JP2551386B2 - Multiplier - Google Patents

Multiplier

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克治 木村
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、2つのアナログ信号を
乗算するマルチプライヤに係り、特に半導体集積回路上
に形成されるMOSトランジスタで構成される2象限及
び4象限のマルチプライヤに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a multiplier for multiplying two analog signals, and more particularly to a 2-quadrant and 4-quadrant multiplier composed of MOS transistors formed on a semiconductor integrated circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】2象限のアナログマルチプライヤとして
は、従来、例えばメイバ(J.Mavor)が提案した図5に示
すものが知られている。これは、文献“IEE Electronic
s letter,13(1977) ”の第373頁から第374頁に掲
載されている。
2. Description of the Related Art As a two-quadrant analog multiplier, the one shown in FIG. 5 proposed by J. Mavor, for example, is conventionally known. This is based on the document "IEE Electronic
s letter, 13 (1977) ", pages 373 to 374.

【0003】また4象限のアナログマルチプライヤとし
ては、従来、例えば図6に示すものが知られている。こ
れは、メイバの2象限アナログマルチプライヤの2個を
入出力を交差接続して4象限化したもので、セージ(Sa
ge)とキャポン(Cappon)が提案したものである(日本
応用物理学会1979年第11回予稿集VOl.19,Supplement19-
1,pp.265-268(1980))。
As a four-quadrant analog multiplier, the one shown in FIG. 6 is conventionally known. This is a two quadrant analog multiplier of Maeba, which has four quadrants by cross-connecting the input and output.
ge) and Cappon (Proceedings of the Japan Society of Applied Physics 1979 11th Proceedings V O l.19, Supplement19-
1, pp.265-268 (1980)).

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、アナログ信
号処理においては、マルチプライヤは欠くことのできな
いファンクション・ブロックであるが、近時集積回路の
超微細化が進み、それに伴い集積回路の電源電圧も5V
から3.3Vあるいは3Vへと低電圧化してきており、
低電圧回路技術の必要性が一層高まってきている。
By the way, in analog signal processing, a multiplier is an indispensable function block, but recently, as the integrated circuits have become ultra-miniaturized, the power supply voltage of the integrated circuits has also increased. 5V
From 3.3V to 3V or 3V,
The need for low voltage circuit technology is ever increasing.

【0005】また、CMOSプロセスは、LSI化に最
適のプロセスとして広く認められるようになってきてい
るので、CMOSプロセスでマルチプライヤを実現する
ための回路技術が求められている。
Since the CMOS process has been widely recognized as an optimum process for LSI, a circuit technique for realizing a multiplier in the CMOS process is required.

【0006】しかし、従来のマルチプライヤは、原理的
に低電圧動作が可能でなく、回路的な限界がある。また
MOSでは、上述したように、Mavor の2象限アナログ
マルチプライヤをSageとCapponが4象限化しているが、
平均的な印加方法によらない第2の入力電圧(図5で言
えば、Vy +vy)は低インピーダンスの電圧源で印加し
なければならず、低電圧化、低消費電流化、高周波化が
困難であるという問題がある。
However, the conventional multiplier cannot operate at a low voltage in principle and has a circuit limitation. In the MOS, as described above, Mavor's two-quadrant analog multiplier is made into four quadrants by Sage and Cappon.
The second input voltage (V y + v y in FIG. 5), which does not depend on the average application method, must be applied by a low impedance voltage source, resulting in low voltage, low current consumption, and high frequency. There is a problem that is difficult.

【0007】本発明の目的は、低電圧化、低消費電流
化、高周波化が可能で、かつ、直線性の良い入力電圧範
囲を広くできる2象限及び4象限のマルチプライヤを提
供することにある。
It is an object of the present invention to provide a two-quadrant and four-quadrant multiplier capable of lowering the voltage, reducing the current consumption, increasing the frequency, and widening the input voltage range with good linearity. .

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明のマルチプライヤは次の如き構成を有する。即
ち、第1発明のマルチプライヤは、3個のMOSトラン
ジスタが共通の定電流源で駆動されるトリプルテールセ
ルにおいて; 第1及び第2のMOSトランジスタでは
第1の信号が差動入力し、出力端が出力対を構成し;
第3のMOSトランジスタでは第2の信号が入力し、出
力端と電源間に定電流源を介在させてある; ことを特
徴とするものである。
In order to achieve the above object, the multiplier of the present invention has the following constitution. That is, the multiplier of the first invention is a triple tail cell in which three MOS transistors are driven by a common constant current source; the first signal is differentially input to and output from the first and second MOS transistors. The ends make up the output pair;
The second signal is input to the third MOS transistor, and a constant current source is interposed between the output terminal and the power source;

【0009】また、第2発明のマルチプライヤは、第1
発明のマルチプライヤの2個で構成され; 出力対は極
性の異なるもの同士を共通接続して差動出力対を構成
し、第1の信号は2個のマルチプライヤの前記第1及び
第2のMOSトランジスタに共通に差動入力し、第2の
信号は2個のマルチプライヤの前記第3のMOSトラン
ジスタに差動入力する; ことを特徴とするものであ
る。
The multiplier of the second invention is the first invention.
The output pair comprises two of the multipliers of the invention; the output pairs are mutually connected in common to form a differential output pair, and the first signal is the first and second multipliers of the two multipliers. The differential signal is commonly input to the MOS transistors, and the second signal is differentially input to the third MOS transistors of the two multipliers.

【0010】なお、第2発明のマルチプライヤでは、2
個の第3のMOSトランジスタは、その出力端が共通接
続され電源間に共通の定電流源を介在させる場合があ
る。
In the multiplier of the second invention, 2
The output terminals of the third MOS transistors are commonly connected, and a common constant current source may be interposed between the power supplies.

【0011】[0011]

【作用】次に、前記の如く構成される本発明のマルチプ
ライヤの作用を説明する。本発明では、3個のMOSト
ランジスタが共通の定電流源で駆動されるトリプルテー
ルセルにより2象限のマルチプライヤを構成し(第1発
明)、この2象限のマルチプライヤの2個を用いて4象
限のマルチプライヤを構成する(第2発明)。その際
に、入力電圧はゲートに印加する平均的な手法を採用す
るので、駆動源は高インピーダンスの定電流源を用いる
ことができる。
Next, the operation of the multiplier of the present invention constructed as above will be described. In the present invention, a triple quadrant cell in which three MOS transistors are driven by a common constant current source constitutes a two-quadrant multiplier (first invention). A quadrant multiplier is constructed (second invention). At that time, since an average method of applying the input voltage to the gate is adopted, a high impedance constant current source can be used as the driving source.

【0012】従って、本発明によれば、低電圧化、低消
費電流化、高周波化が可能である。また、CMOS構成
であるから直線性の良い入力電圧範囲を広くできる。
Therefore, according to the present invention, lower voltage, lower current consumption, and higher frequency can be achieved. In addition, the CMOS configuration can widen the input voltage range with good linearity.

【0013】[0013]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図1は、本発明の第1実施例に係るマルチプライ
ヤを示す。図1において、このマルチプライヤは、M1
とM2とM3の3個のMOSトランジスタが共通の定電
流源I0 で駆動されるトリプルテールセルにおいて、第
1及び第2のMOSトランジスタ(M1、M2)ではゲ
ートに第1の信号(VGS±(V1 /2))が差動入力
し、出力端(ドレイン)が出力対を構成し、第3のMO
SトランジスタM3ではゲートに第2の信号(VGS+V
2 )が入力し、出力端(コレクタ)と電源VDD間に定
電流源IA を介在させてある。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a multiplier according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, this multiplier is M1.
In a triple tail cell in which the three MOS transistors of M2 and M3 are driven by a common constant current source I 0 , the first and second MOS transistors (M1 and M2) have their gates fed with the first signal (V GS ± (V 1/2)) is input differential output terminal (drain) constitute an output pair, the third MO
In the S transistor M3, the second signal (V GS + V
2 ) is input, and a constant current source I A is interposed between the output terminal (collector) and the power supply VDD.

【0014】同一チップ上では素子間の整合性は良いと
仮定し、チャネル長変調と基板効果を無視すると、飽和
領域で動作するMOSトランジスタのドレイン電流とゲ
ート・ソース間電圧との関係が2乗則に従うものとすれ
ば、テール電流I0 で駆動されるCMOSトリプルテー
ルセルの各ドレイン電流(ID1、ID2、ID3)は、数式
1,同2,同3で示される。但し、数式1〜数式3にお
いて、βはトランスコンダクタンス・パラメータであ
り、キャリアの実効モビリティμ、単位面積当たりのゲ
ート酸化膜容量COX、ゲート幅W、ゲート長Lを用い
て、β=μ(COX/2)(W/L)である。また、VTH
はスレッショルド電圧、Kは単位トランジスタに対する
能力(W/L)の比率、VGSは無信号時のゲート・ソー
ス間電圧である。
Assuming that the matching between the elements is good on the same chip, and ignoring the channel length modulation and the substrate effect, the relation between the drain current and the gate-source voltage of the MOS transistor operating in the saturation region is squared. According to the rule, the drain currents (I D1 , I D2 , I D3 ) of the CMOS triple tail cell driven by the tail current I 0 are represented by Formulas 1, 2 and 3. However, in Equations 1 to 3, β is a transconductance parameter, and β = μ (using the effective mobility μ of carriers, the gate oxide film capacitance C OX per unit area, the gate width W, and the gate length L. C OX / 2) (W / L). Also, V TH
Is the threshold voltage, K is the ratio of capacity (W / L) per unit transistor, and V GS is the gate-source voltage when there is no signal.

【0015】[0015]

【数1】 [Equation 1]

【0016】[0016]

【数2】 [Equation 2]

【0017】[0017]

【数3】 (Equation 3)

【0018】また、テール電流I0 は、数式4である。Further, the tail current I 0 is given by Equation 4.

【0019】[0019]

【数4】ID1+ID2+ID3=I0 [Equation 4] I D1 + I D2 + I D3 = I 0

【0020】従って、CMOSトリプルテールセルの差
動出力電流ΔID は、トランジスタが何れもカットオフ
しない場合は、数式5で示される。
Therefore, the differential output current ΔI D of the CMOS triple tail cell is expressed by Equation 5 when none of the transistors is cut off.

【0021】[0021]

【数5】 (Equation 5)

【0022】但し、ここではトランジスタM3を駆動し
ている定電流源IA の値は、IA ={K/(K+2)}
0 として2つの入力電圧の間の電圧差をなくしてい
る。
However, here, the value of the constant current source I A driving the transistor M3 is I A = {K / (K + 2)}
The voltage difference between the two input voltages is eliminated as I 0 .

【0023】数式5から、図1に示すCMOSトリプル
テールセルは、V2 に対してはオフセットを持つが、2
象限マルチプライヤとなっていることが解る。
From Equation 5, the CMOS triple tail cell shown in FIG. 1 has an offset with respect to V 2 , but 2
You can see that it is a quadrant multiplier.

【0024】次に、図2は、本発明の第2実施例に係る
マルチプライヤの原理図である。この第2実施例に係る
マルチプライヤは、第1実施例の2象限マルチプライヤ
1と同2の2個で構成される4象限マルチプライヤであ
る。前述したように、2象限マルチプライヤは、第1及
び第2のMOSトランジスタのゲートからなる差動対入
力端と第3のMOSトランジスタのゲートからなる1つ
の入力端と第1及び第2のMOSトランジスタのドレイ
ンからなる出力対とを有する。
Next, FIG. 2 is a principle view of a multiplier according to the second embodiment of the present invention. The multiplier according to the second embodiment is a four-quadrant multiplier composed of two two-quadrant multipliers 1 and 2 of the first embodiment. As described above, the two-quadrant multiplier has a differential pair input terminal including the gates of the first and second MOS transistors and one input terminal including the gates of the third MOS transistor and the first and second MOS transistors. And an output pair consisting of the drains of the transistors.

【0025】そこで、1と2の2象限マルチプライヤの
出力対は、極性の異なるもの同士を共通接続して差動出
力対を構成し、第1の信号Vx は2個のマルチプライヤ
の差動対入力端に共通に入力し、第2の信号Vy は2個
のマルチプライヤの1つの入力端間に差動入力してい
る。具体的には、図3に示すように構成される。
Therefore, the output pairs of the two-quadrant multipliers 1 and 2 are connected in common to those having different polarities to form a differential output pair, and the first signal V x is the difference between the two multipliers. The second signal V y is commonly input to the moving pair input terminal and differentially input to one input terminal of the two multipliers. Specifically, the configuration is as shown in FIG.

【0026】CMOSトリプルテールセルを2つ組合わ
せて実現されるCMOS4象限マルチプライヤの差動出
力電流ΔIM {=(ID1+ID5)−(ID2+ID4)}
は、トランジスタが何れもカットオフしない場合には数
式6で示される。
Differential output current ΔI M {= (I D1 + I D5 )-(I D2 + I D4 )} of a CMOS 4-quadrant multiplier realized by combining two CMOS triple tail cells.
Is expressed by Equation 6 when none of the transistors is cut off.

【0027】[0027]

【数6】 (Equation 6)

【0028】CMOS4象限マルチプライヤの入出力特
性は、MOSトランジスタの2乗則を仮定すれば、理想
的な乗算特性となる。
The input / output characteristics of the CMOS 4-quadrant multiplier are ideal multiplication characteristics, assuming the square law of MOS transistors.

【0029】なお、図3では、M3とM6はそれぞれ定
電流源IA で駆動しているが、この2つの定電流源IA
を図4に示すように共通化すれば、M3とM6の何れか
一方がカットオフした場合にも、定電流源(2IA )か
ら出力される電流をカットオフしていない他方のトラン
ジスタに流すことで定電流回路の飽和を妨げることがで
きる。
In FIG. 3, M3 and M6 are each driven by a constant current source I A , but these two constant current sources I A
If common, as shown in FIG. 4, even when one of M3 and M6 are cut off, flow through the other transistor of the current outputted from the constant current source (2I A) is not cut off This can prevent saturation of the constant current circuit.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上説明したように、本発明のマルチプ
ライヤは、3個のMOSトランジスタが共通の定電流源
で駆動されるトリプルテールセルにより2象限のマルチ
プライヤを構成し(第1発明)、この2象限のマルチプ
ライヤの2個を用いて4象限のマルチプライヤを構成す
る(第2発明)。その際に、入力電圧はゲートに印加す
る平均的な手法を採用するので、駆動源は高インピーダ
ンスの定電流源を用いることができる。従って、本発明
によれば、低電圧化、低消費電流化、高周波化が可能で
ある。また、CMOS構成であるから直線性の良い入力
電圧範囲を広くできる効果がある。
As described above, the multiplier of the present invention constitutes a two-quadrant multiplier by a triple tail cell in which three MOS transistors are driven by a common constant current source (first invention). A two-quadrant multiplier is used to form a four-quadrant multiplier (second invention). At that time, since an average method of applying the input voltage to the gate is adopted, a high impedance constant current source can be used as the driving source. Therefore, according to the present invention, lower voltage, lower current consumption, and higher frequency can be achieved. In addition, the CMOS configuration has the effect of widening the input voltage range with good linearity.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1実施例に係るマルチプライヤの回
路図である。
FIG. 1 is a circuit diagram of a multiplier according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2実施例に係るマルチプライヤの原
理的構成ブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram showing a principle configuration of a multiplier according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第2実施例に係るマルチプライヤの具
体的構成の回路図である。
FIG. 3 is a circuit diagram of a concrete configuration of a multiplier according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2実施例に係るマルチプライヤの具
体的構成の回路図である。
FIG. 4 is a circuit diagram of a concrete configuration of a multiplier according to a second embodiment of the present invention.

【図5】従来の2象限マルチプライヤの回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram of a conventional two-quadrant multiplier.

【図6】従来の4象限マルチプライヤの回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a conventional 4-quadrant multiplier.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,2 2象限マルチプライヤ M1〜M6 MOSトランジスタ 1 and 2 quadrant multiplier M1 to M6 MOS transistors

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 3個のMOSトランジスタが共通の定電
流源で駆動されるトリプルテールセルにおいて; 第1
及び第2のMOSトランジスタでは第1の信号が差動入
力し、出力端が出力対を構成し; 第3のMOSトラン
ジスタでは第2の信号が入力し、出力端と電源間に定電
流源を介在させてある; ことを特徴とするマルチプラ
イヤ。
1. A triple tail cell in which three MOS transistors are driven by a common constant current source;
The first signal is differentially input to the second MOS transistor, and the output terminal forms an output pair; the second signal is input to the third MOS transistor, and a constant current source is connected between the output terminal and the power supply. Intervening; Multiplier characterized by the following.
【請求項2】 請求項1に記載のマルチプライヤの2個
で構成され; 出力対は極性の異なるもの同士を共通接
続して差動出力対を構成し、第1の信号は2個のマルチ
プライヤの前記第1及び第2のMOSトランジスタに共
通に差動入力し、第2の信号は2個のマルチプライヤの
前記第3のMOSトランジスタに差動入力する; こと
を特徴とするマルチプライヤ。
2. The multiplier according to claim 1, comprising two multipliers; output pairs having different polarities are commonly connected to form a differential output pair, and the first signal includes two multipliers. The multiplier is commonly differentially input to the first and second MOS transistors of the pliers, and the second signal is differentially input to the third MOS transistors of the two multipliers.
【請求項3】 2個の第3のMOSトランジスタは、そ
の出力端が共通接続され電源間に共通の定電流源を介在
させてある; ことを特徴とする請求項2に記載のマル
チプライヤ。
3. The multiplier according to claim 2, wherein the output terminals of the two third MOS transistors are commonly connected, and a common constant current source is interposed between the power supplies.
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