Патент на изобретение №2389072

(54) АНАЛОГОВЫЙ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЬ ДВУХ СИГНАЛОВ

(57) Реферат:

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_к14I₁₈I_к15I₁₉=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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ