Аналоговый четырехквадрантный перемножитель

Аналоговый четырехквадрантный перемножитель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к электрическим вычислительным устройствам и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах. Целью изобретения является расширение динамического диапазона, повышение точности и снижение потребляемой мощности. Аналоговый четырехквадрантный перемножитель содержит три преобразователя напряжения в ток, два преобразователя ток-напряжение, два резистора нагрузки, двадцать четыре усилительных полевых транзистора, шесть регулируемых источников напряжения смещения, двенадцать регулируемых источников напряжения сопряжения, две шины питания, шину опорного напряжения, две входные шины первого сигнала-сомножителя, две входные шины второго сигнала-сомножителя, две выходные шины. Работа перемножителя основана на реализации метода переменной крутизны. 6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1 11 4 G 06 G 7/16 07:."Â .3

ГЕ;.;:,,,, „-„„.ц

) (1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlQ ИЗОБРЕТЕНИЯ1ф И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4268698/24-24 (22) 24.04.87 (46) 07,05,89. Бюл. 11 17 (71) Московский инженерно-физический институт (72) А,М, Кузюкин (53). 681.331(088.8) (56) Патент США 11 3689752, кл. 235194, опублик. 1972, IEEE Journal of Solid-State Circuits vsc-21, 1986, 11 - 6, рр. 11201122, fig, 1а. (54) АНАЛОГОВЪ|Й ЧЕТЫРЕХКВАДРАНТНЫЙ

ПЕРЕМНО)КИТЕЛЬ (57) Изобретение относится к электрическим вычислительным устройствам и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах. Целью

Изобретение относится к электрическим вычислительным устройствам и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах, Целью изобретения является расширение динамического диапазона, повышение точности и снижение потребляемой мощности.

На фиг,1 изображена функциональная схема аналогового четырехквадрантного перемножителя; на фиг. 2 функциональная схема с первого по четвертый регулируемых источников напряжения смещений; на фиг. 3 функциональная схема пятого. и шестов

ro регулируемых источников напряжения смещения; на фиг. 4 — функциоÄÄSUÄÄ 1478230 А1 изобретения является расширение динамического диапазона, повышение точности и снижение потребляемой мощности. Аналоговый четырехквадратный перемножитель содержит три преобразователя напряжения в ток, два преобразователя ток — напряжение, два резистора нагрузки, двадцать четыре усилительных полевых транзистора, шесть регулируемых источников напряжения смещения, двенадцать регулируе-. мых источников напряжения сопряжения, две шины питания, шину опорного на- пряжения, две входные шины первого сигнала-сомножителя, две входные шины второго сигнала-сомножителя, две выходные шины, Работа перемножителя

Я основана на реализации метода переменной крутизны. 4 з.п. ф-лы, 6 ил. нальная схема первого, второго, пятого, шестого, одиннадцатого и двенадцатого регулируемых источников напряжения сопряжения; на фиг, 5 функциональчая. схема третьего, четвертого и с седьмого по десятый регулируемых источников напряжения сопряжения; на фиг. 6 — график зависимости выходных токов третьего преобразователя напряжения в ток от входного напряжения (сплошная линия), а также график передаточной характеристики третьего преобразователя напряжения в ток, поясняющий принцип его работы (пунктирная линия).

Иеремножитель содержит (фиг,1-4) первый 1, второй 2 и третий 3 преоб1478230 раэователи напряжения в ток, первый

4 и второй 5 преобразователи ток напряжение, первый 6 и второй 7 резисторы нагрузки с первого по двадцать четвертый усилительные полевые транзисторы 8-31, с первого по шестой регулируемые источники 32-37 на прял<ения смещения, с первого по двенад цатый регулируемые источники 38-49 на" 10 пряжения сопряжения, первую 50 и вто-1 рую 51шины питания, шину 52 опорного напряжения, первую 53 и вторую 54 вход- ные шины первого сигнала-сомножителя, первую 55 и вторую 56 входные шины второго сигнала-сомножителя, первую

57 и вторую 58 выходные шины, двадцать пятый 59 и двадцать шестой 60, усилительные полевые транзисторы, первый регулируемый источник 61 тока 20 смещения, первый 62 и второй 63 выводы, вход 64 управления, двадцать седьмой 65 и двадцать восьмой 66 усилительные полевые транзисторы, второй регулируемый источник 67 тока 25 смещения, первый 68 и второй 69 выводы, вход 70 управления, с двадцать девятого по тридцать второй усилительные полевые транзисторы 71-74, первый регулируемый источник 75 така сопряжения, первый 76 и второй 77 выводы, вход 78 управления, с тридцать третьего по тридцать шестой усилительные полевые транзисторы 79-82, второй регулируемый источник 83 тока

35 сопряжения, первый 84 и второй 85 выводы, выход 86 управления.

Перемножитель работает следующим образом, Принцип действия основан на методе переменной крутизны, При подаче на вход третьего преобразователя 3 напряжения в ток напряжения второго сигнала-сомножителя на его выходах протекают тОки, pG3HocTb KQTopblx olIH 45 сывается выражением

Т.1 -Ь =4Ky

V — напряжение второго сигУ нала-сомножителя;

К вЂ” коэффициент, учитывающий крутизну усилительных

55 полевых транзисторов, При этом первый выходнбй ток третьего преобразователя 3 напряжения в ток посредством первого преобразоСоответствующие значения выходных токов первого 1 и второго 2 преобразователей напряжения в ток при подаче на их входы напряжения первого сигнала-сомножителя описываются выражениями

I<,< =Кэ<р Яь+Vy+VI< ) 1 2.< =К р (%ь Vv к) 1

4.2 =Кэрр (Ч Ь + У Vx ) 1 (2) я.2=Кэ<р(ь %<1 +Va ) э

1 где I«, I »

I2, I22 — токи на выходах соответственно первого 1 и второго 2 преобразователей напряжения в ток;

V — напряжение первого сигнала-сомножителя, Выходной ток перемножителя описывается выражением

IsbiI =(I <.I +Ig l ) (I<.2+12.2) ° (3) Подставив .в (3) выражение (2), получаем (4) ХÄÄÄ =4K, VÄ VÄ .

Выходное напряжение описывается выражением (5) Vbpx =4Кэ<р V> Vy y вателя ток — напряжение 4, в качестве которого может быть использован диодно включенный транзистор (полевой или МДП), изменяет крутизну первого преобразователя 1 напряжения в ток вследствие изменения значений напряжения между первым и вторым выводами первого 32 и второго 33 .регулируемых источников напряжения смещения и первого 38, второго 39, третьего 40 и четвертого 41 регулируемых источников напряжения сопряжения.

Одновременно с этим 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 34 и четвертого 35 регулируемых источников напрял<ения смещения и пятого

42, шестого 43, седьмого 44 и восьмого 45 регулируемых источников напряжения сопряжения.

5 !4782 где R — величина сопротивления иден- тичных первого 6 и второго 7 резисторов нагрузки.

На фиг.2 показан пример построе5 ния первого 32, второго 33, третьего 34 и четвертого 35 регулируемых источников напряжения смещения, Разность потенциалов между первым 62 и вторым 63 выводами схемы (фиг ° 2) 10 равна б/K„+ I/Kð 7пэя поа.г, (6) где I — значение тока первого регулируемого источника 61 тока смещения;

К„,Кр — крутизна соответственно двад— цать пятого 59 и двадцать шестого 60 усилительных полевых транзисторов;

17поа, и

Чрюр р — пороговые напряжения этих транзисторов.

Разность потенциалов между первым 68 и вторым 69 выводами пятого 36 25 и шестого 37 регулируемых источников напряжения смещения (фиг.3) описывается выражением, аналогичным выражению (6).

На фиг. 4 изображена функциональная схема первого 38 и второго 39 регулируемых источников напряжения сопряжения, При выборе отношения ширины канала к длине канала двадцать девятого усилительного полевого транзистора 71 в девять раз меньше отношения ширины канала к длине канала тридцатого усилительного полевого транзистора 72, размеры которого совпадают с размерами каналов первого 8 40 и второго 9 усилительных полевых транзисторов первого преобразователя 1 напряжения в ток, напряжение между первым 76 и вторым 77 выводами определяется разностью напряжений затвор-исток двадцать девятого 71 и тридцатого 72 усилительных полевых транзисторов, которое равно

2 I/Ê, (7) где Š— значение тока первого pery50 лируемого источника 75 тока сопряжения.

Аналогичным образом выполнены третий 40 и четвертый 41 регулируемые источники напряжения сопряжения (фиг,5).

При реализации перемножителя в интегральном исполнении изменение токов всех используемых регулируемых источ30 ников тока пропорционально при температурных изменениях окружающей среды.

В соответствии с этим пропорционально изменяются и напряжения регулируемых источников напряжения смещения, что приводит к сохранению точности преобразования перемножителя в широком диапазоне температур, Таким образом, г, аналоговом четы" рехквадрантном перемножителе отсутствует связь между точностью преобра- . зования, значением тока потребления и значением максимально допустимого входного напряжения, Это приводит к тому, что максимально допустимое входное напряжение перемножителя ограничивается лишь допустимыми параметрами технологического процесса . производства нолевых транзисторов: напряжением пробоя сток-исток, напряжением пробоя диэлектрика затвора в случае использования ИДП-транзисторов, а также значением напряжения используемых источников питания, Кроме того, постоянный уровень точности преобразования сохраняется во всем используемом диапазоне напряжений, Величина тока .потребления перемножи- теля влияет лишь на значение ширины полосы частот, обрабатываемых без искажений, и не оказывает влияния на значение точности преобразования при разных уровнях входного напряжения, т.е, перемножитель обладает снижен- . ной мощностью потребления.

Таким образом, аналоговый четырехквадрантный перемножитель обладает расширенным динамическим диапазоном, повышенной точностью преобразования и сниженной мощностью потребления, Ф о р м ул а и э о бр е т е н и я

1. Аналоговый четырехквадрантный перемножитель, содержащий первый и второй преобразователи ток — напряжение, первый и второй резисторы нагрузки, первый преобразователь на" пряжения в ток, выполненный на первом и втором усилительных полевых транзисторах и-типа проводимости, и первом и втором регулируемых источниках напряжения смещения, второй преобразователь напряжения в ток, выполненный на третьем и четвертом усилительных полевых транзисторах и-типа проводимости и третьем и четвертом регулируемых источниках напряжения смеще1478230 ния, третий преобразователь напряжения в ток, выполненный па пятом и шестом усилительных полевых транзисторах р-типа проводимости, и пятом и шестом регулируел".ых источниках напряжения смещения, затворы первого и четвертого усилительных полевых транзисторов соединены с первыми выводами второго и третьего регулируемых источников напряжения смещепия и являются первой входной шиной первого сигнала-сомножителя перемножителя, затворы второго и третьего усилительных. полевых транзисторов соединены с первыми выводами первого и четвертого регулируемых источников напряжения смещения и являются второй входной шиной первого сигнала-сомпожителя перемнажителя, затворы пятого и шестого усилительпых полевых транзисторов соединены с первым выводом соответственно шестого и пятого регулируемых источников напряжения смещения и,являются соответственно первой и второй входными шинами второго сигнала-сомножителя перемножителя, входы управления пятого и шестого регули— руемых 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, выходы которых соединены с входами управления соответственно первого, третьего, второго и четвертого регулируемых источников напряжения смещения, стоки первого и второго усилительных полевых транзисторов соединены между собой и через первый резистор нагрузки подключены к первой шине питания, стоки третьего и четвертого усилительных полевых транзисторов соединены между собой и через второй резистор нагрузки подключены к первой шине .питания, стоки второго и третьего усилительных полевых транзисторов являются соответственно первой и второй выходными шинами перемножителя, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширенин динамического диапазона, повышения точиосги и снижения мощности потребления, в первый преобразoватeлz напряжения в тoK введены седьмой и восьмой усилительные полевые трлнзисторы и-тип» проводимости; девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый

S0

55 усилительные полевые транзисторы ртипа проводимости и первый, второй, третий и четвертый регулируемые источники напряжения сопряжения, во второй преобразователь напряжения в ток введены тринадцатый и четырнадцатый усилительные полевые транзисторы п-типа проводимости, пятнадцатый, шестнадцатый, семнадцатый и восемнадцатый усилительные полевые транзисторы р-типа проводимости и пятый, шестой, седьмой и восьмой регулируемые источники напряжения сопряжения, в третий преобразователь напряжения в ток введены девятнадцатый и двадцатый усилительные полевые транзисторы р-типа проводимости, двадцать первый, двадцать второй, двадцать третий и двадцать четвертый усилительные полевые транзисторы и-типа проводимости и девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый регулируемые источники напряжения сопряжения, сток восьмого усилительного полевого транзистора соединен со стоками первого, второго и седьмого усилительных полевых транзисторов, затвор первого усилительного полевого транзистора соединен с первым выводом первого регулируемого источника напряжения сопряжения, в горой вывод которого соединен с затвором седьмого усилительного полевого транзистора, исток которого соединен с истока" ми первого, девятого и одиннадцатого усилительных полевых транзисторов, затвор одиннадцатого усилительного полевого транзистора соединен с первым выводом третьего регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с вторым выводом первого регулируемого источника напряжения смещения и затвором девятого усилительного полевого транзистора, сток которого соединен с второй шиной питания, стоками десятого, одиннадцатого и двенадцатого усилительных полевых транзисторов, затвор двенадцатого усилительного транзистора соединен с первым выводом четвертого, регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с вторым выводом второго регулируемого источника напряжения смещения и затвором десятого усилительного полевого транзИстора, исток которого соединен с истоками второго, восьмого и двенадцатого уси9 1478230 |О лительных полевых транзисторов, затвор восьмого усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводом второго регулируемого источника на5 пряжения сопряжения, первый вывод которого соединен с затвором второго усилительного полевого транзистора, сток которого соединен со стоком седьмого усилительного полевого тран- 10 зистора, а входы управления первого, второго и третьего, четвертого регулируемых источников напряжения сопряжения соединены с выходом соответственно первого и второго преобразователей ток — напряжение, сток четырнадцатого усилительного полевого транзистора соединен со стоком третьего полевого транзистора, затвор которого соединен с первым выводом пятого регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с затвором тринадцатого усилительного полевого транзистора, исток которого соединен с истоками третьего, пятнадцатого и семнадцатого усилительных полевых транзисторов, затвор семнадцатого усилительного полевого транзистора соединен с первым выводом седьмого регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с вторым. выводом третьего

25 регулируемого источника напряжения смещения и затвором пятнадцатого усилительного полевого транзистора, сток которого соединен с второй шиной питания, стоками шестнадцатого, семнадцатого и восемнадцатого усилительных полевых транзисторов, затвор во- 40 семнадцатого усилительного полевого напряжения смещения и затвором шестнадцатого усилительного полевого транзистора, исток которого соединен с истоками четвертого, че гырнадцатого и восемнадцатого усилительных полевых транзисторов, затвор четырнадцатого усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводом шестого регулируемого источника напряжения сопряжения, первый вывод которого соединен с затвором четвертого усилительного полевого тра э, сток которого соединен со стоком тринадцатранзистора соединен с первым выводом восьмого регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с вторым выводом 45 четвертого регулируемого источника того усилительного полевого транзистора, входы управления пятого, седьмого и шестого, восьмого регулируемых источников напряжения сопряжения соединены соответственно с выходом первого и второго преобразователей ток — напряжение, сток двадцатого усилительного полевого транзистора соединен со стоком пятого усилительного полевого транзистора, затвор которого соединен с первым выводом девятого регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с затвором девятнадцатого усилительного полевого транзистора, исток которого, соединен с истоками пятого, двадцать первого и двадцать третьего усилительных полевых транзисторов, затвор двадцать третьего усилительного полевого транзистора соединен с первым выводом одиннадцатого регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с вторым выводом пятого регулируемого источника напряжения смещения и затвором двадцать первого усилительного полевого транзистора, сток которого соединен с первой шиной питания и со стоками двадцать второго, двадцать третьего и двадцать четвертого усилительных полевых транзисторов, затвор двадцать четвертого усилительного полевого транзистора соединен с первым выводом двенадцатого регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с вторым выводом шестого регулируемого источника напряжения смещения и затвором двадцать второго усилительного полевого транзистора, исток которого соединен с истоками шестого, двадцатого и двадцать четвертого усилительных полевых транзисторов, затвор двадцатого усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводом десятого регулируемого источника напряжения сопряжения, первый вывод

4 которого соединен с затвором шестого усилительного полевого транзистора, сток которого соединен со стоком девятнадцатого усилительного полевого транзистора, входы управления девятого, десятого, одиннадцатого и двенадцатого регулируемых источников напряжения сопряжения соединены с шиной опорного напряжения.

14782

2. Перемножитель по п, 1, о т— л и ч а ю шийся тем, что каждый регулируемый источник напряжения смещения содержит двадцать пятый усили5 тельный полевой транзистор и-типа проводимости, двадцать шестой усилительный полевой транзистор 1»-типа проводимости и первый регулируемый источник тока смещения, причем затвор двадцать пятого усилительного полевого транзистора является первым выводом регулируемого источника напряжения смещения, сток двадцать пятого усилительного полевого транзистора соединен с первой шиной питания, а исток соединен с истоком двадцать шестого усилительного полевого транзистора, затвор и сток которого соединены с первым выводом первого 20 регулируемого источш»ка тока смещения и являются втор»:»»» выводом регулируемого источника напряжения смещения, второй вывод первого регулируемого источника тока смещения соединен 25 с второй шиной питания, а его вход управления является входом управления регулируемого источника напряжения смещения.

3. Перемножитель по п. l, о т л и- Зр ч а ю шийся тем, что пятый и шестой регулируемые источники напряжения смещения каждый содержат двадцать седьмой усилительный полевой транзистор р-типа проводимости и двадцать восьмой усилительный полевой транзистор и-типа проводимости и второй регулируемый источник тока смещения, причем затвор двадцать седьмого усилительного полевого трап- 40 зистора является первым выводом пятого и шестого регулируемых источников напряжения смещения, сток двадцать седьмого усилительного полевого транзистора соединен со второй шиной питания, а его исток соединен с истоком двадцать восьмого усилительного полевого транзистора, сток и затвор которого соединены с первым выводом второго регулируемого источника тока смещения и являются вторым выводом пятого и шестого регулируемых источников напряжения смещения, второй вывод второго регулируемого источника тока смещения соединен с первой ши55 ной питания, и его вход управления является входом управления пятого и шестого регулируемых источников напряжения смещения, 30 ) )

4, Перемножитель по п, 1, о т л ич а ю щ и и с.я тем, что, с целью повышения точности в широком диапазоне температур, первь»», второй, пятый, шестой, одиннадцатый и двенадцатый регулируемые источники напряжения сопряжении каждый содержит двадцать девятый и тридцатый усилительные полевые транзисторы и-типа проводимости, тридцать первый и тридцать второй усилительные полевые транзисторы р-типа проводимости и первый регулируемый источник тока сопряжения, причем затвор двадцать девятого усилительного полевого транзистора является первым выводом первого, второго, пятого и шестого регулируемых источников напряжения сопряжения и вторым выводом одиннадцатого и двенадцатого регулируемых источников напряжения сопряжения, сток двадцать девятого усилительного полевого транзистора соединен со стоком и затвором тридцать первого усилительного полевого транзистора и затвором тридцать второго усилительного полевого транзистора, сток которого соединен с затвором и стоком тридцатого усилительного полевого транзистора и яв- ляется вторым выводом первого, второго, пятого и шестого регулируемых источников напряжения сопряжения и первым выводом одиннадцатого и двенадцатого регулируемых источников напряжения сопряжения, истоки двадцать девятого и тридцатого усилительных полевых транзисторов соединены с первым выводом первого регулируемого источника тока сопряжения, второй вывод которого соединен с второй шиной питания,. а вход управления является входом управления первого, второго, пятого, шестого, одиннадцатого и двенадцатого регулируемых источников напряжения сопряжения, а истоки тридцать первого и тридцать второго усилительных полевых транзисторов соединены с первой шиной питания.

5, Перемножитель по и. 1, о т л и-ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности в широком диапазоне температур, третий, четвертый и с седьмого по десятый регулируе»»л»е источники напряжения сопряжения. содержат каждый тридцать третий и тридцать четвертый усилительные полев»»е тр»»»з»»сторы р-типа проводимости, 1З )4 тридцать пятый и тридцать шестой усилительные полевые транзисторы и-типа проводимости и второй регулируемый источник тока сопряжения, причем затвор тридцать третьего усилительного полевого транзистора является вторым выводом третьего, четвертого, седьмого и восьмого регулируемых источников напряжения сопряжения и первым выводом девятого и десятого регулируемых источников напряжения сопряжения, сток тридцать третьего усилительного полевого транзистора соединен со стоком и затвором тридцать пятого усилительного полевого транзистора и затвором тридцать шестого усилительного полевого транзистора, сток которого соединен со стоком и затвором тридцать четвертого усилительного по78230

l4 левого транзистора и является первым выводом третьего, четвертого, седьмого и восьмого регулируемых источни5 ков напряжения сопряжения и вторым выводом девятого и десятого регулируемых источников напряжения сопряжения, истоки тридцать третьего и тридцать четвертого усилительных полевых транзисторов соединены с первым выводом второго регулируемого источника тока сопряжения, второй вывод которого соединен с первой шиной питания, а вход управления является входом уПравления третьего, четвертого и с седьмого по десятый регулируемых источников тока сопряжения, а истоки тридцать пятого и тридцать шестого усилительных полевых транзисторов соединены с второй шиной питания.

1478230

)478230

Составитель О. Отраднов

Редактор И. Шулла ТехредЛ.Сердюкова Корректор Л. Пилипенко, Заказ 2365/49 Тираж 669 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 оО

62y ХУ

61 8т

$0

67 70 ев аЧ 8S

51 7g 7У

76 - 71 7Х 77

7S 18