Аналоговый перемножитель двух сигналов

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 сигналов (АПС) является базовым узлом современных систем приема и обработки сигналов ВЧ и СВЧ-диапазонов, аналоговой вычислительной и измерительной техники. Технический результат: создание 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», а также повышение точности. АПС содержит 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». 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. 6 ил.

 

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.

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_x). Это не позволяет создавать на его основе специальные системы обработки информации, содержащейся в электрических (u_x) 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».

На фиг.5 и 6 приведены результаты компьютерного моделирования схемы фиг.4 для случая перемножения двух сигналов U_x и I_y~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:

I_к14≈I₁₈≈I_к15≈I₁₉=I₀.

Если под действием светового потока Ф=0 двухполюсный преобразователь 11 сформирует выходной ток i_ф, то это создаст дополнительный ток общей эмиттерной цепи множительной ячейки 1 по входу 5

i_ф=ФS_ф,

где S_ф - крутизна преобразования светового потока Ф в ток i_ф, определяющаяся свойствами двухполюсника 11.

Данное приращение i_ф поступает в эмиттер транзистора 14 и создает противофазное изменение тока коллектора этого транзистора (i_к14=i_ф=SФ), что является условием четырехквадрантного перемножения сигналов «X» и «Y»:

u_вых=К_xu_xФ_Y,

где К_х - 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).

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_x) 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.

Аналоговый перемножитель двух сигналов, 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», отличающийся тем, что 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.