Аналоговый четырехквадрантный перемножитель 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 и снижение потребляемой мощности.

На фиг, изображена функциональная схема аналогового четырехквод- рантного перемножителя;на фиг. 2 - функциональная схема с первого по четвертый регулируемых источников напряжения смещений; на фиг. 3 - функциональная схема пятого, и шестого регулируемых источников напряжения смещения; на фиг. 4 - функциональная схема первого, второго, пятого, шестого, одиннадцатого и двенадцатого регулируемых источников напряжения сопряжения; на фиг. 5 - функциональная 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).

Перемножитель содержит I фиг,1-4) первый 1, второй 2 и третий 3 преоб4Ь

00

to

со

разователи 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- шряжения смещения,с первого по двенадцатый регулируемые источники 38-49 напряжения сопряжения, первую 50 и вто- jpyio 51 шипы питания, шипу 52 опорного напряжения,первую 53 и вторую 54 входные 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 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 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 тока 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 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, разность которых описывается выражением

I1-LL 4K3Јp(V0H-Vb2)Vv, (1) где 1ц ,1.1} - выходные токи третьего

преобразователя 3 напряжения в ток; постоянные параметры; Напряжение второго сигнала-сомножителя ; коэффициент, учитывающий крутизну усилительны полевых транзисторов. При этом первый выходной ток третьего преобразователя 3 напряжения в тек посредством первого преобразо Bl V&2 V,,

К

0

0

5

0

5

0

5

0

5

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 напряжения смещения и пятого 42, шестого 43, седьмого 44 и восьмого 45 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 описываются выражениями

Ц КЭФОЪ+УУ+УХ) ; is.K cva-Vy-v)2;

(V6+Vy-V, f ; (2)

I9.,(Vb-Vy+V, f, где I1M , ,

Д2.2 токи на выходах соответственно первого 1 и второго 2 преобразователей напряжения в ток; V4 - напряжение первого сигнала-сомножителя ,

Выходной ток перемножителя описывается выражением

1вы (IM+IU.)-(IU+II-B). (3)

Подставив .в (3) выражение (2),

получаем

1Ьы 4K3opVxVy .(4)

Выходное напряжение описывается выражением

Чьыг 4K3cpR V, Vy , ,(5)

где R - величина сопротивления идентичных первого 6 и второго 7 резисторов нагрузки. На фиг.2 показан пример построения 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) равна

-fl/Kn+{l/K(

I/Kn+Nl/Kp+Vnepn +VnOPp , (6)

где I - значение тока первого регулируемого источника 61 тока смещения;

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

УЛОР.П

ПОР Р пороговые напряжения этих транзисторов.

Разность потенциалов между первым 68 и вторым 69 выводами пятого 36 и шестого 37 регулируемых источников напряжения смещения (фиг.З) 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 и второго 9 усилительных полевых транзисторов первого преобразователя 1 напряжения в ток, напряжение между первым 7-6 и вторым 77 выводами определяется разностью напряжений затвор-исток двадцать девятого 71 и тридцатого 72 усилительных полевых транзисторов, которое равно

2т№(7)

где I - значение тока первого регулируемого 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 источ

782306

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,

IQ Таким образом, в аналоговом четы- рехквадрантном перемнсжителе отсутствует связь между точностью преобразования, значением тока потребления и значением максимально допустимого

15 входного напряжения. Это приводит к тому, что максимально допустимое входное напряжение перемножутеля ограничивается лишь допустимыми параметрами технологического процесса .

2Q производства полевых транзисторов: напряжением пробоя сток-исток, напряжением пробоя диэлектрика затвора в случае использования МДП-транзисто- ров, а также значением напряжения

25 используемых источников питания. Кроме того, постоянный уровень точности преобразования сохраняется во всем используемом диапазоне напряжений. Величина тока потребления перемножи30 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 сниженной мощностью потребления.

Таким образом, аналоговый четырех- квадрантный перемножитель обладает расширенным динамическим диапазоном,

40 повышенной точностью преобразования и сниженной мощностью потребления.

35

Формула изобретения

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 п-типа проводимости, и первом и втором регулируемых источниках напряжения смещения, второй преобразователь напряжения в ток, выполнен

ныи на третьем и четвертом усилительных полевых транзисторах n-типа проводимости и третьем и четвертом регулируемых источниках напряжения смещения, третий преобразователь напряжения в ток, выполненный на пятом и шестом усилительных полевых транзисторах р-типа проводимости, 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 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-сомножителя перемножителя, 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 перемножителя, входы управления пятого и шестого регулируемых источников напряжения смещеусилительные полевые транзисторы р- типа проводимости и первый, второй, третий и четвертый регулируемые источники напряжения сопряжения, во второй преобразователь напряжения в ток введены тринадцатый и четырнадцатый усилительные полевые транзисторы n-типа проводимости, пятнад0 цатый, 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,

0 двадцать третий и двадцать четвертый усилительные полевые транзисторы n-типа проводимости и девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый регулируемые источники напряжения со5 пряжения, сток восьмого усилительного полевого транзистора соединен со стоками первого, второго и седьмого усилительных полевых транзисторов, затвор первого усилительного полевого

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.

ния соединены с шиной опорного напря- зо транзистора соединен с первым выво- жения, стоки пятого и шестого усили- дом первого регулируемого источника

тельных 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, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона, повышения точности и снижения мощности потребления, в первый преобразователь напряжения в ток введены седьмой и восьмой усилительные полевые транзисторы n-типа проводимости; девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый

5

0

5

0

5

напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с затвором седьмого усилительного полевого транзистора, исток которого соединен с истоками 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 уси

лительных полевых транзисторов, затвор восьмого усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводо второго регулируемого источника напряжения сопряжения, первый вывод которого соединен с затвором второго усилительного полевого транзистора, сток которого соединен со стоком седьмого усилительного полевого тран зистора, а входы управления первого, второго и третьего, четвертого регулируемых источников напряжения сопряжения соединены с выходом соответственно первого и второго преобра эователей 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 регулируемого источника напряжения смещения и затвором пятнадцатого усилительного полевого транзистора, сток которого соединен с второй шино питания, стоками шестнадцатого, семнадцатого и восемнадцатого усилительных полевых транзисторов, затвор восемнадцатого усилительного полевого транзистора соединен с первым выводо восьмого регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с вторым выводом четвертого регулируемого источника напряжения смещения и затвором шестнадцатого усилительного полевого транзистора, исток которого соединен с истоками четвертого, четырнадцатог и восемнадцатого усилительных полевы транзисторов, затвор четырнадцатого усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводом шестого регулируемого источника напряжения сопряжения, первый вывод которого соединен с затвором четвертого усилительного полевого транзистора, сток которого соединен со с. гоком тринадца

0

5

Q g

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 усилие тельных полевых транзисторов, затвор двадцатого усилительного полевого . транзистора соединен с вторым выводом десятого регулируемого источника напряжения сопряжения, первый вывод 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 .

0

5

0

0

5

5

0

5

4, Перемножитель по п. 1

0

5

0

5

0

5

о т л и- целью

ч а ю щ и и с.я тем, что, с повышения точности в широком диапазоне температур, первый, второй, пятый, шестой, одиннадцатый и двенадцатый регулируемые источники напряжения сопряжения каждый содержит двадцать девятый и тридцатый усилительные полевые транзисторы n-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 две- иадцато го 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 является 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.

тридцать пятый и тридцать шестой усилительные полевые транзисторы п-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 выво- дом девятого и десятого регулируемых источников напряжения сопряжения, сток тридцать третьего усилительного полевого транзистора соединен со стоком и затвором тридцать пятого уси- лительного полевого транзистора и затвором тридцать шестого усилитель- ного полевого транзистора, сток которого соединен со стоком и затвором тридцать четвертого усилительного полевого транзистора и является первым выводом третьего, четвертого, седьмого и восьмого регулируемых источников 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.

.

оегзж

еавНГ J

Фиа 2

Фа г. у

0 50

И.

#76 Hf 51

Фцгз

Фи.г.ч

Фи.г.е