Аналоговый четырехквадратный умножитель

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 19) И 474 0667 ОСУДАРС О ИЗОБР РИ ГКНТ 0 ВьВй 4 Ь СЛ ЕННЫЙ НОМИТЕТЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ ССР СКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТ(54) АНАЛОГОВЫЙ ЧЕТЫРЕХКВАДРАНТБЬЙ УМНОЖИТЕЛЬ(57) Изобретение относится к электрическим вычислительным устройствам и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах. Цель изобретения - 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 напряжениепервый 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 питания 32, шину опорного напряжения 33, входные шины 34-37 первого и второго сигналов- сомножителей, выходные шины 38 и 39, Принцип работы умножителя основан на реализации метод; переменной крутизны. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. 1изобретение относится к электрическим вычислительным устройствам и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах,Целью изобретения является рение динамического диапазона, шение точности преобразования жение мощности потребления.5 расши- повыи сниНа фиг.1 изображена функциональная схема аналогового четырехквадрантного умножителя; на фиг.2 - функциональная схема регулируемого источ ника напряжения смещения; на фиг.3 - 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 передаточной характеристики третьего преобразователя напряжения в ток (пунктирная линия) е25На схемах обозначены первый,1, второй 2,и третий 3 преобразователи напряжения в ток, первый 4 и второй 5 преобразователи тока в напряжение , первйй 6 и второй 7 резисторы на 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 солряже" ния, первая шина 32 питания, шина 33 .опорного напряжения, первая 34 и вторая 35 входные шины первого сигнала" .сомножителяпервая 36 и вторая 37 40 входные шины второго сигнала-сомножителя, первая 38 и вторая 39 выходные шины, тринадцатый усилительный полевой транзистор 40, регулируемый ис" точник 41 тока смещения, повторитель 42 напряжения, первый 43 и второй 44 выводы регулируемого источника напряжения смещения, вход 45 управления, первая 46 и вторая 47 шины питания, четырнадцатый 48 и пятнадцатый 49 усилйтельные полевые транзисторы птипа, шестнадцатый 50 и семнадцатый 51 усилительные полевые транзисторы р-типа, регулируемый источник 52 тока сопряжения, первый 53 и второй 54 выводы регулируемого источника напряжения сопряжения, вход 55 управления, первая 56 и вторая 57 шины питания.1,12,12,2где 1;- 1(Чв + Чу + Чх), 11,(Ч Чу Ч )1(Ч + Ч- Ч ), (3) =К(Ч -Чу +Чх)- выходной ток -го выхода1-го преобразователя напряжения в ток (, 1=1, 2),Аналоговый четырехквадрантныйумножитель работает следующим образам.Принцип действия основан на использовании метода переменной крутизны, При подаче на входные шины 36 и37 напряжения второго сигнала-сомножителя на выходах третьего преобразователя 3 напряжения в ток протекаюттоки21, = с(Ч, + Чу)(1)12 = 1 с(Ч - Чу)где 1 Ч - постоянные параметры,Ч - напряжение второго сиг 5нала-сомножителя,Разность этих токов описываетсявыражением1=1 -1 =41 сЧЧ (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 транзисторв диодном вклю. чении, 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 выражениями15 пряжения,Следует заметить, что при реализации всего умножителя в интегральном исполнении изменение токов всех Ток на выходе умножителя описывается выражением1 ьых (14+ 1 я ) (14 2 + 12) (4)После подстановки в (4) выражений(3) получают1 ьых= 4 Ю 3, . (5)Выходное напряжениеПвых = 4 ЖУ, (6)где К - величина сойротивления идентичных резисторов нагрузки,Методы реализации регулируемыхисточников напряжения смещения, значения напряжений которых определяютзначения крутизны соответствующихпреобразователей напряжения в ток,могут быть различны. Схема регулируемого источника напряжения смещения(7)попгде 1 - значение тока регулируемогоисточника 4 тока смещения;25- крутизна тринадцатого усилительного полевого трайзистора 40;0 - пороговое напряжение (парапорметр полевого транзистора),Значения напряжений сопряженийопределяют значения крутизны соответствующих преобразователей напряжения,в ток при больших уровнях входногонапряжения. При выборе отношения ширины канала к длине канала четырнадцатого усилительного полевого транэис1тора 48 в 9 раз меньше отношенияширины 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 преобразователейнапряжения в ток, получают, что напряжение между первым 53 и вторым4554 выводами определяется разностьюнапряжений затвор - исток четырнадцатого 48 и пятнадцатого 49 усилительных полевых транзисторов,Величина этого напряжения50Е(8)где 1 - значение тока регулируе-мого источника 52 тока соиспользуемых регулируемых источников тока пропорционально при темпЕра-турных изменениях окружающей среды.В соответствии с этим пропорционально изменяются и напряжения источников напряжения смещения, что приводит к сохранению точности преобразования умножителя в широком диапазонетемператур,Таким образом, в умножителе отсутствует связь между точностью преобразования, значением тока потребления и значением максимально допустимого-входного напряжения, Зто приводит к тому, что максимально допустимое входное напряжение умножителяограничивается лишь допустимыми тех/нологическжки параметрами процессапроизводства полевых транзисторов:напряжением пробоя сток-исток, напряжением пробоя диэлектрика затворав случае использования ИДП-транзисторов, а также значением напряженияиспользуемых источников питания,Кроме того, постоянный уровень точности преобразования сохраняется вовсем используемом диапазоне входныхнапряжений и величина тока потребления влияет лишь на значение шириныполосы рабочих частот и не оказываетвлияния на значение точности преобра"зования при различных уровнях входного напряжения.В результате аналоговый четырехквадрантный умножитель обладает расширенным динамическим диапазоном, повышенной точностью преобразования исниженной мощностью потребления,Формула изобретения. 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 .транзисторахи пятом и шестом регулируемых источниках напряжения смещения, затворыпервого и четвертого усилительныхполевых транзисторов соединены с первыми выводами второго и третьего регулируемых источников напряжения смещения и являются первой входной шиной первого сигнала-сомножителя умно-.жителя, затворы второго и третьегоусилительных полевых транзисторов ссоединены с первыми выводами первогои четвертого регулируемых источниковнапряжения смещения и являются второй входной шиной первого сигналасомножителя умножителя; затворы пятого и шестого усилительных полевыхтранзисторов соединены с первым выводом соответственно шестого и пятого регулируемых источников напряжениясмещения и являются соответственнопервой и второй входными шинами второго сигнала-сомножителя умножителя,входы управления пятого и шестого регулируемых источников напряжениясмещения соединены между собой и являются шиной опорного напряжения,стоки пятого и шестого усилительныхполевых транзисторов соединены с вхо,цами соответственно первого и второго преобразователей ток - напряжение,выходы которых соединены с входамиуправления соответственно первого ичетвертого регулируемых источниковнапряжения смещения, сток первогоусилительного полевого транзисторачерез 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, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона, повьпце-.ния точности преобразования и снижения мощности потребления, в первыйпреобразователь напряжения в ток введены седьмой и восьмой усилительныеполевые транзисторы и первый и вто-,рой регулируемые источники напряжения сопряжения, во второй преобразователь напряжения в ток введены девятый и десятый усилительные полевыетранзисторы и третий и четвертый регулируемые источники напряжения со"пряжения, в третий преобразователь2 О пряжения смещения и истоком восьмо 30 4 Б БО 5 10 1 Б напряжения в ток введены одиннадцатый и двенадцатый усилительные полевыетранзисторы и пятый и шестой регулируемые источники напряжения сопряжения, исток первого усилительного полевого транзистора соединен с вторымвыводом первого регулируемого источника напряжения смещения и истокомседьмого усилительного полевого тразистора, затвор которого соединен спервым выводом первого регулируемого источника напряжения сопряжения,второй вывод которого соединен с завором первого усилительного полевогтранзистора, исток второго усилительного полевого транзисторасоединен с вторым выводомвторого регулируемого источника наго усилительного полевого транзистора затвор которого соединен с первым выводом второго регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с затворомвторого усилительного полевого транзистора, сток которого соединен состоками первого, седьмого и восьмогоусилительных полевых транзисторов,исток третьего усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводом третьего регулируемого источни ка напряжения смещения и с истоком девятого усилительного полевого трав зистора, затвор которого соединен с первым выводом третьего регулируемаго источника напряжения сопряжения,второй вывод которого соединен с зат вором третьего усилительного полевог. транзистора, исток четвертого усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводом четвертого регулйруемого источника напряжения смещения и истоком десятого усилительного полевого транзистора, затворкоторого соединен с первым выводомчетвертого регулируемого. источниканапряжения сопряжения, второй выводкоторого соединен с затвором четвертого усилительного полевого транзистора, сток которого соединен со стоками третьего, девятого и десятогоусилительных полевых транзисторов,.исток пятого усилительного полевого транзистора соединен с вторым выводом пятого регулируемого источника напряжения смещения и с истоком одиннадцатого усилительного полевоготранзистора, затвор которого соеди 1474 б 85нен с первым выводом пятого регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод которого соединен с затвором пятого усилительного поле 5 вого 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. усилительного полевого транзистора, входы управления первого и третьего регулируемых источников напряжения сопряжения соединены с выходом первого преобразователя ток - напряжение и вхо дом управления третьего регулируемого источника напряжения смещения, входы управления второго и четвертого регулируемых источников напряжения сопряжения соединены с выходом 30 второго преобразователя ток-напряжение и входом управления второго ре,гулируемого источника напряжения смещения, входы управления пятого и шес,того регулируемых источников напряжения сопряжения соединены с шиной опорного напряжения.2, Умножитель по п, 1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что регулируемыи источник напряжения смещения со держит тринадцатый усилительный полевой транзистор, регулируемый источник тока смещения и повторитель напряжения, затвор тринадцатого усиди- тельного полевого транзистора являет ся первым выводом регулируемого источника напряжения смещения, сток тринадцатого усилительного полевого транзистора соединен с первой шиной питания, а исток соединен с первымвыводом регулируемого источника тока смещения и входом повторителя напряжения, выход которого являетсявторым выводом регулируемого источника напряжения смещения, второй вывод регулируемого источника токасмещения соединен с второй шиной питания, а его вход управления является входом управления регулируемого тисточника напряжения смещения. З.Умножитель по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразования в широком диапазоне температур, регулируемый источник напряжения сопряжения содержит. четырнадцатый и пятнадУ цатый усилительные полевые транзисторы первого типапроводимости, например п-типа, шестнадцатый и семнадцатый усилительные полевые транзисторы второго типа проводимости, например р-типа, и регулируемый источник тока сопряжения, затвор четырнадцатого усилительного полевого транзистора является вторым выводом регулируемого источника напряжения сопря жения, сток четырнадцатого усилительного полевого транзистора соединен со стоком и затвором шестнадцатого усилительного полевого транзистора и затвором семнадцатого усилительного полевого транзистора и является первым выводом регулируемого источника напряжения сопряжения, истоки четыр" надцатого и пятнадцатого усилительных полевых транзисторов. соединены с первым выводом регулируемого источника тока сопряжения, вход управления которого является входом управления регулируемого источника напряжения сопряжения, второй вывод регулируемого источника тока сопряжения соединен с второй шиной питания, а истоки шестнадцатого и семнадцатого усилительных полевых транзисторов соединены с первой шиной питания,Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина,10 Заказ 1897/49 Тираж 667ВБИИПИ Государственного комитета по изобр113035, Москва, Ж, Рауш Подписноетениям и открытиям при ГКНТ СССРская наб., д. 4/5