CN102135868B - 混合式宽范围乘法器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合式宽范围乘法器及其方法，用以将第一及第二信号相乘产生输出信号。该乘法器包括增益调整器将参考值转换为参考信号，增益追随器将该第一信号转换为该输出信号，增益控制器将该第二信号转换为目标值，比较器比较该参考信号及目标值而产生比较信号，数字电路根据该比较信号产生控制信号，据以调整该增益调整器的增益，以使该参考信号等于该目标值，以及调整该增益追随器的增益，使其维持与该增益调整器的增益的比例关系。

Description

混合式宽范围乘法器及其方法

技术领域

本发明涉及一种乘法器，特别是关于一种混合式宽范围乘法器。

背景技术

传统的模拟乘法器由MOS晶体管构成，例如2006年在IEEE发表的论文「ALowVoltageFour-QuadrantAnalogMultiplierUsingTriode-MOSFETs」，这类乘法器利用MOS晶体管的三极管区(trioderegion)来实现，因此其输入信号受限在一定范围内，故只适合交流小信号的应用。大直流信号的应用通常使用数字乘法器，但数字乘法器有占用较大芯片面积的缺点。

发明内容

本发明的目的之一，在于提出一种结合模拟电路及数字电路的混合式宽范围乘法器及其方法。

本发明的目的之一，在于提出一种具有宽输入范围的乘法器及其方法。

根据本发明，一种用以将第一及第二信号相乘产生输出信号的混合式宽范围乘法器包括增益调整器根据参考值产生参考信号，增益追随器根据该第一信号产生该输出信号，增益控制器根据该第二信号产生目标值，比较器比较该参考信号及目标值产生比较信号，以及数字电路根据该比较信号产生控制信号，以调整该增益调整器的增益以使该参考信号等于该目标值，以及调整该增益追随器的增益使其维持与该增益调整器的增益的比例关系。

根据本发明，一种用以将第一及第二信号相乘产生输出信号的方法包括根据第一增益及参考值产生参考信号，根据该第二信号产生目标值，比较该参考信号及目标值产生比较信号，根据该比较信号决定控制信号，根据该控制信号调整该第一增益，以使该参考信号等于该目标值，以及根据该控制信号调整第二增益，使其维持与该第一增益的比例关系，以及根据该第二增益及该第一信号产生输出信号。

本发明的乘法器根据欧姆定律，利用电阻转换输入电压或输入电流，因此输入范围不受限制，而且电路也较简单，更容易实现。

附图说明

图1是根据本发明的混合式宽范围乘法器的方块图；

图2是图1应用在电压乘法器的实施例；

图3是图1应用在电压电流乘法器的实施例；

图4是图1应用在电压电流乘法器的实施例；以及

图5是图1应用在电流乘法器的实施例。

具体实施例

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获取的其它实施例，都属于本发明的保护范围。

图1是根据本发明的混合式宽范围乘法器的方块图，参考值Sref经增益调整器10转换为参考信号

f(Sref)＝f1＝Kref×Sref，公式1

其中Kref是增益调整器10的增益，第一输入信号S1经增益追随器12转换为输出信号

So＝K1×S1，公式2

其中K1是增益追随器12的增益，第二输入信号S2经增益控制器18转换为目标值

f(S2)＝f2＝K2×S2，公式3

其中K2是增益控制器18的增益，比较器16比较参考信号f1及目标值f2产生比较信号Scomp，数字电路14根据比较信号Scomp产生控制信号UP_DOWN，调整增益调整器10的增益Kref，使参考信号f1等于目标值f2，也调整增益追随器12的增益K1，使其维持与增益Kref的关系，例如

K1＝m×Kref，公式4

其中m为常数。此乘法器在稳态时，因为f1＝f2，根据公式1及公式3，所以

Kref＝(K2×S2)/Sref

＝(K2/Sref)×S2，公式5

又因为K1＝m×Kref，所以

So＝{m×[(K2/Sref)×S2]}×S1

＝(m×K2/Sref)×S1×S2，公式6

其具有输入信号S1及S2相乘的信息。较佳者，数字电路14可储存增益Kref及K1的值，当该乘法器发生输入瞬时时，数字电路14可立即将增益调整器10及增益追随器12的增益Kref及K1调整为其所储存的值，不必再从头开始调整。

图2是图1应用在电压乘法器的实施例，可将输入电压V1及V2相乘产生输出电压Vo。在图2中，使用参考电压Vref作为参考值Sref，增益调整器10包括可变电阻R1及电阻R2组成分压器将参考电压Vref分压，该分压VR2经缓冲器22输出。因为可变电阻R1及电阻R2串联，所以增益

Kref＝R2/(R1+R2)。公式7

在增益追随器12中，电阻R3及R4组成分压器将电压V1分压，该分压经缓冲器24输出为电压Vo。因为电阻R3及R4串联，所以增益K1＝R4/(R3+R4)。在增益控制器18中，电阻R5及R6组成分压器将电压V2分压，该分压VR6经缓冲器26输出为目标值。因为电阻R5及R6串联，所以增益

K2＝R6/(R5+R6)。公式8

根据公式6可得

Vo＝{m×[R6/(R5+R6)]/Vref}×V1×V2

＝{(m×R6)/[(R5+R6)×Vref]}×V1×V2，公式9

由公式9可知，此电压乘法器的输出电压Vo包含输入电压V1及V2相乘的信息。较佳者，升降计数器20可储存可变电阻R1及R3的电阻值，在发生输入瞬时时(即输入瞬间或瞬时输入)，升降计数器20可立即将可变电阻R1及R3的电阻值调整为其所储存的值，进而调整增益Kref及K1。

图3是图1应用在电压电流乘法器的实施例，可将输入电压V1及输入电流I2相乘产生输出电压Vo。此电压电流乘法器包括图2的增益调整器10及增益追随器12、数字电路14及比较器16，增益控制器18包含电阻R6接受电流I2产生电压VR6＝I2×R6，因此增益

K2＝R6。公式10

在稳态时，VR2＝VR6，因此由公式6及公式10可得

Vo＝(m×R6/Vref)×V1×I2。公式11

由公式11可知，此电压电流乘法器的输出电压Vo包含输入电压V1与输入电流I2相乘的信息。

图4是图1应用在电压电流乘法器的实施例，可将输入电流I1及输入电压V2相乘产生输出电压Vo。此电压电流乘法器包括图2的增益调整器10、数字电路14、比较器16及增益控制器18，增益追随器12除了可变电阻R3、电阻R4及缓冲器24以外，还包括电阻R7及缓冲器28。电阻R7接受电流I1产生电压VR7＝I1×R7，经缓冲器28供应给可变电阻R3及电阻R4组成的分压器。根据公式6及公式8，此电压电流乘法器的输出电压

Vo＝{m×[R6/(R5+R6)]/Vref]×I1×V2

＝{(m×R6)/[(R5+R6)×Vref]}×I1×V2，公式12

其包含输入电流I1与输入电压V2相乘的信息。

图5是图1应用在电流乘法器的实施例，可将输入电流I1及I2相乘产生输出电压Vo。此电流乘法器包括图4的增益调整器10、增益追随器12、数字电路14及比较器16，增益控制器18包括电阻R6接受电流I2产生电压VR6＝I2×R6。在稳态时，根据公式6及公式10，可得输出电压

Vo＝(m×R6/Vref)×I1×I2，公式13

其包含输入电流I1及I2相乘的信息。

由上述实施例可知，该乘法器用以将第一及第二信号(该第一信号分别对应图1至图5中的S1、V1、V1、I1、I1，与之对应的，该第二信号则分别对应图1至图5中的S2、V2、I2、V2、I2)相乘产生输出信号的方法包括：根据第一增益(Kref)及参考值(Sref、Vref)产生参考信号(f1、VR2)，根据该第二信号产生目标值(f2、VR6)，比较该参考信号及目标值产生比较信号(Scomp)，根据该比较信号决定控制信号(UP_DOWN)，根据该控制信号调整该第一增益，以使该参考信号等于该目标值，以及根据该控制信号调整第二增益，使其维持与该第一增益的比例关系，以及根据该第二增益及该第一信号产生输出信号。

本发明的乘法器根据欧姆定律，利用电阻转换输入电压或输入电流，因此输入范围不受限制，而且电路也较简单，更容易实现。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (31)

1.一种混合式宽范围乘法器，所述的混合式宽范围乘法器的输入范围不受限于交流小信号，用以将第一及第二信号相乘产生输出信号，其特征在于，该乘法器包括：

具有第一增益的增益调整器，根据参考值产生参考信号；

具有第二增益的增益追随器，根据该第一信号产生该输出信号；

增益控制器，根据该第二信号产生目标值；

比较器连接该增益调整器及增益控制器，比较该参考信号及目标值产生比较信号；以及

数字电路连接该比较器、增益调整器及增益追随器，根据该比较信号产生控制信号，以调整该第一增益以使该参考信号等于该目标值，以及调整该第二增益使其维持与该第一增益的比例关系。

2.如权利要求1所述的混合式宽范围乘法器，其特征在于，该参考值为电压。

3.如权利要求2所述的混合式宽范围乘法器，其特征在于，该增益调整器包括分压器将作为该参考值的电压分压而产生该参考信号，该控制信号调整该分压器的分压比。

4.如权利要求3所述的混合式宽范围乘法器，其特征在于，该分压器包括：

可变电阻接受该控制信号调整其电阻值；以及

电阻与该可变电阻串联，以产生该分压。

5.如权利要求1所述的混合式宽范围乘法器，其特征在于，该第一信号为电压信号。

6.如权利要求5所述的混合式宽范围乘法器，其特征在于，该增益追随器包括分压器将该第一信号分压而产生该输出信号，该控制信号调整该分压器的分压比。

7.如权利要求6所述的混合式宽范围乘法器，其特征在于，该分压器包括：

可变电阻接受该控制信号调整其电阻值；以及

电阻与该可变电阻串联，以产生该分压。

8.如权利要求1所述的混合式宽范围乘法器，其特征在于，该第一信号为电流信号。

9.如权利要求8所述的混合式宽范围乘法器，其特征在于，该增益追随器包括：

第一电阻根据该第一信号产生电压；以及

分压器将该电压分压而产生该输出信号，该控制信号调整该分压器的分压比。

10.如权利要求9所述的混合式宽范围乘法器，其特征在于，该分压器包括：

可变电阻接受该控制信号调整其电阻值；以及

第二电阻与该可变电阻串联，以产生该分压。

11.如权利要求1所述的混合式宽范围乘法器，其特征在于，该第二信号为电压信号。

12.如权利要求11所述的混合式宽范围乘法器，其特征在于，该增益控制器包括分压器将该第二信号分压而产生该目标值。

13.如权利要求12所述的混合式宽范围乘法器，其特征在于，该分压器包括：

第一电阻；以及

第二电阻与该第一电阻串联，以产生该分压。

14.如权利要求1所述的混合式宽范围乘法器，其特征在于，该第二信号为电流信号。

15.如权利要求14所述的混合式宽范围乘法器，其特征在于，该增益控制器包括电阻根据该第二信号产生该目标值。

16.如权利要求1所述的混合式宽范围乘法器，其特征在于，该数字电路包括升降计数器根据该比较信号产生该控制信号。

17.如权利要求1所述的混合式宽范围乘法器，其特征在于，该数字电路储存该第一及第二增益的值，或储存决定该第一及第二增益的参数。

18.一种用以将第一及第二信号相乘产生输出信号的方法，其特征在于，包括：

步骤a：根据第一增益及参考值产生参考信号；

步骤b：根据该第二信号产生目标值；

步骤c：比较该参考信号及目标值产生比较信号；

步骤d：根据该比较信号决定控制信号；

步骤e：根据该控制信号调整该第一增益，以使该参考信号等于该目标值；

步骤f：根据该控制信号调整第二增益，使其维持与该第一增益的比例关系；以及

步骤g：根据该第二增益及该第一信号产生输出信号。

19.如权利要求18所述的用以将第一及第二信号相乘产生输出信号的方法，其特征在于，更包括提供参考电压作为该参考值。

20.如权利要求19所述的用以将第一及第二信号相乘产生输出信号的方法，其特征在于，该步骤a包括根据分压比将该参考电压分压而产生该参考信号。

21.如权利要求20所述的用以将第一及第二信号相乘产生输出信号的方法，其特征在于，该步骤e包括根据该控制信号调整该分压比。

22.如权利要求21所述的用以将第一及第二信号相乘产生输出信号的方法，其特征在于，该根据该控制信号调整该分压比的步骤包括：

串联两电阻；以及

根据该控制信号调整该两电阻其中之一的电阻值。

23.如权利要求18所述的用以将第一及第二信号相乘产生输出信号的方法，其特征在于，该第一信号为电压信号，且该步骤g包括根据分压比将该第一信号分压而产生该输出信号。

24.如权利要求23所述的用以将第一及第二信号相乘产生输出信号的方法，其特征在于，该步骤f包括根据该控制信号调整该分压比。

25.如权利要求24所述的用以将第一及第二信号相乘产生输出信号的方法，其特征在于，该根据该控制信号调整该分压比的步骤包括：

串联两电阻；以及

根据该控制信号调整该两电阻其中之一的电阻值。

26.如权利要求18所述的用以将第一及第二信号相乘产生输出信号的方法，其特征在于，该第一信号为电流信号，且该步骤g包括：

将该第一信号从该电流信号转换为电压信号；以及

根据分压比将该电压信号分压而产生该输出信号。

27.如权利要求26所述的用以将第一及第二信号相乘产生输出信号的方法，其特征在于，该步骤f包括根据该控制信号调整该分压比。

28.如权利要求27所述的用以将第一及第二信号相乘产生输出信号的方法，其特征在于，该根据该控制信号调整该分压比的步骤包括：

串联两电阻；以及

根据该控制信号调整该两电阻其中之一的电阻值。

29.如权利要求18所述的用以将第一及第二信号相乘产生输出信号的方法，其特征在于，该第二信号为电压信号，且该步骤b包括将该第二信号分压而产生该目标值。

30.如权利要求18所述的用以将第一及第二信号相乘产生输出信号的方法，其特征在于，该第二信号为电流信号，且该步骤b包括：

将该第二信号从该电流信号转换为电压信号；以及

将该电压信号分压而产生该目标值。

31.如权利要求18所述的用以将第一及第二信号相乘产生输出信号的方法，其特征在于，更包括储存该第一及第二增益的值，或储存决定该第一及第二增益的参数。