Etruskerspitzmaus (Suncus etruscus). Quelle: Wikimedia

Wie geht man mit Signalen mit großen Amplitudenschwankungen um?

Das kleinste Säugetier der Welt ist die Etruskerspitzmaus. Sie ist etwa 3 cm lang (plus Schwanz) und wiegt weniger als 1,5 g. Das größte Säugetier, der Blauwal, kann über 30 m lang werden und über 150 t wiegen – damit ist er 13 Mal so schwer wie ein Elefant. Das ist 1.000 Mal länger und über hundert Millionen Mal schwerer als die Etruskerspitzmaus.

Wie gesagt, Kleines zu messen ist einfach, genauso Großes. Beides gleichzeitig zu bestimmen ist schwierig. Das Verhältnis des kleinsten und des größten Signals mit dem ein System umgehen kann, bezeichnet man als seinen „Dynamikbereich“ – er wird normalerweise in dB ausgedrückt. Ein System, bei dem der höchste Wert für eine Spannung oder einen Strom 1.000 Mal so groß wie der kleinste Wert ist, hat einen Dynamikbereich von 60 dB; bei einem Faktor von einer Million beträgt die Zahl 120 dB.

Man braucht ein digitales System mit 28 Bit, bevor ein LSB weniger als 1/100.000.000 eines MSB ist. Somit muss ein digitales System, das mit solchen Änderungen umgehen kann, entweder eine sehr hohe Auflösung haben oder es ist komplexe Signalverarbeitung erforderlich.

Manche Analogschaltungen beherrschen jedoch sehr große Dynamikbereiche. Diese werden als „logarithmische Verstärker” (Log-Amps) oder etwas richtiger, aber weniger geläufig als “logarithmische Wandler” bezeichnet. Der Ausgang eines Log-Amp ist proportional zum Logarithmus des Eingangs. Einige Log-Amps beherrschen Dynamikbereiche von über 160 dB.

Für Log-Amps gibt es eine Reihe von Architekturen. Einige davon, die die Log-Eigenschaften von Silicium-Sperrschichten nutzen, haben zwar einen sehr großen Dynamikbereich, sind aber langsam. Andere (sukzessive Detection Log-Amps), die kaskadierte Verstärker nutzen, um einen logarithmischen Verlauf zu erzeugen, können mit Bandbreiten von vielen GHz hergestellt werden und haben ein genaues logarithmisches Verhalten über einen Dynamikbereich von 60 bis 90 dB.

Beide Typen sind als IC realisierbar. Beide Architekturen sind einfach in der Handhabung und leicht zu verstehen. Allerdings werden sie in der Literatur nur selten ausführlich beschrieben. Daher werden sie von weniger erfahrenen Analogentwicklern oft übersehen. Wo immer Systeme sehr große analoge Signalbereiche beherrschen müssen, sollten Ingenieure den Einsatz von Log-Amps also in Betracht ziehen. Denn sie sind einfach, erschwinglich und sehr nützlich.

Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices.

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