CN103684414B - 乘法器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种乘法器电路，包括吉尔伯特单元电流乘法器、镜像回路和补偿回路，其中，所述镜像回路连接到所述吉尔伯特单元电流乘法器的两路输出电流支路，以将两路输出电流镜像到所述补偿回路；所述补偿回路包括与所述吉尔伯特单元电流乘法器中的晶体管的电流增益相同的两个晶体管，所述两个晶体管接收经由所述镜像回路得到的两路镜像电流并输出经过系数补偿后的输出电流作为所述乘法器电路的输出电流。利用本发明的乘法器电路，能够实现恒定的电流增益，与三极管的电流增益值β无关，不受晶体管加工工艺、电压和温度的影响。

Description

乘法器电路

技术领域

本发明涉及一种乘法器电路，特别涉及一种恒定增益的电流型乘法器电路。

背景技术

图1是现有吉尔伯特的六管单元电流乘法器的电路图，他是由六个三极管构成的跨导线性乘法器，具有高精度，高速度等优点。如图1所示电路图中，输入输出电流关系表示为：

$I_o=\frac{\mathrm{\α}*I_x*I_y}{I_A}$

这里I_x=I_x1-I_x2，I_A=I_x1+I_x2，I_y=I_y1-I_y2，I_o=I_o1-I_o2。

其中α=β/(β+1)，而β是NPN型BJT晶体管的电流放大系数。由于与β有关，而β又受工艺、电压和温度有关。故此类现有的电流型乘法器的增益不是恒定不变的，即只有在β足够大时才近似恒定不变。

发明内容

本发明的电路结构就是在这样的背景下提出来的，提供一种具有恒定增益的乘法器电路，即只要I_A恒定，增益即恒定。

本发明的乘法器电路包括：

吉尔伯特单元电流乘法器，进一步，还包括镜像回路和补偿回路，其中所述镜像回路连接到所述吉尔伯特单元电流乘法器的两路输出电流支路，以将两路输出电流镜像到所述补偿回路；所述补偿回路包括与所述吉尔伯特单元电流乘法器中的晶体管的电流增益相同的两个晶体管，所述两个晶体管接收经由所述镜像回路得到的两路镜像电流并输出经过系数补偿后的输出电流作为所述乘法器电路的输出电流。

优选地，所述镜像回路包括分别连接到所述两路输出电流支路的第一MOS管和第二MOS管，以及分别连接到所述两个晶体管的第三MOS管和第四MOS管，其中，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管以及第四MOS管的源极均连接到辅助电源；所述第一MOS管和所述第二MOS管的漏极与栅极均短接；所述第三MOS管的栅极与所述第一MOS管的栅极连接；所述第四MOS管的栅极与所述第二MOS管的栅极连接。

优选地，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管以及第四MOS管为完全相同的MOS管。

利用本发明的乘法器电路，能够实现恒定的电流增益，与三极管的电流增益值β无关，不受晶体管加工工艺、电压和温度的影响。

附图说明

图1为现有模拟乘法器的电路图；

图2为本发明的乘法器的电路图。

具体实施方式

以下结合附图和优选的实施方式对本发明的乘法器电路做详细的说明。

图2为本发明的乘法器的电路图。如图2所示，本发明的乘法器包括三个回路，吉尔伯特单元电流乘法器，镜像回路以及补偿回路。本实施方式中所采用的吉尔伯特单元乘法器为六管单元乘法器，即具有六个电流增益完全相同的NPN管T1～T6。

镜像回路连接到吉尔伯特单元电流乘法器的两路输出电流支路，以将两路输出电流镜像到所述补偿回路，镜像回路包括四个相同的MOS管，第一MOS管MP1和第二MOS管MP2分别连接到吉尔伯特单元电流乘法器的两路输出电流支路，而第三MOS管MP3与第四MOS管MP4分别连接到补偿回路的两个三极管上。具体连接关系为：

第一MOS管MP1、第二MOS管MP2、第三MOS管MP3以及第四MOS管MP4的源极均链接到辅助电源V_dd；

第一MOS管MP1和第二MOS管MP2的漏极与栅极均短接；

第三MOS管MP3的栅极与第一MOS管MP1的栅极连接；

第四MOS管MP4的栅极与第二MOS管MP2的栅极连接。

根据这种连接关系，第一MOS管MP1与第三MOS管MP3形成了第一电流镜，第二MOS管MP2与第四MOS管MP4形成了第二电流镜。

补偿回路具有两个晶体管，这两个晶体管与所述吉尔伯特单元电流乘法器中的晶体管的电流增益相同。本实施方式中，根据所使用的吉尔伯特六管单元电流乘法器，选择了两个NPN管，第七NPN管T7的集电极与第三MOS管MP3的漏极连接，第八NPN管T8与第四MOS管MP4的漏极连接，第七NPN管T7以及第八NPN管T8的发射极所输出的电流作为经过系数补偿后的乘法器输出电流。

以下结合附图说明本发明的乘法器的工作原理。

设吉尔伯特六管单元电流乘法器中，第一输入端的两个支路分别输入电流I_x1和I_x2，第二输入端的两个支路分别输入电流I_y1和I_y2，输出端的两个支路上的电流记为I_o1’和I_o2’。其中第三NPN管的发射电流I_e3与I_y1的比例为y1，第六NPN管的发射极电流I_e6与I_y2的比例为y2，先假设y1=y2，并设变量y=y1=y2，所有三极管的电流增益为β，I_x1+I_x2=I_A，I_y1+I_y2=I_E，α=β/(β+1)。

对于第一NPN管T1，集电极电流为I_c1=I_x1-I_b3-I_b6，其中，

$I_{b3}=\frac{y_1{1}_{y1}}{\mathrm{\β}+1},$

$I_{b6}=\frac{y_2{1}_{y2}}{\mathrm{\β}+1}.$

因此， $1_{c1}=I_{x1}-\frac{y{I}_E}{\mathrm{\β}+1}.$

同理可知，对于第二NPN管T2，集电极电流为I_c2=I_x2-I_b4-I_b5，其中，

$I_{b4}=\frac{(1-y_1)1_{y1}}{\mathrm{\β}+1},$

$I_{b5}=\frac{(1-y_2)1_{y2}}{\mathrm{\β}+1},$

因此， $I_{c2}=I_{x2}-\frac{(1-y)I_E}{\mathrm{\β}+1}.$

对于第三NPN管T3，集电极电流为：

$I_{c3}=\frac{\mathrm{\β}{y}_{1}1y_1}{\mathrm{\β}+1}\mathrm{\αy}{I}_{y1},$

对于第四NPN管T4，集电极电流为：

$I_{c4}=\frac{\mathrm{\β}(1-y_1)I_{y1}}{\mathrm{\β}+1}=\mathrm{\α}(1-y)I_{y1},$

对于第五NPN管T5，集电极电流为：

$I_{c5}=\frac{\mathrm{\β}(1-y_2)I_{y2}}{\mathrm{\β}+1}=\mathrm{\α}(1-y)I_{y2},$

对于第六NPN管T6，集电极电流为：

$I_{c6}=\frac{\mathrm{\β}{y}_2{I}_{y2}}{\mathrm{\β}+1}=\mathrm{\αy}{I}_{y2},$

I_o1’=I_c3+I_c5，

I_o2’=I_c4+I_c6。

根据跨导线性原理，即双击型晶体管的跨导与它的集电极电流线性地成比例关系，因此，由第一NPN管T1、第二NPN管T2、第三NPN管T3以及第四NPN管T4构成环路1，因此I_c1*I_c4=I_c2*I_c3，带入以上I_c1～I_c4的值后可以得到：

$y=\frac{I_{x1}}{(I_{x1}+I_{x2})},$

$2y-1=\frac{I_{x1}-I_{x2}}{\mathrm{IA}},$

因此，I_c3-I_c4=αI_y1(y-1+y)=(2y-1)αI_y1。

带入上述y的值得到：

$I_{c3}-I_{c4}=\frac{(I_{x1}-I_{x2})}{I_A}\mathrm{\α}{I}_{y1}$ 公式1

同样，根据跨导线性原理，由第一NPN管T1、第二NPN管T2、第五NPN管T5以及第六NPN管T6构成环路2，因此I_c1*I_c5=I_c2*I_c6，带入值后同样可以得到：

$y=\frac{I_{x1}}{I_{x1}+I_{x2}},$

$2y-1=\frac{I_{x1}-I_{x2}}{I_A},$

同样的，I_c5-I_c6=αI_y2(1-y-y)=(1-2y)αI_y2，

$I_{c5}-I_{c6}=-\frac{(I_{x1}-I_{x2})}{I_A}\mathrm{\α}{I}_{y2}$ 公式2

I_o1’-I_o2’=I_c3+I_c5-(I_c4+I_c6)=(I_c3-I_c4)+(I_c5-I_c6)，

因此，

${I_o}^{\′}={I_{o1}}^{\′}-{I_{o2}}^{\′}=\frac{\mathrm{\α}(I_{x1}-I_{x2})(I_{y1}-I_{y2})}{I_A}=\frac{\mathrm{\α}{I}_x{I}_y}{I_A},$

其中I_x=I_x1-I_x2,I_A=I_x1+I_x2,I_y=I_y1-I_y2。

以下对假设条件y1=y2=y的成立进行论证，若y1≠y2，

$I_{c1}=I_{x1}-\frac{y_1{I}_{y1}+y_2{I}_{y2}}{\mathrm{\β}+1},$

$I_{c2}=I_{x2}-\frac{(1-y_1)I_{y1}+(1-y_2)I_{y2}}{\mathrm{\β}+1},$

I_c3=αy₁I_y1，

I_c4=α(1-y₁)I_y1，

I_c5=α(1-y₂)I_y2，

I_c3=αy₂I_y2，

由第一NPN管T1、第二NPN管T2、第三NPN管T3以及第四NPN管T4构成环路1，因此I_c1*I_c4＝I_c2*I_c3得:

$[I_{x1}-\frac{y_1{I}_{y1}+y_2{I}_{y2}}{\mathrm{\β}+1}]*\mathrm{\α}(1-y_1)I_{y1}$

$=[I_{x2}-\frac{(1-y_1)I_{y1}+(1-y_2)I_{y2}}{\mathrm{\β}+1}]*\mathrm{\α}{y}_1{I}_{y1}$ 公式3

由第一NPN管T1、第二NPN管T2、第五NPN管T5以及第六NPN管T6构成环路2，因此I_c1*I_c5＝I_c2*I_c6，得：

$[I_{x1}-\frac{y_1{I}_{y1}+y_2{I}_{y2}}{\mathrm{\β}+1}]*\mathrm{\α}(1-y_1)I_{y1}$

$=[I_{y2}-\frac{(1-y_1)I_{y1}+(1-y_2)I_{y2}}{\mathrm{\β}+1}]*\mathrm{\α}{y}_2{I}_{y2}$ 公式4

于是由公式3和公式4得：

$\frac{(1-y_1)I_{y1}}{(1-y_2)I_{y2}}=\frac{y_1{I}_{y1}}{y_2{I}_{y2}}.$

因此，先前y1＝y2吃的假设是成立的。

通过第一MOS管MP1与第三MOS管MP3构成的电流镜可知I_o1＝I′_o1;通过第二MOS管MP2与第四MOS管MP4构成的电流镜可知I_o2＝I′_o2。

因此I_c7＝I′_o1，I_c8＝I′_o2。由应为第七NPN管T7与第八NPN管T8具有相同的电流增益β，可知：

$I_{e7}=\frac{(\mathrm{\β}+1)I_{c7}}{\mathrm{\β}}=\frac{1}{\mathrm{\α}}{I}_{c7}$

$I_{e8}=\frac{(\mathrm{\β}+1)I_{c8}}{\mathrm{\β}}=\frac{1}{\mathrm{\α}}{I}_{c8}$

因此补偿回路所输出的电流为I_g7-I_g8，即：

$I_{e7}-I_{e8}=(I_{o1}^{\′}-I_{o2}^{\′})\frac{1}{\mathrm{\α}}=\frac{I_x{I}_y}{I_A}.$

可以看出所输出的电流完中的系数α被抵消掉，这样，晶体管制造工艺中β的值的大小对电流乘法器的增益没有影响。

此外，本实施例只用于说明本发明的一个优选实施方式，本发明的保护范围并不限于上述实施例中的内容，在不脱离主旨的前提下可以有诸多变化，例如，该实施方式中的NPN管可以是所有类型的三极管，比如PNP型三极管等。再例如，该实施方式是基于普通电流镜实现的，也可以采用cascode电流镜来实现等。

Claims (4)

1.一种乘法器电路，包括吉尔伯特单元电流乘法器，其特征在于，还包括镜像回路和补偿回路，其中，

所述吉尔伯特单元电流乘法器具有电流增益为β的晶体管；

所述镜像回路连接到所述吉尔伯特单元电流乘法器的两路输出电流支路，以将两路输出电流镜像到所述补偿回路，所述补偿回路包括电流增益为β的两个晶体管，所述镜像回路包括分别连接到所述两路输出电流支路的第一MOS管和第二MOS管，以及分别连接到所述两个晶体管的第三MOS管和第四MOS管；

所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管以及第四MOS管的源极均连接到辅助电源；

所述第一MOS管和所述第二MOS管的漏极与栅极均短接；

所述第三MOS管的栅极与所述第一MOS管的栅极连接；

所述第四MOS管的栅极与所述第二MOS管的栅极连接；

所述第一MOS管的漏极和第二MOS管的漏极分别连接所述吉尔伯特单元电流乘法器的两路输出电流支路；

所述两个晶体管接收经由所述镜像回路得到的两路镜像电流并输出经过补偿后电流增益β被抵消的输出电流作为所述乘法器电路的输出电流；

所述第三MOS管的漏极和所述第四MOS管的漏极分别与所述两个晶体管的集电极连接。

2.根据权利要求1所述的乘法器电路，其特征在于，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管以及第四MOS管为完全相同的MOS管。

3.根据权利要求1所述的乘法器电路，其特征在于，所述晶体管为NPN型双极性晶体管。

4.根据权利要求1所述的乘法器电路，其特征在于，所述晶体管为PNP型双极性晶体管。