АНАЛОГОВЫЙ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЬ ДВУХ СИГНАЛОВ
ANALOG MULTIPLIER OF TWO SIGNALS

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах автоматической регулировки усиления, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах фазовой автоподстройки и умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления. Аналоговый перемножитель является базовым узлом современных систем приема и обработки сигналов аналоговой вычислительной и измерительной техники.
В настоящее время в аналоговой микросхемотехнике в составе перемножителей двух напряжений, систем электронной регулировки усиления широкое применение находит так называемая перемножающаяся ячейка Джильберта (фиг.1). Такая структура стала основой построения практически всех известных в настоящее время прецизионных аналоговых перемножителей сигналов на основе дифференциальных каскадов [1-36]. В этой связи задача улучшения параметров этого функционального узла относится к числу достаточно актуальных задач современной микроэлектроники.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является аналоговый перемножитель двух сигналов (АПС, фиг.1), рассмотренный в патентной заявке США №2007/0194846, fig.1, содержащий множительную ячейку 1 на основе двух дифференциальных каскадов, имеющую первый 2 и второй 3 потенциальные входы канала «X», первый 4 и второй 5 токовые входы канала «Y», цепь нагрузки 6, связанную с первым 7 и вторым 8 токовыми выходами множительной ячейки 1, первый 9 и второй 10 токостабилизирующие двухполюсники, соединенные с соответствующими первым 4 и вторым 5 токовыми входами канала «Y», двухполюсный преобразователь 11 «сигнал канала «Y» - ток», связанный со вторым 5 токовым входом канала «Y».
В качестве двухполюсника преобразователя «сигнал канала «Y» - ток» в известной схеме используется фотодиод. В частных случаях это может быть также магниторезистор, тензодиод, датчик давления и т.п.
x
x
Существенный недостаток известного перемножителя состоит в том, что он не обеспечивает прямого четырехквадрантного перемножения первичной переменной канала «Y» (например, светового потока Ф, магнитного поля В, силы F, давления Р и т.п.) на входное напряжение канала «X» (u). Это не позволяет создавать на его основе специальные системы обработки информации, содержащейся в электрических (u) и неэлектрических (Ф, В, F, Р) сигналах и использующих недифференциальные двухполюсные преобразователи измеряемых параметров 11.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в создании условий для прямого четырехквадрантного перемножения измеряемой координаты канала «Y» (Ф, В, F, Р) на координату канала «X» (их), которая также может быть функционально связана с неэлектрическим сигналом «X». Таким образом, основная цель изобретения состоит в решении задачи прямого перемножения двух, в общем случае, неэлектрических сигналов «X» и «Y».
Поставленная цель достигается тем, что в АПС, содержащем множительную ячейку 1 на основе двух дифференциальных каскадов, имеющую первый 2 и второй 3 потенциальные входы канала «X», первый 4 и второй 5 токовые входы канала «Y», цепь нагрузки 6, связанную с первым 7 и вторым 8 токовыми выходами множительной ячейки 1, первый 9 и второй 10 токостабилизирующие двухполюсники, соединенные с соответствующими первым 4 и вторым 5 токовыми входами канала «Y», двухполюсный преобразователь 11 «сигнал канала «Y» - ток», связанный со вторым 5 токовым входом канала «Y», предусмотрены новые элементы и связи - первый 9 и второй 10 токостабилизирующие двухполюсники реализованы соответственно на основе первого 14 и второго 15 дополнительных транзисторов, базы которых связаны с источником напряжения смещения 16, а эмиттеры соединены с шиной 17 источника питания через вспомогательные двухполюсники 18 и 19, причем двухполюсный преобразователь 11 «сигнал канала «Y» - ток» включен между вторым 5 токовым входом канала «Y» и эмиттером первого 14 дополнительного транзистора.
На фиг.1 показана схема АПС-прототипа, а на фиг.2 - его функциональная схема. В схемах фиг.1 - фиг.2 цепь нагрузки 6 выполнена на базе резисторов 12 и 13.
На фиг.3 приведена схема заявляемого АПС в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.4 приведена схема АПС фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП "Пульсар».
x
y
На фиг.5 и 6 приведены результаты компьютерного моделирования схемы фиг.4 для случая перемножения двух сигналов U и I~Ф. Эти графики показывают, что заявляемый АПС является четырехквадрантным перемножителем двух сигналов. При этом погрешности перемножения, характеризующиеся графиками фиг.6, могут быть достаточно малыми (<0,30%).
Заявляемый АПС фиг.3 содержит множительную ячейку 1 на основе двух дифференциальных каскадов (фиг.1), имеющую первый 2 и второй 3 потенциальные входы канала «X», первый 4 и второй 5 токовые входы канала «Y», цепь нагрузки 6, связанную с первым 7 и вторым 8 токовыми выходами множительной ячейки 1, первый 9 и второй 10 токостабилизирующие двухполюсники, соединенные с соответствующими первым 4 и вторым 5 токовыми входами канала «Y», двухполюсный преобразователь 11 «сигнал канала «Y» - ток», связанный со вторым 5 токовым входом канала «Y». Первый 9 и второй 10 токостабилизирующие двухполюсники реализованы соответственно на основе первого 14 и второго 15 дополнительных транзисторов, базы которых связаны с источником напряжения смещения 16, а эмиттеры соединены с шиной 17 источника питания через вспомогательные двухполюсники 18 и 19, причем двухполюсный преобразователь 11 «сигнал канала «Y» - ток» включен между вторым 5 токовым входом канала «Y» и эмиттером первого 14 дополнительного транзистора.
Рассмотрим работу АПС на примере анализа схемы фиг.3. При отсутствии светового потока (Ф=0) суммарный ток общей эмиттерной цепи по токовому входу 5 равен коллекторному току транзистора 15, а по токовому входу 4 - коллекторному току транзистора 14:
к14
18
к15
19
0
I≈I≈I≈I=I.
ф
Если под действием светового потока Ф=0 двухполюсный преобразователь 11 сформирует выходной ток i, то это создаст дополнительный ток общей эмиттерной цепи множительной ячейки 1 по входу 5
ф
ф
i=ФS,
ф
ф
где S - крутизна преобразования светового потока Ф в ток i, определяющаяся свойствами двухполюсника 11.
ф
к14
ф
Данное приращение i поступает в эмиттер транзистора 14 и создает противофазное изменение тока коллектора этого транзистора (i=i=SФ), что является условием четырехквадрантного перемножения сигналов «X» и «Y»:
вых
x
x
Y
u=КuФ,
х
где К - параметр перемножителя.
Предлагаемый АПС может эффективно использоваться в качестве «миксера» двух неэлектрических сигналов.
В качестве перемножающей ячейки 1 могут применяться и другие (по сравнению с фиг.1) модификации схемы Джильберта (например, фиг.4).
x
Анализ свойств заявляемого АПС (фиг.5, фиг.6) показывает, что предлагаемое техническое решение обеспечивает удовлетворительную для многих применений погрешность выполнения данной математической операции над электрическим (u) и неэлектрическим (Ф) сигналами.
Таким образом, АПС фиг.3 обеспечивает четырехквадрантное перемножение, что позволяет использовать его для построения различных измерительных систем, например, в сфере оптической обработки информации и т.п.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент GB 2.318.470, H03f 3/45.
2. Патент ЕР 1.369.992.
3. Патент США №5.874.857.
4. Патент США №6.456.142, фиг.8.
5. Патент США №3.931.583, фиг.9.
6. Патентная заявка США №2007/0139114, фиг.1.
7. Патентная заявка США №2005/0073362, фиг.1.
8. Патент США №5.057.787.
9. Патентная заявка WO 2004/041298.
10. Патент США №5.389.840, фиг.1А.
11. Патент США №5.883.539, фиг.1.
12. Патентная заявка США №2005/0052239.
13. Патент США №5.151.625, фиг.1.
14. Патент США №4.458.211, фиг.5.
15. Патентная заявка США №2005/0030096, фиг.6.
16. Патентная заявка США №2007/0090876.
17. Патент США №6.727.755.
18. Патент США №5.552.734, фиг.13, фиг.16.
19. Патентная заявка США №2006/0232334.
20. Патент США №5.767.727.
21. Патент США №6.229.395, фиг.2.
22. Патент США №5.115.409.
23. Патентная заявка США №2005/0231283, фиг.1.
24. Патентная заявка США №2006/0066362, фиг.15.
25. Патент США №5.151.624, фиг.1, фиг.2.
26. Патент США №5.329.189, фиг.2.
27. Патент США №4.704.738.
28. Патент США №4.480.337.
29. Патент США №5.825.231.
30. Патент США №6.211.718, фиг.1, фиг.2.
31. Патент США №5.151.624.
32. Патент США №5.329.189.
33. Патент США №5.331.289.
34. Патент GB №2.323.728.
35. Патентная заявка США №2008/0122540, фиг.1.
36. Патент США №4.965.528.