DE4415859A1 - Parallel differential amplifier integrated circuit for analog four quadrant multiplier or modulator-demodulator - Google Patents

Parallel differential amplifier integrated circuit for analog four quadrant multiplier or modulator-demodulator

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Abstract

A high-frequency signal is resolved into anti-phase components (+VRF, -VRF) for application to the control electrodes (1, 10) of respective transistors (T1, T4) constituting portions of two differential amplifiers (D1, D2) whose remaining components (T2, T3) are gated from a common DC source (Q2).A modulation signal is similarly resolved (+VNF, -VNF) and applied to further transistors (T5, T6) acting as current sources for the respective differential amplifiers. All control electrodes are DC-decoupled from the inputs by capacitors (C1-C4). For microwave frequencies, high electron mobility transistors may be used instead of bipolar transistors or FETs.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Multiplizieren zweier Signale mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The present invention relates to a circuit for Multiply two signals by the characteristics of the Preamble of claim 1.

Schaltungen dieser Art sind bekannt, z. B. aus J.N. Babanezhad, G.C. Temes: "A 20-V Four-Quadrant CMOS Analog Multiplier", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-20, No. 6, Dec. 1985. Hier ist u. a. ein Gilbert- Multiplizierer beschrieben, der im wesentlichen aus sechs Transistoren besteht. Die Transistoren sind paarweise als Differenzverstärker angeordnet, an deren Eingängen zwei miteinander zu multiplizierende Signale anliegen. Diese Schaltung enthält Leitungsüberkreuzungen, die bei der Integration auf einem Halbleitersubstrat nachteilig sind, da sie bei hohen Signalfrequenzen zu Störkapazitäten und Signalverkopplungen führen.Circuits of this type are known, e.g. B. from J.N. Babanezhad, G.C. Temes: "A 20-V Four-Quadrant CMOS Analog Multiplier, "IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-20, No. 6, Dec. 1985. Here is u. a. a Gilbert Multiplier described, consisting essentially of six Transistors. The transistors are in pairs Differential amplifier arranged at the inputs of two signals to be multiplied are present. These Circuit contains line crossings, which at the Integration on a semiconductor substrate are disadvantageous because they at high signal frequencies to interference capacities and Lead signal coupling.

Aus der EP 582 176 A1 ist eine Schaltung zum Multiplizieren zweier Signale bekannt, die symmetrisch aufgebaut ist. Bei dieser sind ebenfalls Leitungsüberkreuzungen vorhanden. EP 582 176 A1 describes a circuit for multiplying known two signals, which is constructed symmetrically. At there are also line crossings.  

In U. Tietze, Ch. Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik", 4. Auflage, 1978, S. 226 ff. sind Steilheitsmultiplizierer beschrieben. Bei dem Vierquadranten- Steilheitsmultiplizierer, Seite 228, sind ebenfalls mehrere Leitungsüberkreuzungen vorhanden.In U. Tietze, Ch. Schenk: "Semiconductor circuit technology", 4. Edition, 1978, p. 226 ff. Are slope multipliers described. With the four quadrant Slope multipliers, page 228, are also several Line crossings exist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung zum Multiplizieren zweier Signale anzugeben, die keine Leitungsüberkreuzungen aufweist.The object of the present invention is a Circuit for multiplying two signals to indicate the has no line crossings.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.This object is achieved by the features of Claim 1 solved. Advantageous embodiments are based the subclaims.

Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht die Multiplikation zweier Signale. Sie ist insbesondere für hohe Frequenzen und zur Integration auf einem Halbleitersubstrat geeignet. Durch die seitliche Zuführung von gegenphasigen Signalen und durch einen symmetrischen Aufbau werden Leitungsüberkreuzungen vermieden. Der symmetrische Aufbau führt zu gleichen geometrischen Abmessungen der Signalleitungen. Unterschiedliche Längen der Signalleitungen stören die Symmetrie der Steuersignale, was bei höheren Frequenzen zu einem Fehler im Ausgangssignal führt. Die Schaltung kann z. B. als Modulator bzw. Demodulator für Mikrowellensignale verwendet werden.The circuit according to the invention enables multiplication two signals. It is especially for high frequencies and suitable for integration on a semiconductor substrate. By the lateral supply of opposite phase signals and through line crossings become a symmetrical structure avoided. The symmetrical structure leads to the same geometric dimensions of the signal lines. Different lengths of the signal lines disturb the Symmetry of the control signals, which at higher frequencies too leads to an error in the output signal. The circuit can e.g. B. as a modulator or demodulator for microwave signals be used.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur erläutert, die einen Vierquadrantenmultiplizierer zeigt.An embodiment of the invention is based on the figure which shows a four quadrant multiplier.

Die Schaltung bewirkt die Multiplikation zweier Signale VRF und VNF, die beide in gegenphasige Signalkomponenten +VRF und -VRF und +VNF und -VNF aufgeteilt sind und an der Schaltung anliegen. Die Signalkomponenten +VRF und -VRF werden Eingängen von zwei parallel geschalteten Differenzverstärkern D1 und D2 zugeführt. Der Differenzverstärker D1 enthält die beiden Transistoren T1 und T2 und der Differenzverstärker D2 die Transistoren T3 und T4. Die vier Transistoren T1-T4 werden von einer Versorgungsspannung VDD gespeist.The circuit effects the multiplication of two signals V RF and V NF , both of which are divided into opposite-phase signal components + V RF and -V RF and + V NF and -V NF and are applied to the circuit. The signal components + V RF and -V RF are input to two differential amplifiers D1 and D2 connected in parallel. The differential amplifier D1 contains the two transistors T1 and T2 and the differential amplifier D2 contains the transistors T3 and T4. The four transistors T1-T4 are fed by a supply voltage VDD.

Ihr Arbeitspunkt wird durch drei Gleichspannungsquellen Q1-Q3 in der Weise eingestellt, daß die Ströme J₁, J₂, J₃ und J₄ durch die Transistoren T1-T4 gleich sind.Your working point is determined by three DC voltage sources Q1-Q3 set in such a way that the currents J₁, J₂, J₃ and J₄ through transistors T1-T4 are the same.

Das Signal VRF ist beispielsweise ein hochfrequentes Signal. Es wird außerhalb der Schaltung in die zwei Gegentaktsignalkomponenten +VRF und -VRF zerlegt, und diese werden einer Steuerelektrode 1 bzw. 10 der Transistoren T1 bzw. T4 zugeführt. Die Steuerelektroden 4, 7 der Transistoren T2, T3 liegen auf demselben Gleichspannungspotential, in diesem Ausführungsbeispiel sind sie direkt miteinander verbunden. Durch diese Beschaltung wirken die beiden Differenzverstärker D1 und D2 als ein Differenzverstärker für das Signal VRF. An ihren Ausgängen kann deshalb ein zu dem Signal VRF proportionales Ausgangssignal Vout abgegriffen werden. Durch die Parallelschaltung der beiden Differenzverstärker D1 und D2 sind die Hauptanschlüsse 5 und 8 der Transistoren T2 und T3 direkt miteinander verbindbar. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal Vout unsymmetrisch, mit Masse als Bezugspotential, von dieser Verbindung abgegriffen.The signal V RF is a high-frequency signal, for example. Outside the circuit, it is broken down into the two push-pull signal components + V RF and -V RF , and these are fed to a control electrode 1 or 10 of the transistors T1 or T4. The control electrodes 4 , 7 of the transistors T2, T3 are at the same DC potential, in this exemplary embodiment they are directly connected to one another. Through this wiring, the two differential amplifiers D1 and D2 act as a differential amplifier for the signal V RF . An output signal V out proportional to the signal V RF can therefore be tapped at their outputs. By connecting the two differential amplifiers D1 and D2 in parallel, the main connections 5 and 8 of the transistors T2 and T3 can be connected directly to one another. In this embodiment, the output signal V out is tapped asymmetrically, with ground as the reference potential, from this connection.

Zwei weitere Transistoren T5 und T6 sind in einer Beschaltung als Stromquelle an die beiden Differenzverstärker D1 und D2 angeschlossen. Die Arbeitspunkte der beiden Transistoren T5 und T6 werden durch zwei Gleichspannungsquellen Q4 und Q5 eingestellt. An den Steuerelektroden 13 und 16 der zwei Transistoren T5, T6 liegen die beiden gegenphasigen Signalkomponenten +VNF und -VNF des zweiten Signals VNF an, die dadurch eine Steuerung der Stromquellen (T5, T6) bewirken. Die beiden durch die Stromquellen fließenden Ströme J₅ und J₆ sind proportional zu dem Signal VNF. Das Ausgangssignal der zwei parallelgeschalteten Differenzverstärker D1, D2 ist proportional zu den Signalkomponenten +VRF und -VRF, so daß die Schaltung insgesamt eine Multiplikation der beiden Signale VNF und VRF bewirkt.Two further transistors T5 and T6 are connected in a circuit as a current source to the two differential amplifiers D1 and D2. The operating points of the two transistors T5 and T6 are set by two DC voltage sources Q4 and Q5. The two opposite-phase signal components + V NF and -V NF of the second signal V NF are applied to the control electrodes 13 and 16 of the two transistors T5, T6, which thereby control the current sources (T5, T6). The two currents J₅ and J₆ flowing through the current sources are proportional to the signal V NF . The output signal of the two differential amplifiers D1, D2 connected in parallel is proportional to the signal components + V RF and -V RF , so that the circuit effects a multiplication of the two signals V NF and V RF .

Durch diese Beschaltung der Differenzverstärker D1 und D2 und der Transistoren T5 und T6, zusammen mit der Aufteilung der beiden Signale VRF und VNF in die gegenphasigen Signalkomponenten +VRF, -VRF, +VNF, -VNF, werden Leitungsüberkreuzungen zwischen signalführenden Leitungen vermieden. Bei der Integration auf einem Halbleitersubstrat führen Störkapazitäten bei Leitungsüberkreuzungen zum Übersprechen, das die elektrischen Eigenschaften der Schaltung verschlechtert. Dieser Effekt ist besonders bei hohen Frequenzen ausgeprägt.Through this wiring of the differential amplifiers D1 and D2 and the transistors T5 and T6, together with the division of the two signals V RF and V NF into the opposite-phase signal components + V RF , -V RF , + V NF , -V NF , line crossings between signal-carrying lines avoided. When integrated on a semiconductor substrate, interference capacities at line crossings lead to crosstalk, which worsens the electrical properties of the circuit. This effect is particularly pronounced at high frequencies.

Leitungsüberkreuzungen zwischen einer signalführenden Leitung und einer gleichspannungsführenden Leitung stören nicht, da auf der gleichspannungsführenden Leitung ein durch Übersprechen entstandenes Signal mit Kondensatoren ausgesiebt werden kann. Das hochfrequente Ausgangssignal Vout kann deshalb ohne Beeinträchtigung aus der Schaltung herausgeführt werden, z. B. durch eine Überkreuzung mit der Leitung der Versorgungsspannung VDD (siehe Figur).Line crossings between a signal-carrying line and a DC voltage-carrying line do not interfere, since a signal created by crosstalk on the DC voltage-carrying line can be screened out with capacitors. The high-frequency output signal V out can therefore be led out of the circuit without impairment, for. B. by crossing with the line of the supply voltage VDD (see figure).

Durch vier Kondensatoren C1-C4 werden die an den Steuerelektroden 1, 10, 13, 16 der Transistoren T1, T4, T5 und T6 anliegenden Gleichspannungen von den Eingängen der Schaltung abgekoppelt. Da beide Signale VRF und VNF gegenphasig an der Schaltung anliegen, arbeitet diese als analoger Vier-Quadranten-Multiplizierer. Durch die Arbeitspunkteinstellung der Transistoren T5 und T6 benötigt dieser Vier-Quadraten-Multiplizierer keine gemeinsame Stromquelle, wie sie nach dem Stand der Technik üblicherweise verwendet wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Schaltung aber mit dieser Stromquelle ausgestattet sein.The DC voltages present at the control electrodes 1 , 10 , 13 , 16 of the transistors T1, T4, T5 and T6 are decoupled from the inputs of the circuit by four capacitors C1-C4. Since both signals V RF and V NF are present in phase opposition to the circuit, the circuit works as an analog four-quadrant multiplier. Due to the operating point setting of the transistors T5 and T6, this four-square multiplier does not require a common current source, as is customarily used in the prior art. In another embodiment, the circuit can be equipped with this current source.

Als Transistoren können bipolare oder Feldeffekt- Transistoren verwendet werden. Zur Verarbeitung von Frequenzen im Mikrowellenbereich können HEMT-Transistoren eingesetzt werden, die sich auch auf einem Halbleitersubstrat integrieren lassen. Ein Anwendungsbeispiel dieser Schaltung ist ein Modulator, mit dem ein hochfrequentes Signal VRF durch ein niederfrequentes Signal VNF moduliert wird. Durch den hochsymmetrischen Aufbau wird die Schaltungsoptimierung für Frequenzen im Mikrowellenbereich vereinfacht.Bipolar or field effect transistors can be used as transistors. For processing frequencies in the microwave range, HEMT transistors can be used, which can also be integrated on a semiconductor substrate. An application example of this circuit is a modulator with which a high-frequency signal V RF is modulated by a low-frequency signal V NF . The highly symmetrical design simplifies the circuit optimization for frequencies in the microwave range.

Claims (5)

1. Schaltung zum Multiplizieren zweier Signale mit zwei parallelgeschalteten Differenzverstärkern, deren Eingängen die beiden Signale zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Signale in zwei gegenphasige Komponenten (+VRF, -VRF) zerlegt ist, und daß die gegenphasigen Komponenten (+VRF, -VRF) dieses Signals getrennt voneinander den zwei Differenzverstärkern (D1, D2) zugeführt sind.1. Circuit for multiplying two signals by two differential amplifiers connected in parallel, the inputs of which are supplied to the two signals, characterized in that at least one of the signals is broken down into two antiphase components (+ V RF , -V RF ), and that the antiphase components ( + V RF , -V RF ) of this signal separately from the two differential amplifiers (D1, D2) are supplied. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Steuereingänge (4, 7) der zwei parallelgeschalteten Differenzverstärker (D1, D2) auf demselben Gleichspannungspotential liegen.2. Circuit according to claim 1, characterized in that two control inputs ( 4 , 7 ) of the two differential amplifiers (D1, D2) connected in parallel are at the same DC potential. 3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf demselben Gleichspannungspotential liegenden Steuereingänge (4, 7) in der Schaltung räumlich direkt nebeneinander liegen und miteinander verbunden sind.3. A circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the control inputs ( 4 , 7 ) lying at the same DC potential are spatially adjacent to one another in the circuit and are connected to one another. 4. Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie symmetrisch aufgebaut ist zur phasenrichtigen Ankopplung der zwei Signale (+VRF, -VRF, +VNF, -VNF).4. Circuit according to claim 1, 2 or 3, characterized in that it is constructed symmetrically for the in-phase coupling of the two signals (+ V RF , -V RF , + V NF , -V NF ). 5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Vierquadranten- Multiplizierer ausgeführt ist.5. Circuit according to one of the preceding claims, characterized in that they are four-quadrant Multiplier is executed.
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EP0395894A2 (en) * 1989-04-05 1990-11-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Electronic circuit for analog multiplication, differential amplification or charge accumulation

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