DE2633951B2

DE2633951B2 - Analoger multiplizierer

Info

Publication number: DE2633951B2
Application number: DE19762633951
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Kodaira Nakagomi (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-07-30
Filing date: 1976-07-28
Publication date: 1978-02-23
Also published as: US4071778A; DE2633951A1; DE2633951C3; JPS5216943A; NL7608395A

Description

_>u

Die Erfindung bezieht sich auf einen analogen Multiplizierer der im Oberbegriff des Paten.tspuchs I beschriebenen, der US-PS 34 31 650 entnehmbaren Art. ■-,-,

Erfindung und Stand der Technick werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild eines erfindungsgemäßen analogen Multiplizierers,

F i g. 2 ein Schaltbild zur Erläuterung des Arbeitsprin- wi zips der Schaltung der Fig. 1,

Fig. 3 das Schaltbild eines herkömmlichen analogen Mulitizicrers und

F i g. 4 den Querschnitt eines wesentlichen Teils einer Lateral-Transistoranordnung, auf der die Erfindung (,■'> beruht.

F i g. 3 zeigt eine bekannte analoge Multipli/ierschaltung. Diese enthält einen ersten Differenzverstärker mit Transistoren Qi, Qa, einen zweiten Differenzverstärker mit Transistoren Qj und Q_h und einen dritten Differenzverstärker mit einem Transistor Q₇, der an die miteinander verbundenen Emitter der Transistoren des ersten Differenzverstärkers angeschlossen ist, und einem Transistor Qt, der an die miteinander verbundenen Emitter der Transistoren des zweiten Differenzverstärkers angeschlossen ist. |c ein Eingang (Qt, Qr₁) des ersten und zweiten Differenzverstärkers ist gemeinsam an eine Klemme einer ersten Eingangssignalquelle V₁₁,, angeschlossen. Der jeweils zweite Eingang (Q_s, Q_h)dcs ersten und zweiten Differenzverstärkers ist gemeinsam an die zweite Klemme der ersten Eingangssignalquclle V_1n ι angeschlossen. Ein zweites Eingangssignal V_n,, wird gemeinsam den Eingängen des dritten Differenzverstärkers Q₇, Qa zugeführt. Das Gcsamt-Ausgangssignal V₁₁₁₁, ι und V„„, ₂ wird von den Ausgängen des ersten und zweiten Differenzverstärkers abgegriffen.
Die Schaltung arbeilet folgendermaßen:
Der Kolleklorstrom /,■ ₇ des Transistors Q₇ wird durch das Eingangssignal V_n, ₃ verändert. Dieser Strom /, ₇ wird weiter durch das Eingangssignal V_n, ι verändert. Die Ausgangsspannung V₁₁₁₁, _t kann durch folgende Gleichung wiedergegeben werden:

(I)

Darin sind gin' der gegenseitige Leitwert (Gegenwirklichkeitwert), der durch die angelegte Spannung bestimmt wird, und Ra, der Kollcktorwiderstand. Somit wirkt die Schaltung multiplizierend.

Die Schaltung ist jedoch kompliziert, und die Anzahl ihrer Elemente ist hoch.

Es wurde bereits ein nicht zum Stand der Technik gehörender, mehrere Kollektoren aufweisender Lateraltransistor uniersucht, wie er in Fig.4 dargestellt ist. Dabei ist ;in Emitlerbereich doppelt von zwei Kollektorbereichen umgeben, um den Leckstrom im Lateraltransistor möglichst gering zu halten. Der wichtige Teil dieser Erfindung ist in Fig.4 gezeigt, wo zur Erzielung des obigen Zwecks ein Strom durch den zweiten (Hilfs-)Kollektor C₂ in den Bereich fließen kann, in dem sich der Transistor mit dem ersten (Haupt-)Kollektor Ci als Kollektor in einem Bereich unmittelbar vor dem Sättigungsbereich befindet. In Fig.4 ist mit Fein Emitter und mit B ein Basisanschluß-Ausleitbereich bezeichnet. In einem Übergangsbereich zwischen dem aktiven Bereich und dem Sättigungsbereich des ersten Kollektorstroms bewirken kleine Änderungen der Vorspannung K-1 des ersten Kollektors Ci große Änderungen des Stroms l_c2 des zweiten Kollektors CV Es wurde nun gefunden, daß ein solcher Lateraltransistor mit mehreren Kollektoren, der in einem solchen Übergangsbereich arbeitet, eine Analog-Multiplikation hat. Diese Erkenntnis liegt der vorliegenden Erfindung zugrunde.

Aufgabe der Erfindung ist es. einen analogen Multiplizierer zu schaffen, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet; insbesondere soll ein Multiplizierer angegeben werden, der einfach und aus wenigen Schaltungselementen aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgenäß bei dem Multiplizierer der gattungsgemäßen Art durch die vom kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erfaßten Maßnahmen gelöst.

Der erfindimgsgcmäße analoge Multiplizierer hat durch die Ausnutzung der Eigenschaften des Lateral-

transistors cine analoge Miiliiplikationsl'unktion. |·ι· ist darüber hinaus einfach aufgebaut und enthüll nur wenige Schaltungselemente.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgeniäßen Multiplizierers sind Gegenstand der Unteransprüchc 2 bis 5.

Der in F i g. 1 gezeigte bevorzugte erfindungsgemälk analoge Multiplizierer enthält einen Lateraltransistor Oi mit mehreren Kollektoren, bei dem ein erster und ein zweiter Kollektorbereich um einen Emitter E herum derart ausgebildet sind, daß sie ihn doppell oder konzentrisch umgeben. Die Versorgungsspannung V₁₁ wird dem [Emitter £T zugeführt, ein erstes Eingangssignal V,„ ι über einen Basiswiderstand R₁ der Basis B. Der erste Kollektor Ci, der im normalen Betriebszustand als Kollektor des Transistors dient, ist über einen Eingangstransistor Cb an Masse geführt. Ein zweites Eingangssignal V,„ ₂ wird der Basis des Transistors Q₂ über einen Basiswiderstand /?j zugeführt. Der zweite Kollektor C₂ des Seitentransistors Q], der als Kollektor dient, wenn der Transistor Q\ mit dem ersten Kollektor C] im Sättigungsbereich ist, ist über einen Widerstand R₂ an Masse geführt. Das Ausgangssignal V₁,,,, wird vom zweiten Kollektor Ci abgegriffen. Die Vorspannungsanordnung ist so ausgeführt, daß der den ersten Kollektor Ci als Kollektor verwendende Transistor Q] in der Nachbarschaft des Sättigungsbereiches arbeitet.

Bei dieser Ausführungsform der Schaltung kann der Zweck aus folgenden Gründen erreicht werden:

Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer Schaltung zur Messung der Kennwerte des in der Schaltung der Fig. 1 verwendeten Latcraltransistors Q\. Der Basisstrom ist mit //j, die Vorspannung des ersten Kollektors Ci mit V₁-1, die Basisspannung des zweiten Kollektors C? mit Ki und der Strom durch den zweiten Kollektor C₂ mit /,· 2 bezeich net.

Arbeitet der Transistor Q\ in der Nachbarschaft des Sättigungsbereiches, so kann der Strom /₍. ? des zweiten Kollektors mit folgender Gleichung wiedergegeben werden:

(2)

/.,n = ft c

(3)

'c2 =

I₁₁- Υ_Λ .

(4)

2(1 Kollektor C₁ kleiner als die Basisemitterspannung Vm bei einem bestimmten Basisstrom In, so wird der Transistor mit dem ersten Kollektor Ci als Transistor in den Sättigungszustand vorgespannt. In diesem Zustand kanr durch den zweiten Kollektor C₂ ein Kollektorstrom /,o = Λ- an fließen. Wird die Kollektorspannung V₁-1 am ersten Kollektor Ci höher als die obenerwähnte Spannung Vm, so wird der den ersten Kollektor Ci als Kollektor benutzte Transistor in den aktiven Bereich (oder einen aktivierten Bereich) vorgespannt. Somit wird der durch den zweiten Kollektor C2 fließende Kollektorstrom I₁-₂ fast gesperrt. Auf diese Weise kann der durch den zweiten Kollektor C2 fließende Kolleklorstrom E_c2 durch Änderung der dem ersten Kollektor Ci zugeführten Kollcktorspannung V₁.1 gesteuert werden.

Alternativ kann der Wert der Kollcktorspannung V₁ 1 am ersten Kollektor Ci an dem den ersten Kollektor Ci als Kollektor verwendenden Transistor durch Änderung des Basisstromes In verändert werden. Wird beispielsweise der Basisstrom Iu erhöht, so wird der den ersten Kollektor Ci als Kollektor benutzende Transistor bei verhältnismäßig hohen Werten der Kollektorspannung V₁.1 am ersten Kollektor Ci gesättigt. Der Kollektorstrom /₍-2 durch den zweiten Kollektor C2 kann also durch den Basisstrom /» gesteuert werden. Somit kann durch geeignete Änderung des Basisstroms /« und der Vorspannung V₁.1 in Gleichung (4) eine Analogmultiplikalion ausgeführt werden.

Vergleicht man das obige Ausführungsbeispiel mit der vorstehenden mathematischen Analyse, so entspricht V,„ 1 = /» V,„2 = V₁-I und V₁,,,, = I₁.2 in Gleichung (4). Setzt man diese Werte in Gleichung (4) ein und setzt hn; -γ= K, so ergibt sich

Darin ist I₁ 20 der Strom durch den zweiten Kollektor Ci und γ eine Konstante, die durch den reziproken Wert -n der Spannung V₁2 wiedergegeben wird. Der Strom /_rJ1 durch den zweiten Kollektor Ci wird durch folgende Gleichung wiedergegeben:

Darin ist hu: der Stromverstärkungsfaktor. Durch Kombination der Gleichungen (2) und (3) läßt sich folgende Gleichung herleiten:

Ist bei einem analogen Multiplizierer, der ein Lateraliransistorelemcnt gemäß Fig. 2 enthält, der Absolutwert der (Vor-)Spannung V₁., am ersten wi 'out

inl 'in! -

Daraus ergibt sich, daß eine Multiplikationsschaltung vorhanden ist.

Haben V,„ 1 und V,„ ₂ die Form sin ωί, so wird aus Gleichung (5)

Ku: = K ' ^s'ⁿ '"' ' ^s'ⁿ '"' (6)

und damit u - _K ' +cos2,»t

'out — ^Λ -) · Wl

Darin ist ω die Winkelfrequenz und t variabel. Die Frequenz wird als Ergebnis der Operation verdoppelt.

Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß Eigenschaften eines Lateraltransistor ausgenutzt werden, um die erfindungsgemäße Multiplikation zu erzielen. Die erfindungsgemäße analoge Operationsschaltung ist sehr einfach aufgebaut und enthalt nur wenige Schaltungselemente, so daß die auf einem Halbleitersubstrat eingenommene Fläche auf etwa '/s der Fläche der bekannten Schaltung der Fig. 3 verringert wird.

Statt des bipolaren Transistors Q₂ als Eingangstransistor kann auch ein anderer Transistor verwendet werden, beispielsweise ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Analoger Multiplizierer, bei dem die Multiplikation durch von einem Faktor bewirkte Steuerung der Leitfähigkeit eines Transistors für den anderen Faktor erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein mehrere Kollektoren aufweisender Lateraltransistor (Q\) mit einem Emitterbereich, einem Basisbereich und wenigstens zwei getrennten Kollektorbereichen (Q, C₂) ist, die so zwischen Emitter- und Basisbereich angeordnet sind, daß der dem Emitterbereich nähere erste Kollektorbereich (Q) vom zweiten Kollcklorbereich (C₂) umgeben ist, daß eine Eingabeeinrichtung zum Anlegen eines ersten Eingangssignals (V_n, \) an den Basisbereich vorgesehen ist, das den einen Faktor darstellt, daß eine Vorspanneinrichtung zum Aniegen einer Vorspannung in Abhängigkeit von einem den zweiten Faktor darstellenden zweiten Eingangssignal (V_m2) vorgesehen ist, so daß der Transistor unter Benutzung des ersten Kollektors Cd₁JaIs einzigem Kollektor vorgespannt wird und in einem Bereich zwischen einem aktiven und einem Sättigungsbereich seiner Arbeitskennlinie arbeitet, und daß eine Ausgangseinrichtung zum Abgriff eines Ausgangssignals (V₁₁₁₁₁) vom zweiten Kollektorbereich (C₂) des Lateral-Transistors vorgesehen ist, daß das Produkt der Faktoren darstellt.

2. Multiplizierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung einen Transistor (Q₂) mit einem Steueranschluß enthält, dem das zweite Eingangssignal (Vi₁₁₂) zugeführt wird.

3. Multiplizierer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen an die Basis des Lateraltransistors (Q]) angeschlossenen Eingangswiderstand (R₁) und durch eine an den zweiten Kollektor (C₂)des Lateraltransistors fCVangeschlossenc Ausgungsbelastung (R₂).

4. Multiplizierer nach Anspruchh 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden getrennten Kollektorbereiche ('Ci, C₂) kreis- oder ringförmig und konzentrisch zum Emitterbereich ausgebildet sind.

5. Multiplizierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kollcktorbereich (C₂) kreissegmenlförmig ist, wobei die segmentförmigen Bereiche mehrere Ausgangskollektoren bilden.

r,