Четырехквадрантное множительное устройство Советский патент 1980 года по МПК G06G7/164 

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано Б аналотовых вычислительных машинах и радиотехнической аппаратуре.

Известен четырехквадрантный перемножитель сигналов на дифференциальных усилительных «аскадах ;, содержащий два дифференц-иалыных усилительных каскада, выходы которых соединены перекрестно, а К точкам соединения подключены выводы нагрузочных резисторов, другие выводы которых соединены с шиной литания. Дифферендиальлый амиттерлый повторитель, в обш,ей цепи которого включен генератор тока на двух транзисторах с объединенными коллекторами, подключен к базам дифференциальных усилительных каскадов. Эмиттеры дифференциальных усилительных каскадов через управляющие транзисторы подсоединены ко BTOpOLMy генератору тока. Причем -базы транзисторов генератора тока на двух транзисторах и входы второго генератора тока объединены между собой лопарло и образуют третий вход. Такое устройство не термостаблльно, однакю его можно использовать для перемножения трех сигналов при условии, что два входа перемножителя работают в режиме переключения, а один

вход - линейный с возможностью масштабирования динамического диапазона.

Наиболее близким техническим реше5 нием к изобретению является четырехквадрантное .множительное устройство 2, содержащее два дифференциальных усилительных каскада, выходы которых соединены перекрестно, подключены к выводам соответствующих нагрузочных резисторов и являются выходом устройства, два дифференциальных генератора стабильного тока, два управляемых напряжением дифференциальных источника тока, линеаризующие диоды и источник напряжения смещения. Дифференциальные выходы первого и второго генераторов стабильного тока подключены ко входам первого и второго управляемых напряжением дифференциальных источников тока соответственно. Выходы

20 первого управляемого напряжением дифференциального источника тока иодключены ко входам первого и второго дифференциальных усилительных каскадов, а вход

25 является первым входом устройства. Вход второго управляемого ианряженнем дифференциального источника тока является вторым входом устройства. Первый и второй входы первого дифференциального усили30тельного каскада подключены через соответствующие линеаризующие диоды к выходу источника напряжения смещения.

Недостатком этого устройства является отсутствие возможности реализации функции перемножения суммы двух произвольных сигналов на третий произвольный сигнал с одновременным масштабированием по всем трем входам, что резко ограничивает возможности применения устройства в аналоговых вычислительных машинах и радиотехнической аппаратуре. В сбалансированном состоянии при Н|0рмальной температуре устройство обладает достаточно высоким динамическим диапазоном. Одиа,ко в широком интервале температур происходит из1менение масштабного коэффициента перемножения, в результате чего сужается динамический диапазон перемножаемых сигналов.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона перемнюжаемых сигналов в широком диапазоне температур при одновременном масштабировании по трем входам.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемое множительное устройство введены третий и четвертый дифференциальные усилительные каскады, два дифференциальных источника то«а, два дополлителыных Линеаризующих диода, маештаб.ные резистОры и балансные резистОры, лрлчем первый и второй входы третьего и четвертого дифференциальных усилительных каскадов перекрестно соединены и являются третьим входом устройства. Выходы третьего дифференциального усилительного, каскада подключены к первому и второму входам первого дифференциального усилительного каскада. Выходы четвертого дифференциального усилительного каскада подключены к первому и второму входа-м второго дифференциального каскада н через дополнительные линеаризующие диоды к выходу источника напряжения смещения. Выходы первого дифференциального источника тока подключены к третьему и четвертому входам третьего дифференциального уоилительного каскада, а выходы второго дифференциального источника тока - к третьему и четвертому входам четвертого дифференциального усилр1тельного каскада. Первый вход первого дифферен и1ального источника тока через последовательно соединенные первый и вторрй балансные резисторы подключен ко второму выходу второго дифференциального источника тока, а второй выход первого дифферениального источника тока через последовательно соединенные третий и четвертый балансные резисторы подключен к первому входу второго дифференциального источника тока. Первый балансный резистор через первый масштабный резистор подключен к третьему балансному резистору. Выходы первого и второго дифференциальных источников тока подключены к выходам второго управляемого напряжением дифференциального источника тока, ко входам (Которого иараллельно подключен второй масштабный резистор. Ко входам первого управляемого напряжением дифференциального источника тока параллельно подключен третий масштабный резистор. Функциональная схема предложенного

четырехквадрантного перемножителя сигналов изображена на чертеже.

Устройство содержит линеаризующие диоды /, 2, источник напряжения смещения 5, дополнительные линеаризующие диоды 4, 5, нагрузочные резисторы 6, 7, соответственно первый, второй, третий и четвертый дифференциальные усилительные каскады 8, 9, 10, 11, первый и второй дифференциальные генераторы стабильного тока 12 и 13, первый и второй управляемый напряжением дифференциальные источники тока 14 и 15, первый и вторрй дифференциальные источники тока 16 и 17, первый, второй, третий и четвертый балансные резисторы 18, 19, 20, 21, первый, второй и третий масштабные резисторы 22, 23, 24.

Устройство работает следуюшнм образом.

При подаче на третий 27 и первый 25

дифференциальные входы устройства напряжения, не равного нулю, отсутствии сигнала на втором 26 дифференциальном входе и при условии, что соиротивления масштабных резисторов 22 и 24 не равны

бесконечности, выходное - напряжение на дифференциальном выходе 28 пропорционально произведению входных напряжений. Сигнал, поступивший иа вход 27 устройства, воздействует на входы двух пар

дифференциальных усилительных каскадов, состоящих соответственно из первого S, третьего 10, второго 9 и четвертого 11 дифференциальных усилительных каскадов. Каждая иара дифференциальных усилительных

каскадов содержит пару линеаризующих диодов /, 2 и 4, 5 и поэтому обладает высокой линейностью коэффициента передачи в широком диапазоне входных напряжений. При отсутствии сигнала иа входе 26 и

при полной идентичности обеих пар дифференциальных усилительных каскадов их коэффициенты передачи должны быть равны по величине и противоположны по знаку. Таким образом, выходные токи в резисторах 6, 7 и выходное дифференциальное напряжение (на выходе 25) не зависят от уровня сигнала на первом дифференциальном входе устройства, когда на входе 25 сигнал отсутствует.

При подаче сигнала на вход 26 и равенстве нулю сигнала на входе 27 напряжение на выходе 25 устройства также отсутствует из-за идентичности между собой двух токовых цепей (первая токовая цепь:

источник тока 16, усилительные каскады вая цепь: источник тока 17, усилительные каскады //, 9, резистор 7, диоды 4, 5). Однако, например, при транзисторном исполнении устройства происходит модуляция эмлттерных сопротивлений транзисторов первого 8 и второго 9 дифференциальных усилительных каскадов. Коэффициенты передачи этих каскадов и, следовательно, коэффициенты передачи пары дифференциальных усилительных каскадов изменяются по вел.ичине в противофазе относительно друг друга. При этом происходит модуляция сопротивлений диодов /, 2, 4, 5, вследств.ие чего коэффициент передачи пары каскадов S, 10 изменяется по величине в противофазе коэффициенту передачи пары усилительных каскадов 9, //. Результатом этого является появление выходного напряжения при наличии сигналов на и третьем дифференциальных входах. Таким образом, при неравенстве нулю сигналов на всех трех дифференциальных, входах выходное дифференциальное напряжение равно сумме двух составляющ.их. Пер|вая составляющая выходного напрялчения прямо пропорциональная произведению сигналов на первом .и втором дифференциальных входах и обратно пропорционально произведению сопротивления резисторов 22 и 24. Вторая составляющая прямо пропорциональна произведению сигналов на первом и третьем дифференциальных входах : обратно пропорциональна произведению ос противлении резисторов 22 и 23. Следствием этого является обеспечение на дифференциальном выходе четырехквадрантного перемножителя сигналов функции вида и,.,, к,.и,.,.и,.и., D- 01 бС) -, R.,,.- -/Г, -,... . /(J-I Хч) А-), , А .,./.); где /01 и /02 - режимные токи, обозначенные на чертеже; t/.v - входное напряжение на первом дифференциальном входе; Uy - входное напряжение на втором дифференциальном входе; t/г - входное напряжение на третьем дифференциальном в.чоде;) - сопротивление нагрузочных резисторов 6(7) ( /); 22, 23RZ.- сопротивления масштабных резисторов 22, 23, 24. Выражение (1) справедливо при 6условии, что /02 --- Выбором сопротивлений масщтабных резисторов МОЖН10 обеспечить равенство К и добиться на выходе устройства реализации функции перемножения суммы двух произвольных сигналов и,, и U, на третий призвольный сигнал Ь.. U,,,,fi.U(Uy :-и,}. Высокое значение динамического диапазона перемножаемых сигналов в широком интервале температур обеспечиваются в предлагаемо.м устройстве за счет повышения термостабильности коэффициентов подавления двух из трех входных сигналов. Так повышенная термостабильность коэффициентов подавления входных сигналов, прикладываемых ко второму .и третьему входа.м устройства, является следствием практически полной ликвидации взаимного влияния входных (базовых) токов первого 8 :И второго 9 дифференциальных уоилительных каскадов. Обычно дифференциальный усилительный каскад в транзисторном исполнении представляет собой дифференциальную пару транзисторов с общим эмиттером. Каждый такой каскад с линеаризирующими диодами отличается как высокой термостабильиостью коэффициента передачи, так и повышенной теримостабильностью коэффициента подавления синфазной составляющей входных напряжений, формирующихся на линеаризирующих диодах /, 2 11 4,5с помощью третьего 10 и четвертого // дифференциальных усилительных каскадов под влиянием входного напряжения на третьем дифференциальном входе устройства. Первый 8 и второй 9 дифференциальные усилительные каскады обладают повышенной термостабильностью также п по коэффициенту токораспределенпя по общим (эмиттерным) цепям, питаемым вы.ходными тока(Ми первого 14 управляемого напряжения дифференциального источника тока, следствием чего является повышение термостабильности коэффициента подавления входного напряжения на второ.м дифференциальном входе устройства. В результате применения изобретения расширяются функциональные возможности четырехквадрантного перемножителя сигналов и при проектировании аналоговых вычислительных машин появляется возможность эквивалентной замены трех элементов (два перемножителя сигналов и сум-матор) на одно предложенное устройство с более высокими эксплуатационными параметрами. Формула изобретения Четырехквадрантное множительное устройство, содержащее два дифференциальных каскада, выходы которых соединены перекрестно, подключены к выводам соответствующих нагрузочных резисторов и являются ВЫХОДОМ устройства, два дифферени.11альных генератора стабильного тока, два управляемых напряжением дифференциальных источника тока, линеаризующие диоды и источиик напряжения смещения, дифференциальные выходы первого ,и второго генераторов стабильного тока подключены ко входам первого и второго управляемых напряжением дифференциальных источников тока соответственно, выходы первого управляемого напряжением дифференциального источника тока подключены ко входам первого и второго дифференциальных усилительных каскадов, а вход является первым входом устройства, вход второго управляемого напряжением дифференциального источннка тока является вторым входом устройства, первый и второй входы первого дифферснциальиого усилительного каскада подключены через соответствующие линеаризующие диоды к выходу источника иапряжен1 я смещения, отличающееся тем, что, с целью расщиреиия дина.мического диапазона перемножаемых сигналов в шцроком диапазоне температур при одновременном масштабировании по всем трем входам, в устройство введены третий и четвертый дифференциальные усилительные каскады, два дифференциальных источника тока, два дополнительных линеаризующих диода, масщтабные резисторы и балансовые резисторы, причем первый ,и второй входы третьего и четвертого дифференциальных усилительных каскадов перекрестно соединены и являются третьим входом устройства, выходы третьего дифференциального усилительного каскада подключены к первому и второму входам первого дифференциальирго усилителя каскада, выходы четвертого дифференциального усилительного каскада подключены к первому и второму входам второго дифференциального

усил-ительного каскада и через дополнительные линеаризующие диоды подключены к выходу источника напряжения смещения, выходы первого дифференциального источника тока подключены к третьему и четвертому входам третьего дифференциального усилительного каскада, а выходы второго дифференциального «источника тока подключйны .к третьему и четвертому входаМ четвертого дифференциального усилительного каскада, лервый выход первого дифференциального источника тока через последовательно соединенные первый и второй балансные резисторы иодключены ко второму выходу второго дифференциального источника тока, а второй выход первого дифференциального источника тока через последовательно соединенные третий и четвертый балансные резисторы

подключен к первому выходу второго дифференциального источника тока, первый балансный резистор через первый масщтабный резистор подключен к третьему балансному резистору, входы первого и второго

дифференциальных источников тока подключены к выходам второго управляемого напряжен ем дифференциального источника тока, ко входам которого параллельно подключен второй Л1асщтабный резистор, ко

входам первого управляемого напряжением дифференциального источника тока параллельно подключен третий масщтабный резистор.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1 Авторское свидетельство СССР ЛЬ 434560, кл. Н 03 D 7/06, 1974. 2. Патент США № 3689752, кл. G 06 G 7/16, опублик. 1972 (прототип).