイアスされるので、高速動作は不利を被る。
より一般的には、解析にVINが含まれると、対数全波検出器20から出力され
生じる対数電流(IR)は、式6によって以下に与えられるが、最初は以下のよ
うに導出される。
図3に示されるように全波検出器20から2つのループ方程式が書き表される
。これらの2つのループ方程式は、どのように対数出力電流が入力電圧VINに関
連しているかを決定するために役立つ。
第1のループ方程式は
VIN=Vbe4+Vbe5−Vbe6−Vbe1
上記は、Vbe=VtIn(IC/Is)と仮定すると、以下のように書き表
される。
VIN=VtIn(Ip/Is)+VtIn(IC5/Is)
−VtIn(IC6/Is)−VtIn(Ip/Is)
それから、
VIN/Vt=In(N)+In(MIC5/IC6)
上記は以下のように書き直すことができる。
VIN/Vt=In(NMIC5/IC6)
ベータ利得を無視する一方でIk=IC5+IC6に注目し、また上式のIC
5に関する式を解くと、以下の式
IC5=Ik/(1+MN exp(−VIN/Vt))
になる。
第2のループ方程式は、以下の式
VIN=Vbe3+Vbe8−Vbe7−Vbe2
になる。
Ik=IC7+IC8であるので、IC7に関して上記の式を解くと以下の式
IC7=Ik/(1+MNexp(VIN/Vt)
になる。
それから、IR=IC5+IC7であるので、IRは、以下に続く式6によっ
て表わされる。
IR(Vin)=Ik/(1+MNexp(−VIN/Vt)
+Ik/(1+MNexp(VIN/Vt) (式6)
式6の第1項は、VINが負の場合、生じた対数電流(IR)を支配すること、そ
して式6の第2項は、VINが正の場合、生じる対数電流(IR)を支配すること
に留意されたい。また、熱電圧Vt依存性があるためVINがゼロでない場合、生
じた対数電流(IR)は温度の関数である、ことに留意されたい。生じる対数電
流(IR)の温度依存性によって、検出動作後に補償されることができ、対数電
流(IR)の水平方向のシフトが引き起こされる。
VIN>Vtと仮定することによって、MNexp(VIN/Vt)項は1より
遥かに大きく、MNexp(−VIN/Vt)項はゼロに近くなり、このため、式
6は、
のように簡素化されて、VIN>Vt(すなわち、正の入力極性)の場合に正しい
。同様に、VIN<−Vtの場合、式6は、
のように簡素化される。
式6a、6bは、Vtの大きさ(magnitude)よりも大きい入力電圧について
全波検出器20が入力信号(VIN)の対数に比例する電流(IR)を出力するこ
とを示す。この全波検出器20が正及び負の両方の入力極性を検出することが、
検出器20が全波対数検出器20として記述されることの理由である。
図4は、本発明に従う温度補償された全波検出器50の概略図である。図4に
示す全波検出器50は、本発明の第2の実施態様(図2b)に従う対数検出器1
6の例示的な概略図である。
全波検出器50には、利得増幅器だけでなく、図3に示す全波検出器20の全
回路も包含される。利得増幅器には、差動トランジスタ対52及び54(Q9及
びQ10)、負荷抵抗56及び58(R1及びR2)、並びにPTAT電流源6
0(17)が含まれる。トランジスタ52及び54(Q9及びQ10)は、より
大きな領域(N)(すなわち、トランジスタQ1及びQ3)を有するエミッタホ
ロアによって好適に駆動され、寄生ベース抵抗によって発生される入力関連雑音
を低減する(大型トランジスタにすると、より小さなベース抵抗になり、このた
めより少なな熱雑音になる)。
全波検出器50の利得増幅器は、入力電圧VINを線形的に増幅し出力電圧VOU T
を生成する。1つの全波検出器セルは、その出力において、大体2ないし1の
入力電圧の範囲にわたり入力電力(すなわちVIN 2に比例する入力電力)の関数
としてほぼ一定の傾斜を有する。したがって、検出器セルからの対数電流(IR
)の出力は、約1オクターブの範囲にわたって対数的に直線である。このため、
対数−直線のダイナミックレンジを広げるためには、増幅器16を持ついくつか
の全波検出器をいっしよに縦続(カスケード)接続することができる。このよう
な場合に、前段の出力電圧が次段の入力電圧であり、いくつかの検出器セルの対
数電流(IR)の出力が一緒に総和される。このような設計にすると、広ダイナ
ミックレンジ、高速の受信信号強度指示器(RSSI)の機能を含む高利得、広
帯域の制限増幅器になる。RSSI出力電圧は、入力電力に関して直線的である
。1段当たりの利得は、通常、10〜16dBあたりに設定されている。低利得
は、RSSI直線性に対して最良であり(低リップル)、また、高利得が、RS
SI出力電圧におけるリップルエラーの増大を犠牲にして低雑音のために選択さ
れる。
図5は、6段の全波検出器セルを用いた縦続接続された対数増幅器/リミッタ
61のブロック図である。対数増幅器/リミッタ61は、逐次検出方式を使用し
広ダイナミックレンジ電力検出器(RSSI)とともに高利得増幅器/リミッタ
を提供する。第1の段62は、入力電圧VINを受けて、出力電圧および対数出力
電流(IR1)を出力する。第2の段64は、第1の段62からの出力電圧を受
けて、出力電圧および対数出力電流(IR2)を出力する。第3の段66は、第
2の段64からの出力電圧を受けて、出力電圧および対数出力電流(IR3)を
出力す
る。第4の段68は、第3の段66からの出力電圧を受けて、出力電圧および対
数出力電流(IR4)を出力する。第5の段70は、第4の段68からの出力電
圧を受けて、出力電圧および対数出力電流(IR5)を出力する。第6の段72
は、第5の段70からの出力電圧を受けて、出力電圧および対数出力電流(IR6
)を出力する。第6の段72の出力電圧は、第6の段の対数増幅器・リミッタ
61の出力電圧(VOUT)である。対数出力電流IRI〜IR6は、ノード74
において抵抗器76に総和され、合成(combined)対数電流IRTOTALを提供す
る。合成対数電流IRTOTALは、その後に、キャパシタ78によつて濾過される
(filtered)。次いで、合成対数電流は、ログ(LOG)電流補償回路80によっ
て調整され、出力電流IRTOTALにおける温度に起因する水平方向のシフトを補
償する。これ故、ログ電流補償回路80は、式6において予測された温度依存性
を補償する。このような温度補償は、PTAT電流をノード74に総和すること
によって実行される。PTAT温度補償された電流は、次いで増幅器82によっ
て倍率変更され(scaled)最終出力電流IOUT(またはVOUT)を生成して、それ
によって、この最終出力電流IOUT(またはVOUT)の切片(intercept)がログ
−線形のダイナミックレンジにわたって温度に関して一定に保たれることを確実
にする。また、直流オフセット補正回路84は、オフセット補正ループの実施態
様に設けられている。このようなオフセット補正は、入力オフセットが適切な直
流バイアス状態に悪影響することを防止するために、直流結合の高利得設計にお
いて、しばしば要求される。
検出器(RSSI)の傾きの精度は、上述の温度に影響受けないバイアス方式
によって、かつ定電流源Ikが温度にわたってどの程度の正確に維持されるかに
よって設定される。RSSI出力特性は、(単位dB、線形の)受けた入力電力
に関して線形に変化して、単一の集積回路上において80dBもの高ダイナミッ
クレンジをおおうように設計されることができる。極めて高周波の操作に関して
は、有限なパッケージ分離の都合のため、実際のダイナミックレンジが、約40
〜50dBに制限されなければならない。
したがって、本発明は、全波検出器セルを簡単かつ効率的な方法でバイアスす
ことを可能にする。このバイアスは、同類の(similar)トランジスタの面積比
が
等しくないことを用いてPTATバイアス電圧を発生させることによって達成さ
れる。これによる利点は、従来技術では低電流の場合に高い値の抵抗体を必要と
するのに対して、エミッタホロアが全波検出器トランジスタを直接に駆動するの
で、高周波の性能を劣化させないで低電流が使用されることができるということ
である。しかしながら、従来技術で必要とした大きな値の抵抗は、高周波の性能
を劣化させる。従来技術の高周波性能は、抵抗器の両端の分流路にハイパス・バ
イパス・キャパシタを追加することによって改善されることができるが、しかし
、チップ領域の追加という代償を伴う。
図6は、本発明に従う温度補償された半波検出器86の概略図である。半波検
出器86の設計は、図3に示す全波検出器20の設計に類似している。相違は、
入力信号の半分のみを調整する(rectify)半波検出器86では必要とされない
、全波検出器20内の回路構成部分に関連する。この相違を除いて、半波検出器
86の動作は、全波検出器20の動作と同じである。バイアス電圧Vpは、PT
ATであって、上述した本発明に従う適切な面積比によって発生される。
図7〜図10は、本発明に従う全波検出器の特定モデルの特性のプロット図で
ある。このプロットは、標準型ガメル・プーン(Gummel−Poon)バイ
ポーラ・トランジスタモデルを採り入れたSPICEシミュレータを用いて作成
した。
図7は、温度25℃において種々のM,N値について、入力電圧(VIN)の振
幅に対する規格化された出力電流(IR)のプロット図である。図7は、種々の
M,N値について、全波対数検出器の入力電圧に対する正負の極性出力応答を示
す。
図8は、対数目盛上にM=N=3を用いて入力電圧(VIN)および温度に対す
る規格化された出力電流(IR)のプロットである。図8は、式6にて予測した
ように、規格化出力電流IRにおける水平方向のシフトを温度の関数として示す
。5mV未満(プロット上においては5m)の入力電圧(VIN)に対しては、式
5によって予測されるように、バイアス点は正確に温度に無関係であることに留
意されたい。
図9は、温度25℃において種々のM,N値について、対数目盛上にプロット
された入力電圧(VIN)の振幅に対する規格化された出力電流(IR)のプロッ
トである。図9は、全波対数検出器が対数−線形である線形領域と、種々のM,
N値についてこの領域に生じる規格化出力電流(IR)の全範囲(span)と、を
示す。
図10は、温度25℃において種々のM,N値について、入力電力(VIN 2に
比例する入力電力)に対する規格化された出力電流(IR)のプロットである。
図10は、全波対数検出器がdBにおいて線形である線形入力電力範囲と、種々
のM,N値についてこの範囲にわたって生じる規格化出力電流(IR)の全範囲
と、を示す。この入力電力は、50オーム基準のdBmの単位である。
上述の実施態様においては、対数出力電流(IL0G)は、対数検出器セル内の
あるトランジスタのコレクタから取り入れられる。図3において、対数出力電流
(IL0G)は、トランジスタQ5およびQ7の共通接続コレクタから得られる。
これとは別に、対数出力電流(IL0G’)を、トランジスタQ6およびQ8の共
通接続されたコレクタから取ることができるでしよう。なおも他の代替は、対数
出力電流(IL0G)と(IL0G’)の双方を使用することである。
上述の実施態様においてバッファおよびバイアス発生器12(例えば、図3の
N:1)に面積比(第1の面積比)が使用され、かつ対数検出器セル14(例え
ば図3のM:1)に面積比(第2の面積比)が使用されるけれど、第1の面積比
が1に等しくでき、または、第2の面積比が1に等しくできるが、しかし、対数
検出に有用であるその回路については、第1および第2の面積比の両方は1に等
しくできないことを理解されたい。また、N=M=3またはN=9およびM=1
のとき、対数検出器の同じ基本動作は生じるが、しかしながら、後者の場合に、
検出器の高速性能が不利になる(suffer)ことに留意すべきである。
本発明の多くの特徴と有利な点は、これまでに書かれた記述から明らかであり
、それ故、本発明のこのような特徴や利点を対象に含めるように添付のクレーム
によって意図されている。さらに、数多くの修正と変更が当業者によって容易に
行われるので、図示され記述されるような正確な構成および動作に本発明を限定
することは望ましくない。したがって、本発明の範囲内に収まるようにすべての
適切な修正ないし同等物を頼る(resorted)ことがある。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.入力信号を受けて、該入力信号からPTATバイアス電圧を生成するための バイアス回路部分を備え、該PTATバイアス電圧のPTAT特性は、第1の面 積比を用いて生成され、 前記バイアス回路に動作するように接続され、対数伝達関数に従って該入力信 号を対数出力信号に変換するための対数検出器セルを備える、 温度補償された対数検出器。 2.該第1の面積比は前記バイアス回路内に存する、請求項1に記載の温度補償 された対数検出器。 3.該第1面積比は前記対数検出器セル内に存する、請求項1に記載の温度補償 された対数検出器。 4.前記対数検出器セルは半波検出器セルである、請求項1に記載の温度補償さ れた対数検出器。 5.前記対数検出器セルは全波検出器セルである、請求項1に記載の温度補償形 対数検出器。 6.該第1面積比は1を超える整数である、請求項1に記載の温度補償された対 数検出器。 7.該入力信号は第1の極性および第2の極性を有する入力電圧であって、 前記バイアス回路部分は、 第1の面積を持つ第1のトランジスタを有し、この第1のトランジスタのベ ースは該入力電圧の第1の極性に結合され、 第2の面積を持つ第2のトランジスタを有し、この第2のトランジスタのベ ースは該入力電圧の第2の極性に結合され、 該第2の面積に対する該第1の面積の比率は該第1の面積比である、 請求項1に記載の温度補償された対数検出器。 8.前記バイアス回路部分は、更に、 第1および第2の電流源を備え、該第1および第2の電流源は実質的に同一で あり、かつ該第1および第2トランジスタのそれぞれのエミッタと接地との間に それぞれ結合され、並びに該第1および第2トランジスタのコレクタは供給電圧 に結合される、請求項7に記載の温度補償された対数検出器。 9.前記バイアス回路部分は、更に、 第2の面積を持つ第3のトランジスタを備え、この第3トランジスタのベース は該入力電圧の第1の極性に結合され、 第1の面積を持つ第4のトランジスタを備え、この第4トランジスタのベース は該入力電圧の第2の極性に結合され、 該第1および第3のトランジスタ間の面積比は、該第2および第4のトランジ スタ間の面積比に実質的に等しい、 請求項7に記載の温度補償された対数検出器。 10.前記バイアス電圧は該第1および第2のトランジスタのエミッタ間に生成 される、請求項8に記載の温度補償された対数検出器。 11.前記対数検出器セルが、 該第1および第2のトランジスタのエミッタにそれぞれ接続されたベース、共 通接続されたエミッタ、並びに第1および第2のコレクタ、を有する第1のトラ ンジスタ対を備え、 該対数出力信号は、該第1のトランジスタ対の第1および第2のコレクタの少 なくとも一方から得られる、 請求項10に記載の温度補償された対数検出器。 12.前記対数検出器セルは、該第1のトランジスタ対の共通に接続されたエミ ッタと接地との間に結合された第3の電流源を、更に備える請求項11に記載の 温度補償された対数検出器。 13.該第1のトランジスタ対の第1のトランジスタは第3の面積を有し、該第 1のトランジスタ対の第2のトランジスタは第4の面積を有し、該第3の面積に 対する該第4の面積の比率は第2の面積比である、請求項11に記載の温度補償 された対数検出器。 14.該入力信号のための該対数伝達関数は該第1及び第2の面積比に反比例す る、請求項11に記載の温度補償された対数検出器。 15.前記バイアス回路部分は、異なる大きさにされたトランジスタのベースー エミッタの接合電圧の差を使用して該PTATバイアス電圧を生成する、請求項 1に記載の温度補償された対数検出器。 16.前記バイアス回路部分は、ベース−エミッタの接合電圧の差を使用して該 PTATバイアス電圧を生成して、それによって、抵抗器の両端のPTATバイ アス電圧の生成を不要とした、請求項1に記載の温度補償された対数検出器。 17.入力電圧を受けるための入力端子を備え、この入力端子は第1の極性側と 第2の極性側とを有し、 第1の面積を持つ第1のトランジスタを備え、前記第1のトランジスタは該第 2の極性側に接続されたベース、第1のポテンシャルに接続されたコレクタ、お よびエミッタ、を有し、 第2の面積を持つ第2のトランジスタを備え、前記第2のトランジスタは該第 1極性側に接続されたベース、該第1のポテンシャルに接続されたコレクタ、お よびエミッタ、を有し、 前記第1のトランジスタのエミッタと第2のポテンシャルとの間に接続された 第1の電流源を備え、 前記第2のトランジスタのエミッタと該第2のポテンシャルとの間に接続され た第2の電流源を備え、 前記第2のトランジスタのエミッタに接続されたベース、コレクタ、及びエミ ッタ、を有する第3のトランジスタを備え、 前記第1のトランジスタのエミッタに接続されたベース、コレクタ、及び前記 第3のトランジスタのエミッタに接続されたエミッタ、を有する第4のトランジ スタを備え、 前記第3および第4のトランジスタの共通に接続されたエミッタと該第2のポ テンシャルとの間に接続された第3の電流源を備え、 出力対数信号を出力するための出力端子を備え、前記出力端子は前記第3およ び第4トランジスタのコレクタの少なくとも1つに接続される、 温度補償された対数検出器。 18.前記第1および第2の電流源は実質的に同一であり、かつ前記第3のトラ ンジスタは第3の面積を有し、前記第4のトランジスタは該第3の面積と異なる 第4の面積を有する、請求項17に記載の温度補償された対数検出器。 19.前記第3及び第4のトランジスタのベース間、並びに前記第1及び第2の トランジスタのエミッタ間のバイアス電圧は、該第2の面積に対する該第1の面 積の比率に従って決定される、請求項17に記載の温度補償された対数検出器。 20.入力電圧を受ける入力端子を備え、前記入力端子は第1の極性側および第 2の極性側を有し、 第1の面積を有する第1のトランジスタを備え、前記第1のトランジスタは該 第2の極性側に接続されたベース、第1のポテンシャルに接続されたコレクタ、 及びエミッタ、を有し、 該第1の面積と異なる第2の面積を持つ第2のトランジスタを備え、前記第2 のトランジスタは該第2の極性側に接続されたベース、該第1のポテンシャルに 接続されたコレクタ、エミッタ、を有し、 該第1の面積を持つ第3のトランジスタを備え、前記第3のトランジスタは該 第1の極性側に接続されたベース、第1のポテンシャルに接続されたコレクタ、 およびエミッタ、を有し、 該第2の面積を持つ第4のトランジスタを備え、前記第4のトランジスタは該 第1の極性側に接続されたベース、該第1のポテンシャルに接続されたコレクタ 、およびエミッタ、を有し、 前記第1のトランジスタのエミッタと第2のポテンシャルとの間に接続された 第1の電流源を備え、 前記第2のトランジスタのエミッタと該第2のポテンシャルとの間に接続され た第2の電流源を備え、 前記第3のトランジスタのエミッタと該第2のポテンシャルとの間に接続され た第3の電流源を備え、 前記第4のトランジスタのエミッタと該第2のポテンシャルとの間に接続され た第4の電流源を備え、 前記第4のトランジスタのエミッタに接続されたベース、コレクタ、およびエ ミッタを有する第5のトランジスタを備え、 前記第1のトランジスタのエミッタに接続されたベース、コレクタ、および前 記第5のトランジスタのエミッタに接続されたエミッタ、を有する第6のトラン ジスタを備え、 前記第5及び第6のトランジスタの共通に接続されたエミッタと該第2のポテ ンシャルとの間に接続された第5の電流源を備え、 前記第2のトランジスタのエミッタに接続されたベース、前記第5のトランジ スタのコレクタに接続されたコレクタ、およびエミッタ、を有する第7のトラン ジスタを備え、 前記第3のトランジスタのエミッタに接続されたベース、前記第6のトランジ スタのコレクタに接続されたコレクタ、および前記第7のトランジスタのエミッ タに接続されたエミッタ、を有する第8のトランジスタを備え、 前記第7および第8のトランジスタの共通に接続されたエミッタと該第2のポ テンシャルとの間に接続された第6の電流源を備え、 出力対数信号を出力するための出力端子を備え、前記出力端子は前記第5およ び第7のトランジスタの共通に接続されたコレクタ、または前記第6および第8 のトランジスタの共通に接続されたコレクタに接続される、 温度補償された対数検出器。 21.前記第1〜第4の電流源は実質的に同一であり、前記第1および第3のト ランジスタは実質的に同一であり、かつ前記第2および第4のトランジスタは実 質的に同一である、請求項20に記載の温度補償された対数検出器。 22.前記第5および第7のトランジスタは第3の面積を有し、前記第6および 第8のトランジスタは該第3の面積と異なる第4の面積を有する、請求項20に 記載の温度補償された対数検出器。 23.前記第5および第6のトランジスタのベース間、並びに前記第7および第 8のトランジスタのベース間、のバイアス電圧は、該第2の面積に対する該第1 の面積の比率に従って決定される、請求項20に記載の温度補償された対数検出 器。 24.前記対数検出器は、前記第1および第3のトランジスタのエミッタ間に接 続された差動入力を有する差動増幅回路を、更に備える請求項20に記載の温度 補償された対数検出器。 25.対数検出器を温度補償するための方法であって、該対数検出器は少なくと もバイアス回路部分と対数検出器セルとを備え、該バイアス回路部分および対数 検出器セルは各々、少なくともトランジスタを有し、 (a)トランジスタのベース−エミッタ電圧の間の差を使用してバイアス電圧 を生成するステップと、 (b)バイアス電圧に従って対数検出器セル内の所定のトランジスタをバイア スするステップと、 (c)対数変換のための入力信号を受けるステップと、 (d)該バイアス回路部分および対数検出器セルを用いて該入力信号を対数出 力信号に対数的に変換するステップと、 を備える対数検出器を温度補償するための方法。 26.該バイアス電圧は、ベース−エミッタ電圧のPTAT特性により、絶対温 度に比例する(PTAT)、請求項25に記載の方法。 27.該対数検出器セル内の所定のトランジスタをバイアスするステップ(b) は温度に影響されない、請求項25に記載の方法。
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