Аналоговый четырехквадратный умножитель Советский патент 1989 года по МПК G06G7/16 

Изобретение относится к электрическим вычислительным устройствам и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах,

Целью изобретения является расширение динамического диапазона, повышение точности преобразования и снижение мощности потребления„

На фиг.1 изображена функциональная схема аналогового четырехквад- рантного умножителя; на фиг.2 - функциональная схема регулируемого источ- ника напряжений смещения; на фиг.З - 15 функциональная схема регулируемого источника напряжения сопряжения; на фиг,4 - графики зависимости выходных токов третьего преобразователя напряжения в ток от входного напряжения 20 (сплошная линия) и график передаточ- ной характеристики третьего преобразователя напряжения в ток (пунктирная

линия).

125

На схемах обозначены первьй 1,

второй 2.и третий 3 преобразователи напряжения в ток, первый 4 и второй 5 преобразователи тока в напряжение. первый 6 и второй 7 резисторы на- 30 грузки, с первого по двенадцатый усилительные полевые транзисторы 8-19, с первого по шестой регулируемые источники 20-25 напряжения смещения с первого по шестой регулируемые ис- точники 26-31 напряжения сопряжения, первая шина 32 питания, шина 33 озорного напряжения, первая 34 и вторая 35 входные шины первого сигнала- сомножителя первая 36 и вторая 37 40 входные шины второго сигнала-сомножителя, первая 38 и вторая 39 выходные шины, тринадцатый усилительный полевой транзистор 40j регулируемый источник 41 тока смещения, повторитель 42 напряжения, первый 43 и второй 44 выводы регулируемого источника напря- жения смещения, вход 45 управления, первая 46 и вторая 47 шины питания, четырнадцатый 48 и пятнадцатый 49 усилительные полевые транзисторы п- типа, шестнадцатый 50 и семнадцатый 51 усилительные полевые транзисторы р-типа, регулируемый источник 52 тока сопряжения, первый 53 и второй 5 54 выводы регулируемого источника напряжения сопряжения, вход 55 управления, первая 56 и вторая 57 шины питания„

0

5 0

5

0 e 0 5

(О

Аналоговый четырехквадрантный умножитель работает следующим образом.

Принцип действия основан на использовании метода переменной крутизны. При подаче на входные шины 36 и 37 напряжения второго сигнала-сомножителя на выходах третьего преобразователя 3 напряжения в ток протекают токи

I4 k(Vb + Vy)2 ;

Iz k(V5- V5)z,

где k, Va - постоянные параметры, Vy - напряжение второго сигнала-сомножителя „ Разность этих токов описывается выражением

I I, - 1г 4kVBV9 (2) При этом первый выходной ток третьего преобразователя 3 напряжения в ток посредством первого преобразователя 4 тока в напряжение, в качестве которого может быть использован полевой транзистор в диодном включении, 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 с этим второй выходной ток третьего преобразователя 3 напряжения в ток посредством второго преобразователя 5 тока в 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 смещения 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 первого сигнала- сомножителя с входных шин 34 и 35 описываются выражениями

IM k(vB + V4 + vjf;

I2.f fc(vB - vy - vy) ,

I4i k(VB + Vy - V«) , (3)

IZ.4 Vy + V),

где I - выходной ток 1-го выхода преобразователя напряжения в ток (i,,2).

Ток на выходе умножителя описывается выражением

I6b,X UM +I..)-(I«.,2) (

После подстановки в 04) выражений (3) получают

W 4kVxVr(5)

Выходное напряжение

иВьи 4kRVxVb,(6)

где R - величина сопротивления идеи- тичных резисторов нагрузки.

Методы реализации регулируемых источников напряжения смещения, значения напряжений которых определяют значения крутизны соответствующих преобразователей напряжения в ток, могут быть различны. Схема регулируемого источника напряжения смещения (фиг.2) имеет разность -напряжений между выводами 43 и 44, равную

k + %

(7)

k Jnop

где I - значение тока регулируемого источника 41 тока смещения; крутизна тринадцатого усилительного полевого транзистора 40;

- пороговое напряжение (параметр полевого транзистора). Значения напряжений сопряжений определяют значения крутизны соответствующих преобразователей напряжения в ток при больших уровнях входного напряжения, При выборе отношения ширины канала к длине канала четырнадцатого усилительного полевого транзитора 48 в 9 раз меньше отношения ширины канала к длине канала пятнадцатого усилительного Полевого транзистора 49, размеры канала которого совпадают с размерами канала входных полевых транзисторов первого 1, второго 2 и третьего 3 преобразователей напряжения в ток, получают, что напряжение между первым 53 и вторым 54 выводами определяется разностью напряжений затвор - исток четырнадцатого 48 и пятнадцатого 49 усилительных полевых (транзисторов. Величина этого напряжения

U

сопр

(8)

где I - значение тока регулируемого источника 52 тока сопряжения .

Следует заметить, что при реализации всего умножителя в интегральном исполнении изменение токов всех

,.

jg

5 0

5

С

5

0

5

0

5

используемых регулируемых источников тока пропорционально при температурных изменениях окружающей среды. В соответствии с этим пропорционально изменяются и напряжения источников напряжения смещения, что приводит к сохранению точности преобразования умножителя в широком диапазоне температур.

Таким образом, в умножителе отсутствует связь между точностью преобразования, значением тока потребления и значением максимально допустимого - Входного напряжения. Это приводит к тому, что максимально допустимое входное напряжение умножителя ограничивается лишь допустимыми технологическими параметрами процесса производства полевых транзисторов: напряжением пробоя сток-исток, напряжением пробоя диэлектрика затвора в случае использования МДП-транзис- торов, а также значением напряжения используемых источников питания. Кроме того, постоянный уровень точности преобразования сохраняется во всем используемом диап-азоне входных напряжений и величина токя потребления влияет лишь на значение ширины полосы рабочих частот и не оказывает влияния на значение точности преобразования при различных уровнях входного напряжения

В результате аналоговый четырех- квадрантный умножитель обладает расширенным динамическим диапазоном, повышенной точностью преобразования 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, выполненный 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 второго и третьего регулируемых источников напряжения смещения и являются первой входной шиной первого сигнала-сомножителя умножителя, затворы второго и третьего усилительных полевых транзисторов с соединены с первыми выводами первого и четвертого регулируемых источников напряжения смещения и являются второй входной шиной первого сигнала- сомножителя умножителя, затворы пятого и шестого усилительных 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 умножителя, входы управления пятого и шестого регулируемых источников напряжения смещения соединены между собой и являются 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 и четвертого регулируемых источников напряжения смещения, сток первого усилительного полевого транзистора через первый резистор нагрузки соединен с первой шиной питания, сток четвертого усилительного полевого транзистора через второй резистор нагрузки соединен с первой шиной питания, стоки первого и четвертого усилительных полевых транзисторов являются соответственно первой и второй выходными шинами умножителя, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона, повышения точности преобразования и снижения мощности потребления, в первый преобразователь напряжения в ток введены седьмой и восьмой усилительные полевые транзисторы и первый и второй регулируемые источники напряже- ния сопряжения, во второй преобразонапряжения в ток введены одиннадцатый и двенадцатый усилительные полевые транзисторы и пятый и шестой регулируемые источники напряжения сопряже

ния, исток первого усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводом первого регулируемого источника напряжения смещения и истоком

седьмого усилительного полевого тра; зистора, затвор которого соединен с первым выводом первого регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с aai

вором первого усилительного полевого транзистора, исток второго усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводом второго регулируемого источника напряжения смещения и 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 стоками первого, седьмого и восьмого усилительных полевых транзисторов,

исток третьего усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводом третьего регулируемого источни ка напряжения смещения и с истоком девятого усилительного полевого трап

зистора, затвор которого соединен с первым выводом третьего регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с зат вором третьего усилительного полевог

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 которого соединен с затвором четвертого усилительного полевого транзистора, сток которого соединен со сто- ками тр етьего, девятого и десятого усилительных полевых транзисторов, исток пятого усилительного полевого

Изобретение относится к электрическим вычислительным устройствам и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах. Целью изобретения является расширение динамического диапазона, повышение точности преобразования и снижение мощности потребления. Аналоговый четырехквадрантный умножитель содержит с первого по третий преобразователи 1-3 напряжения в ток, первый и второй преобразователи 4 и 5 тока в напряжение, первый и второй резисторы 6 и 7 нагрузки, с первого по двенадцатый усилительные полевые транзисторы 8-19, с первого по шестой регулируемые источники 20-25 напряжения смещения, с первого по шестой регулируемые источники 26-31 напряжения сопряжения, первую шину 32 питания, шину 33 опорного напряжения, входные шины 34-37 первого и второго сигналов-сомножителей, выходныешины 38 и 39. Принцип работы умножителя основан на реализации метода переменной крутизны. 4 ил.

ватель напряжения в ток введены девя- 55 транзистора соединен с вторым вывотый и десятьй усилительные полевые транзисторы и третий и четвертый регулируемые источники напряжения сопряжения, в третий преобразователь

дом пятого регулируемого источника напряжения смещения и с истоком оди нэдцатого усилительного полевого транзистора, затвор которого соедидом пятого регулируемого источника напряжения смещения и с истоком один- нэдцатого 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 шестого усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводом шестого регулируемого источника напряжения смещения и с истоком двенадцатого усилительного полевого транзистора, затвор которого соединен с первым выводом шестого регулируемо- го источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с затвором шестого усилительного полевого транзистора, сток которого соединен со стоком одиннадцатого усилительно- го полевого транзистора, входы управления первого и третьего регулируемых источников напряжения сопряжения соединены с выходом первого преобразователя ток - напряжение и вхо- дом управления третьего регулируемо- го источника напряжения смещения, входы управления второго и четвертого регулируемых источников напряжения сопряжения соединены с выходом второго преобразователя ток-напряжение и входом управления второго ре(гулируемого источника напряжения смещения, входы управления пятого и шесjтого регулируемых источников напря- жения сопряжения соединены с шиной опорного напряжения.

питания, а исток соединен с первым выводом регулируемого источника тока смещения и входом повторителя на- пряжения, 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 т источника напряжения смещения.

динен с второй шиной питания, а истоки шестнадцатого и семнадцатого усили- тельных полевых транзисторов соединены с первой шиной питания.

«

Фиг. 2

Фиг.З

ЧЛ

Фиг. Ц