Аналоговый четырехквадрантный умножитель
Изобретение относится к электрическим вычислительным устройствам и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах. Целью изобретения является расширение динамического диапазона, повышение точности и снижение мощности потребления. Аналоговый четырехквадратный умножитель содержит преобразователи 1,...3 напряжение - ток, преобразователи 4 и 5 ток-напряжение, резисторы 6 и 7 нагрузки, усилительные полевые транзисторы 8,...,19, регулируемые источники 20,...,25, напряжения смещения, регулируемые источники 26,...,31 напряжения сопряжения, входные шины первого сигнала-сомножителя, входные шины второго сигнала-сомножителя, выходные шины, шины питания, шину опорного напряжения. Перемножение двух сигналов-сомножителей в умножителе производится по методу переменной крутизны. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ÄÄSUÄÄ 1478228 A 1 дц 4 С 06 С 7/16
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЦТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ. - —
К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ
3> (21) 4235589/24-24 (22) 24.04,87 (46) 07,05,.89. Бюл. № 17 (71) Московский инженерно-физический институт (72) А.M,Êóçþêèí (53) 681.335(088.8) (56) Патент США ¹ 3689752, кл, 235-194, опублик. 1972.
IEEE Journal of Solid-State
Circuits, v.sc-21, 1986, № б,р.11201122, fip. la. (54) АНАЛОГОВЫЙ ЧЕТЪ|РЕХКВАДРАНТНЪ|Й
УМНОЖИТЕПЬ (57) Изобретение относится к электрическим вычислительным устройствам и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах. Целью изобретения является расширение динамического диапазона, повьппение точности и снижение мощности потребления. Аналоговый четырехквадрантный умножитель содержит преобразователи
1,...,3 напряжение — ток,преобразователи 4 и 5 ток — напряжение, резисторы 6 и 7 нагрузки, усилительные полевые транзисторы 8...,,19, регулируемь|е источники 20,...25 напряжения смещения, регулируемые источники
26,...,31 напряжения сопряжения, входные шины первого сигнала-.сомножителя, входные шины второго сигнала-сомножителя, выходные шины, шины питания, шину опорного напряжения, Перемножение двух сигналов-сомножителей в умножителе производится по методу переменной крутизны. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
1478228 вых вычислительных машинах. к
Целью изобретения является расширение динамического диапазона, повышение точности и снижение мощности потребления.
На фиг.1 иэЬбражена функциональ. ная схема аналогового четырехквадрантного умножителя; на фиг.2 и 3 функциональные схемы регулируемого источника напряжения смещения и регулируемого источника напряжения со- 15 пряжения соответственно; на фиг.4 графики зависимости выходных токов третьего преобразователя напряжения в ток от входного напряжения (сплошная линия) и передаточной характе- 20 ристики третьего. преобразователя напряжения в ток (пунктирная линия).
Умножитель содер>кит первый 1. второй 2 и третий 3 преобразователи напряжения в ток, первый 4 и второй
5 преобразователи ток — напряжение, первый б и второй 7 резисторы нагрузки, с первого по двенадцатый усилительные полевые транзисторы 8-19, с первого по шестой регулируемые источ- 30 ники 20-25 напряжения смещения, с первого по шестой регулируемые источники 26-31 напряжения сопряжения, первую 32 и вторую 33 входные шины первого сигнала-сомножителя, первую
34 и вторую 35 входные шины второго сигнала-сомножителя, первую 36 и вторую 37 выходные шины, первую шину
38 питания, шину 39 опорного напряжения, вторую шину 40 питания, тринад- 40 цатый усилительный полевой транзистор 41, повторитель 42 напряжения, регулируемый источник 43 тока смеще-. ния, первый 44 и второй 45 выводы и вход 46 управления регулируемого 45 источника напряжения смещения, с четырнадцатого по семнадцатый усилительные полевые транзисторы 47-50, регулируемый источник 51 тока сопряжения, первый 52 и второй 53 выводы и вход 54 управления регулируемого источника напряжения сопряжения. чу + 4 ) и
+ Vy — Vx)
Vy Vx )
VY + Vx) I<л = k(Vg 24 = k(4
I„,- =k(VÄ
Ig g = k(Vg (2) Изобретение относится к электрическим вычислительным устройствам и может быть использовано в аналогоУмножитель работает следующим образом.
Работа умножителя основана на реа- лизации метода переменной крутизны.
При подаче на вход третьего преобразователя 3 напряжения в ток с первой
34 и второй 35 входных шин напряжения второго сигнала-сомножителя на его выходах протекают токи, разность оторых равна — Ц= k(V„+Vy) k(Vp Vg)1
4k Vq, 1У где k, Чв — постоянйые параметры;
V — напряжение второго сигУ нала-сомножителя.
Первый выходной ток третьего преобразователя 3 напряжения в ток посредством первого преобразователя
4 ток — напряжение, в качестве которого может быть использован диодновключенный полевой транзистор, изменяет крутизну первого преобразователя 1 напряжения в ток вследствие изменения значений напряжения между первым и вторым выводами первого 20 и второго 21 регулируемых источников напряжения смещения и первого 26 и второго 27 регулируемых источников напряжения сопряжения. Одновременно второй выходной ток третьего преобразователя 3 напряжения в ток посредством второго преобразователя 5 ток напряжение изменяет крутизну второго преобразователя 2 напряжения в ток вследствие изменения значений напряжения между первым и.вторым выводами третьего 22 и четвертого 23 регулируемых источников напряжения сме" щения и третьего 28 и четвертого 29 регулируемых источников напряжения сопряжения. Соответствующие значения выходных токов первого 1 и второго
2 преобразователей напряжения в ток при подаче на их входы напряжения с первой 32 и второй 33 входных шин первого сигнала-сомножителя описываются выражениями
Выходной ток с первой 36 и.второй
37 выходных шин описывается выражением
Ieûx = (Ii < + I 4 9 ) (? ял+ I g ä) ° (3)
Подставляя (2) в (3),получаем вью = 41 4 У ° (4)
Напря>кение между первой 36 и второй 37 выходными шинами
U вых = 4kR Vx Vy, (5) где К вЂ” сопротивление идентнчных первого 6 и второго 7 резисторов нагрузки.
1478228
Методы реализации регулируемого источника напряжения смещения, напряжение которого определяет крутизну соответствующего преобразователя напряжения в ток, могут быть различны. Разность потенциалов между первым
44 и вторым 45 выводами (фиг.2) равна
- I/k + Чдор
10 где I — ток регулируемого источника
43 тока смещения;
k — крутизна тринадцлтого усилительного полевого транзистора 41; !5
Ч„ор- пороговое напряжение полевого транзистора 41.
Указанная разность потенциалов требуется для нормальной работы.
Значение напряжения регулируемо- 20 го источника напряжения сопряжения (фиг.З) определяет значение крутизны соответствующего преобразователя напряжения в ток при больших уровнях сигналов-сомножителей. При выборе 25 отношения ширины канала к длине кя2 -Гт/1., (7) где I — значение тока регулируемого источника тока сопряжения 51.
Указанная величина нлпряжения тре- 4 буется для нормальной работы умножителя.
При реализации всего умножителя в интегральном исполнении изменение токов всех используемых регулируемых источников тока пропорционально при температурных изменениях окружающей среды. В соответствии с этим пропорционально изменяются и напряжения ис— точников напряжения смещения, что
55 приводит к сохранению точности работы в широком диапазоне температур.
Таким образом, в умножителе отсутствует связь между точностью рабонала четырнадцатого усилительного полевого транзистора 47 в девять раз меньше отношения ширины канала к длине канала пятнадцатого усилительного З0 полевого транзистора 48, размеры канала которого совпадают с размерами канала входных полевых транзисторов первого 1, второго 2 и третьего 3 преобразователей напряжения в ток, напряжение между первым 52 и вторым
53 выводами определяется разностью напряжений затвор — исток четырнадцатого 47 и пятнадцатого 48 усилительных полевых транзисторов и равно 40 ты, значение и тока потребления II значением максимально допустимого входного напряжения. Это приводит к тому, что максимально допустимое входное напряжение умножителя ограничивается лишь допустимыми технологическими параметрами процесса производства полевых трлнэис ropoB: напряжением пробоя сток — исток,напряжением пробоя диэлектрикл затвора, в случае использования МДП-транзисторов, я также значением напряжения используемых источнпко» питания. Кроме того, в умножителе постоянный уровень точности работы сохраняется во всем используемом диапазоне входных напряжений. Величина тока потребления умножителя влияет лишь на значение ширины полосы рабочих частот и не оказывает влияния на значение точности работы при различных уровнях входного напряжения, т.е. умножитель обладает сниженной мощностью потребления, Предлагаемый умножитель по сравнению с известным обладает расширенным динамическим диапазоном, повышенной точностью работы и сниженной мощностью потребления.
Формула изобретения
1. Аналоговый четырехквадрантный умножитель, содержащий первый и второй преобразователи ток — напряжение, первый и второй резисторы нагрузки, первый преобразователь напряжения в ток, выполненный на первом и втором усилительных полевых транзисторах и первом и втором регулируемых источниках напряжения смещения, второй преобразователь напряжения в ток, выполненньгй на третьем и четвертом усилительных полевых транзисторах и третьем и четвертом регулируемых источниках напряжения смещения, третий преобразователь напряжения в ток, выполненный на пятом и шестом усилительных полевых транзисторах и пятом и шестом регулируемых источниках напряжения смещения, затворы первого и четвертого усилительных полевых транзисторов соединены с первыми выводами соответственно второго и третьего регулируемых источников напряжения смещения и являются первой входной шиной первого сигнала-сомножителя умножителя, затворы второго и третьего усилительных полевых транзисторов
1478228
35
55 соединены с первыми выводами соответственно первого и четвертого регулируемых источников напряжения смещения и являются второй входной шиной первого сигнала-сомножителя умно" жителя, затворы пятого и шестого усилительных полевых транзисторов соединены с первым выводом соответственно шестого и пятого регулируемьж источников напряжения смещения и являются соответственно первой и второй входными шинами второго сигнала-сомножителя умножителя, входы управления. пятого и шестого регулируемых источников напряжения смещения соединены с шиной опорного напряжения, стоки пятого и шестого усилительных полевых транзисторов соединены с входами соответственно первого и второго преобразователей ток — напряжение, выход первого преобразователя ток напряжение соединен с входами управления первого и второго регулируемых источников напряжения смещения, выход второго преобразователя ток напряжение соединен с входами управления третьего и четвертого регулируемых источников напряжения смещения, стоки. первого и третьего усилительных полевых транзисторов соединены и через первый резистор нагрузки подключены к первой шине питания, стоки второго и четвертого усилительньж полевых транзисторов соединены и через второй резистор нагрузки подключены к первой шине . питания, отличающийся тем, что, с целью расширения динамическогo диапазона, повьш ения точности и снижения мощности потребления, в первый преобразователь напряжения в ток введены седьмой и восьмой усилительные полевые транзисторы и первый и второй регулируемые источники напряжения сопряжения, во второй преобразователь напряжения в ток девятый и десятый усилительные поле— вые транзисторы и третий и четвертый регулируемые источники напряжения сопряжения, в третий преобразователь напряжения в ток — одиннадцатый и двенадцатый усилительные полевые транзисторы и пятый и шестой регулируемые источники напряжения сопряжения, исток первого усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводом перв 01 О реГулируемОГО истОч— ника напряжения смещения и истоком седьмого усилительного полевого транзистора, затвор которого соединен с первым выводом первого регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с затвором первого усилительного полевого транзистора, сток которого соединен со стоком восьмого усилительного полевого транзистора, исток второго усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводом второго регулируемого источника напряжения смещения и с истоком восьмого усилительного полевого транзистора, затвор которого соединен с первым выводом второго регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с затвором второго усилительного полевого транзистора, сток которого соединен со стоком седьмого усилительного полевого транзистора, исток третьего усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводом третьего регулируемого источника напряжения смещения и истоком девятого усилительного полевого транзистора, затвор которого соединен с первым выводом третьего регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с затвором третьего усилительного полевого транзистора, сток которого соединен со стоком десятого усилительного полевого транзистора, .исток четвертого усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводом четвертого регулируемого источника напряжения смещения и истоком десятого усилительного полевого транзистора, затвор которого соединен с первым выводом четвертого регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод KoTopol соединен с затвором четвертого усилительного полевого транзистора, сток которого соединен со стоком девятого усилительного полевогo транзистора, ИСТОК ПЯТОГО УСИЛИТЕЛЬНОГО ПОЛЕВОГО транзистора соединен с вторым вь1водом пятого усилительного полевого транзистора, затвор которого соединен с первым выводом пятого регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с затвором пятого усилительного полевого транзистора, сток которого соединен со стоком двенадцатого усилительного полевого транзистора, исток
l4 78228 шестого усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводом шестого регулируемого источника напряжения смещения и истоком двенад- 5 цатого усилительного полевого транзистора,затвор которого соединен с первым выводом шестого регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с эат- 10 вором шестого усилительного полевого транзистора, сток которого соединен со стоком одиннадцатого усилительного полевого транзистора, входы управления первого и второго регулируемых источников напряжения сопряжения соединены с выходом первого преобразователя ток — напряжение, входы управления третьего и четвертого регулируемых источников напряжения сопряжения соединены с выходом второго преобразователя ток — напряжение, входы управления пятого и шестого регулируемых источников напряжения сопряжения соединены с шиной опорного напряжения, стоки второго и третьего усилительных полевых транзисторов являются соответственно первой и второй выходными шинами умножителя.
2.умножитель по п,l, о т л и ч а ю шийся тем, что каждый регулируемый источник напряжения смещения содержит тринадцатый усилительный полевой транзистор, регулируемый
1 источник тока смещения и повторитель напряжения затвор тринадцатого усиУ лительного полевого транзистора является первым выводом регулируемого 40 источника напряжения смещения, сток тринадцатого усилительного полевого транзистора соединен с первой шиной питания, а исток соединен с первым выводом регулируемого источника то- 45 ка смещения и входом повторителя напряжения, выход которого является вторым выводом регулируемого источника напряжения смещения, второй вывод регулируемого источника тока смещения соединен с второй шиной питания, а его вход управления является входом управления регулируемого источника напряжения смещения °
3.Умножитель по п.l, о т л и— ч а ю шийся тем, что,с целью повышения точности в широком диапазоне температур, каждый регулируемый источник напряжения сопряжения содержит четырнадцатый и пятнадцатый усилительные полевые транзисторы итипа проводимости, шестнадцатый и . семнадцатый усилительные полевые ,транзисторы р-типа проводимости и регулируемый источник тока сопряжения, затвор четырнадцатого усилительного полевого транзистора является вторым выводом регулируемого источника напряжения сопряжения, сток четырнадцатого усилительного полевого транзистора соединен со стоком и затвором шестнадцатого усилительного полевого транзистора и затвором семнадцатого усилительного полевого транзистора, сток которого соединен с затвором и стоком пятнадцатого усилительного полевого транзистора и является первым выводом регулируемого источника напряжения сопряжения, истоки четырнадцатого и пятнадцатого усилительных полевых транзисторов соеди" иены с первым выводом регулируемого источника тока сопряжения, вход - управления которого является входом управления регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод регулируемого источника тока сопряжения соединен с второй шиной питания, а истоки шестнадцатого и семнадцатого усилительных полевых транзисторов соединены с первой шиной питания.
1478228 фиг,4
Составитель 0.0траднов
Техред Л.Сердюкова Корректор А.Обручар
Редактор И.Шулла
Заказ 2365/49 Тираж 669 Подписное
BI1HHIIH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4!5
Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101
