Mit dem 1813-0002 hat Hewlett Packard einen logarithmischen Verstärker entwickelt, der im 3575A eingesetzt wurde. Das 3575A ist ein sogenanntes Gain-Phase Meter. Damit lassen sich im Frequenzbereich von 1Hz bis 13MHz die Amplitute und die Phasenlage eines Signals bestimmen. Die Eingänge bieten einen Dynamikumfang von 80dB (0,2mV-20V), der sich mit einem integrierten Abschwächer auf 120dB erweitern lässt.
Die Baugruppe basiert auf einem 25mm x 33mm großen Keramikträger mit einem aufgeklebten Metalldeckel. Der Keramikträger besitzt ähnlich einem DIL-Gehäuse seitliche Pins. Zur Entwärmung ist die Baugruppe auf einem Metallwinkel aufgeklebt, der mehrere Anschraubpunkte bietet.
Das Servicemanual des 3575A enthält ein Blockschaltbild, das zeigt wie der logarithmische Verstärker eingesetzt wird. Am Eingang des Messgeräts befindet sich ein Block mit einem Abschwächer und einem Verstärker. Darauf folgt bereits der logarithmische Verstärker IC1, der das Eingangssignal direkt und zusätzlich über einen Pegelbegrenzer zugeführt bekommt. Der Baustein IC2 bildet einen konfigurierbaren Feeback-Pfad.
Der logarithmische Verstärker bietet zwei Ausgänge. Der logarithmische Ausgang ("LOG") wird im Folgenden einer Spannungsmessung zugeführt und ermöglicht so eine Pegelanzeige in Dezibel. Parallel dazu bietet der Verstärker einen zweiten Ausgang mit der Bezeichnung "LIMITED". Dieser Ausgang wird genutzt, um die Phasenlage zwischen dem hier aufbereiteten und einem zweiten Signal zu bestimmen.
Das Service Manual enthält zusätzlich einen ausführlichen Schaltplan. Der logarithmische Verstärker wird mit 2V, Masse und -6V versorgt. Die 2V-Versorgung wird durch einen eigenen Linearregler erzeugt.
Der Pegelbegrenzer links des logarithmischen Verstärkers besteht aus einer Diodenbrücke, die die Amplitude auf 0,8Vpp begrenzt. Darunter befindet sich die unbegrenzte Einspeisung des Eingangssignals und der Rückkopplungspfad, dessen Frequenzgang sich über zwei Steuerleitungen beeinflussen lässt.
Im Vergleich zum Blockschaltbild sind die Ausgänge auf der rechten Seite gedreht. Unten liegt an drei Pins das logarithmische Signal an, das zur Pegelmessung genutzt wird. Es durchläuft einen verhältnismäßig komplexen Verstärker. Die Oszillogramme 1, 6 und 7 zeigen die Entwicklung der Kurvenform.
Im oberen Bereich befindet sich der "Limited Output", der zur Bestimmung der Phasenlage herangezogen wird. Die Steuerleitungen, die den Frequenzgang des Rückkopplungspfads beeinflussen sorgen auch hier für eine Anpassung des Frequenzgangs. Miteinander wird darüber das auszuwertende Frequenzband festgelegt, das außen am Gerät eingestellt werden kann.
Das HIGH SPEED DESIGN SEMINAR von Analog Devices zeigt wie ein logarithmischer Verstärker aufgebaut sein kann. Es handelt sich um eine Serienschaltung mehrerer Verstärker. Die Signale eines jeden Ausgangs werden summiert und stellen dann den logarithmischen Wert des Signals dar.
Die Funktionsweise des logarithmischen Verstärkers basiert darauf, dass die Ausgänge der einzelnen Verstärkerstufen mit ansteigendem Eingangspegel die Vollaussteuerung erreichen und ab dann nicht mehr zur Verstärkung beitragen. Im obigen Diagramm zeigt Analog Devices das sich einstellende Verhalten.
Anfänglich verstärkt jede Stufe das Eingangssignal und es ergibt sich ein Verstärkungsfaktor von N*A. Ab einem gewissen Eingangspegel ist der Ausgangspegel der Kette so groß, dass der letzte Verstärker keinen höheren Pegel mehr einstellen kann. Ab diesem Pegel beträgt der Verstärkungsfaktor der Kette nur noch (N-1)*A, da der letzte Verstärker keinen Beitrag mehr liefern kann. Mit weiter steigendem Eingangspegel erreichen weitere Verstärkerstufen ihre maximale Aussteuerung und die Gesamtverstärkung reduziert sich bis auf 0dB. Die sich einstellende Kennlinie nähert sich so einer logarithmischen Kurve an.
Die einzelnen Bereiche der Kennlinie sind linear, wodurch sich im Vergleich zu einer idealen logarithmischen Kurve zyklisch ein Fehler auf- und abbaut.
Auf dem Keramikträger findet sich ein Herz mit dem hp-Logo, was auf Schaltkreisen von Hewlett Packard öfter abgebildet wurde. Die Zeichenfolge 1340C könnte eine interne Bezeichnung des Designs sein.
Neben fünf SMD-Kondensatoren und drei integrierten Schaltkreisen befinden sich sehr viele umfangreich abgleichbare Widerstände auf dem Keramikträger. Testpunkte ermöglichen einen Abgleich der Widerstände innerhalb der Schaltung.
Es zeigt sich schnell, dass der Hybridschaltkreis aus drei relativ ähnlichen Schaltungen besteht.
Zum Abgleich der Widerstände wurden teilweise die Widerstandsflächen und teilweise die Metallleitungen durchtrennt. Durch die Hitzeeinwirkung haben sich die umgebenden Elementen teilweise deutlich verfärbt.
Die Kantenlänge der integrierten Schaltkreise beträgt 0,75mm. Es handelt sich um drei gleiche Schaltkreise. Jeder Schaltkreis enthält sechs Transistoren, die über zwei Metalllagen kontaktiert werden. An der rechten Kante findet sich die Zeichenfolge 0302 und ein B. Das B, das durch die Metalllage dargestellt wird, lässt vermuten, dass man mit unterschiedlichen Metalllagen unterschiedliche Konfigurationen des Transistorarrays darstellen konnte.
Die Transistoren besitzen zwei Basiskontakte, was den Basiswiderstand reduziert und entsprechend die maximal mögliche Schaltgeschwindigkeit erhöht. Die Transistoren befinden sich in zusammenhängenden Isolationsrahmen Im unteren Bereich ist ein Kontakt zu erkennen, über den man diese Isolationsrahmen auf ein negatives Potential legen könnte. Hier war das weniger notwendig, da das Substrat mit dem -6V-Potential verbunden ist und alle Potentiale in der Schaltung ein höheres Potential aufweisen.
Analysiert man die Potentiale, mit denen der Keramikträger verbunden ist, so zeigt sich, dass von unten das -6V-Potential und von oben das 2V-Potential zugeführt wird. Die Keramikkondensatoren puffern diese Versorgungen. Im ersten Block ganz rechts hat man auf den Kondensator an den -6V verzichtet.
Das nicht begrenzte Eingangssignal "Input" durchläuft den rechten Verstärkerblock 1 und wird in der oberen rechten Ecke ausgegeben. Genau genommen sind es drei Verstärker, die sich in jedem Block befinden. Das Eingangssignal, das die Pegelbegrenzung durchlaufen hat, wird in den Verstärkerblock 2 eingespeist, dessen Ausgang sich an der oberen Kante des Keramikträgers in der Mitte befindet. Das Ausgangssignal des Verstärkerblocks 2 dient gleichzeitig als Eingangssignal für den Verstärkerblock 3. Der Verstärkerblock 3 speist den dritten Ausgang an der oberen Kante und ist gleichzeitig mit dem Ausgang "Limited Output" verbunden. Von diesem Ausgang aus schließt sich auch der Rückkopplungspfadfad zum Eingang des Verstärkerblocks 2.
Hier ist die Schaltung in den Verstärkerblöcken 2 und 3 dargestellt. Jeder Verstärkerblock enthält drei Verstärker, die als einfache Differenzverstärker mit zwei Transistoren aufgebaut sind. Die Zweige mit den Eingangstransistoren treiben auch die Ausgänge, die für jeden Verstärkerblock einzeln mit Widerständen zu einem gemeinsamen Ausgangssignal zusammengefasst werden.
Der zweite Differenzverstärkerzweig eines jeden Verstärkers enthält einen Spannungsteiler, der das Eingangssignal für die nächste Verstärkerstufe generiert. Die Schaltung entspricht soweit dem weiter oben beschriebenen Konzept eines logarithmischen Verstärkers.
Der sogenannte "Limited Output" ist das Ausgangssignal der letzten Verstärkerstufe. Es durchläuft folglich immer die maximale Verstärkung. Das ist sinnvoll, da damit die Phasenlage bestimmt wird und es in diesem Fall nur auf den Bereich des Nulldurchgangs ankommt. Je weiter man diesen durch die Verstärkung herausarbeitet, desto besser lässt sich die Phasenlage bestimmen.
Die Rückkopplungsschleife erstreckt sich vom Ausgang der letzten Verstärkerstufe zum invertierenden Eingang der ersten Verstärkerstufe.
Der Verstärkerblock 1, dessen Eingangssignal nicht begrenzt ist, speist ebenfalls in den "Log Output" Knoten ein. Die erste und die dritte Verstärkerstufe sind wie die Verstärkerstufen der Verstärkerblöcke 2 und 3 aufgebaut und verschaltet. Die Konfiguration der mittleren Verstärkerstufe ist dagegen ungewöhnlich. Sie nutzt direkt das Eingangssignal, wobei ein ein Spannungsteiler für eine Anpassung des Pegels sorgt.
Vermutlich dienen diese zusätzlichen Verstärkerstufen dazu die Fehler in der Kennlinie des logarithmischen Verstärkers etwas zu korrigieren.
