DE2633951C3

DE2633951C3 - Analoger Multiplizierer

Info

Publication number: DE2633951C3
Application number: DE2633951A
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: 1978-10-19
Also published as: DE2633951A1; NL7608395A; JPS5216943A; DE2633951B2; US4071778A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen analogen Multiplizierer der im Oberbegriff des Patentspuchs 1 beschriebenen, der US-PS 34 31 650 entnehmbaren Art.

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

Fig. I das Schaltbild eines erfindungsgemäßen analogen Multiplizierers.

F i g. 2 ein Schaltbild zur Erläuterung des Arbeitsprinzips der Schaltung der F i g. 1.

Fig.3 das Schaltbild eines herkömmlichen analogen Mulitizicrers und

F i g. 4 den Querschnitt eines wesentlichen Teils einer Lalerat^TVansistoranordnung, auf der die Erfindung beruht,

F i g. 3 zeigt eine bekannte analoge Multiplizierschaitung. Diese enthält einen ersten Differenzverstärker mit

50

55

60

65 Transistoren Qi, Q-. einen zweiten Differenzverstärker mit Transistoren Qs und (?ound einen dritten Differenzverstärker mit einem Transistor Qi, 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 Differenzverstärker angeschlossen ist. Je ein Eingang (Q^, Qi) des ersten und zweiten Differenzverstärkers ist gemeinsam an eine Klemme einer ersten Eingangssignalque'le V_1n 1 angeschlossen. Der jeweils zweite Eingang (Q₃, Q_b) des ersten und zweiten Differenzverstärkers ist gemeinsam an die zweite Klemme der ersten Eingangssignalquelle Vm 1 angeschlossen. Ein zweites Eingangssignal V_1n 2 wird gemeinsam den Eingängen des dritten Differenzverstärkers Qi, Qi zugeführt. Das Gesamt-Ausgangssignal Voui 1 und V_oui 1 wird von den Ausgängen des ersten und zweiten Differenzverstärkers abgegriffen.
Die Schaltung arbeitet folgendermaßen:
Der Kolleklorstrom /,· 7 des Transistors Qi wird durch das Eingangssignal V_{1n 2} verändert. Dieser Strom I_c1 wird weiter durch das Eingangssignal V_1n 1 verändert. Die Ausgangsspannung V_u„,, kann durch folgende Gleichung wiedergegeben werden:

= gm' ·

R₄.

(D

Darin sind gm' der gegenseitige Leitwert (Gegenwirklichkeitwert). der durch die angelegte Spannung bestimmt wird, und Ra, der Kollektorwiderstand. 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 untersucht, wie er in Fig.4 dargestellt ist. Dabei ist ein Emitterbereich doppelt von zwei Kollektorbereichen umgeben, um den Leckstrom im Lateraltransistor möglichst gering zu halten. Der wichtige Teil dieser Erfindung ist in F i g. 4 gezeigt, wo zur Erzielung des obigen Zwecks ein Strom durch den zweiten (Hilfs-)KolIektor C₂ in den Bereich fließen kann, in dem sich der Transistor mit dem ersten (Haupt-)Kol-Iektor G 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 V, 1 des ersten Kollektors G große Änderungen des Stroms /, 1 des zweiten Kollektors C₂. 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 erfindungsgerhäß bei dem Multiplizierer der gattungsgemäßen Art durch die vom kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erfaßten Maßnahmen gelöst.

Der erfindiingsgemäße analoge Multiplizierer hat durch die Ausnutzung der Eigenschaften des Lateral*

transistors eine analoge Multiplikationsfunktion. Er ist darüber hinaus einfach aufgebaut und enthält nur wenige Schaltungselemente.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Multiplizierers sind Gegen-Stand der Unteransprüche 2 bis 5.

Der in Fi g. I gezeigte bevorzugte erfindungsgemäße analoge Multiplizierer enthält einen Lateraltransistor Qt mit mehreren Kollektoren, bei dem ein erster und ein zweiter Kollektorbereich um einen Emitter E herum derart ausgebi'det sind, daß sie ihn doppelt oder konzentrisch umgeben. Die Versorgungsspannung V_rt wird dem Emitter £ zugeführt, ein erstes Eingangssignal V_1n ι über einen Basiswiderstand R\ der Basis B. Der erste Kollektor Ci, der im normalen Betriebszustand als Kollektor des Transistors dient, ist über einen Eingangstransistor (λ an Masse geführt. Ein zweites Eingangssignal V_n 2 wird der Basis des Transistors Q₂ über einen Basiswiderstand R₃ zugeführt. Der zweite Kollektor C₂ des Seitentransistors Qt, der als Kollektor dient, wenn der Transistor (?i mit dem ersten Kollektor G im Sättigungsbereich ist, ist über einen Widerstand R₂ an Masse geführt. Das Ausgangssigna! V_uu, wird vorn zweiten Kollektor C2 abgegriffen. Die Vorspa.vnungsanordnung ist so ausgeführt, daß der den ersten Kollektor 2ί G 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 F i g. 1 verwendeten Lateraltransistors Q\. Der Basisstrom ist mit In. die Vorspannung des ersten Kollektors G mit V₁- 1, die Basisspannung des zweiten Kollektors C₂ mit V₁2 und der Strom durch den zweiten Kollektor C? mit H /^bezeichnet.

Arbeitet der Transistor ζΊ in der Nachbarschaft des Sättigungsbereiches, so kann der Strom I_c2 des zweiten Kollektors mit folgender Gleichung wiedergegeben werden:

¹Cl =

Kl ■

(2)

hm =

(3)

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

Ki =

(4)

Ist bei einem analogen Multiplizierer, der ein Lateraltransistorelement gemäß Fig. 2 enthält, der Absolutwert der (Vor ^Spannung V₁ , am ersten Kollektor C, kleiner als die Basisemitterspannung Vat: bei einem bestimmten Basisstrom /s, so wird der Transistor mit dem ersten Kollektor C, als Transistor in den Sättigungszustand vorgespannt. In diesem Zustand kann durch den zweiten Kollektor C₂ ein Kollektorstrom /,- 2 = Z₁ 20 fließen. Wird die Kollektorspannung V₁ 1 am ersten Kollektor G höher als die obenerwähnte Spannung Vat, so wird der den ersten Kollektor G als Kollektor benutzte Transistor in den aktiven Bereich (oder einen aktivierten Bereich) vorgespannt. Somit wird der durch den zweiten Kollektor C₂ fließende Kollektorstrom A > fast gesperrt. Auf diese Weise kann der durch den zweiten Kollektor G fließende Kollektorstrom E₁> durch Änderung der dem ersten Kollektor G zugeführten Kollektorspannung V₁ , gesteuert werden.

Alternativ kann der Wert der Kollektorspannung V₁ , am ersten Kollektor G an dem den ersten Kollektor G als Kollektor verwendenden Transistor durch Änderung des Basisstromes /s verändert werden. Wird beispielsweise der Basisstrom Jb erhöht, so wird der den ersten Kollektor G als Kollektor benutzende Transistor bei verhältnismäßig hohen Werten der K.yllektorspannung V₁ , am ersten Kollektor G gesättigt Per Kollektorstrom I_c2 durch den zweiten Kollektor C₂ kann also durch den Basisstrom Ig gesteuert werden. Somit kann durch geeignete Änderung des Basisstroms Ib und der Vorspannung V₁ 1 in Gleichung (4) eine Analogmultiplikation ausgeführt werden.

Vergleicht man das obige Ausführungsbeispiel mit der vorstehenden mathematischen Analyse, so entspricht V_1n, = I₈, V_1n 2 = V₁., und V„„. = I₁.₂ in Gleichung (4). Setzt man diese Werte in Gleichung (4) ein und setzt hu · y= K, so ergibt sich

Darin ist /,· 20 der Strom durch den zweiten Kollektor C₂ und γ eine Konstante, die durch den reziproken Wert der Spannung V₁- ₂ wiedergegeben wird. Der Strom A-20 durch den zweiten Kollektor C₂ wird durch folgende Gleichung wiedergegeben:

v_ou, = κ ■ v_M ■ v_ml.

Daraus ergibt sich, daß eine Multiplikationsschaltung vorhanden ist.

Haben V_n, und V_n 2 die Form sinojf, so wird aus Gleichung (5)

V₀₁₁, = K ■ sin wt ■ sin mi

unc damit

_v ₌ κ . ¹ ^+cos2"l ,7)

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

Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß Eigenschaften eines Lateraltransistors ausgenutzt werden, um die erfindungsgemäße Multiplikation zu erzielen. Die erfindungsgemäße analoge Operationsschaltung ist sehr einfach aufgebÜut und enthält nur wenige Schaltungselemente, so daß die auf einem Halbleitersubstrat eingenommene Fläche auf etwa '/3 der Fläche der bekannten Schaltung der F i g. 3 verringert wird.

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

Hierzu 2 Blalt 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 Kollektorbereich (Ci) umgeben ist, daß eine Eingabeeinrichtung zum Anlegen eines ersten Eingangssignals (V,„ \) an den Basisbereich vorgesehen ist, das den einen Faktor darstellt, daß eine Vorspanneinrichtung zum Anlegen einer Vorspannung in Abhängigkeit von einem den zweiten Faktor darstellenden zweiten Eingangssignal (V_1n 2) vorgesehen ist, so daß der Transistor unter Benutzung des ersten Kollektors (Q) als 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 (V_aM) vom zweiten Kollektorbereich (Ci) des Lateral-Transistors vorgesehen ist, daß das Produkt der Faktoren darstellt.

2. Multiplizierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung einen Transistor (Ch) mit einem Steueranschluß enthält, dem das zweite Eingangssignal (V_1n 1) zugeführt wird.

3. Multiplizierer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen an die Basis des La :raltransistors (Q\) angeschlossenen Eingangswiderstand (R\) und durch eine an den zweiten Kollektor (Ci)des Lateraltransistors ((^angeschlossene Ausgangsbelastung (Ri).

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

5. Multiplizierer nach Anspruch 1, dadurcn gekennzeichnet, daß der zweite Kollektorbereich (Ci) kreissegmentförmig ist, wobei die segmentförmigen Bereiche mehrere Ausgangskollektoren bilden.