JPS5831472A - 乗算回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は，アナログｇｉ慶の乗算回路すなわち利得制
御回路に閣するもσ》であり、更に詳しく述べると、ア
ーリー効果に，依るエラーン十分に電圧するための補償
が行なわれた電圧制御増幅器に関するものである。

多くのシステム，物に音声？よび映ＩＪ２信号な処理す
るシステムにを工，電気的指令もしくは制御信号κ応答
して制御される信号利得制御回路が含まれている。市場
にでている信号利得制御回路の一例として，１９７５年
１月３０日にデービツ『●イー●ブラック？　−　（　
Ｄａｖｉｄ　Ｅ．Ｂｌａｃｋｍｅｒ）氏に与えられた米
国特許第５，７　１　４，４　６　２号明細畜に説明さ
れ、クレームされた型式の乗算回路がある。

該回路は，マサチューセッツ（Ｍａａａａｃｈｕｓｅｔ
ｔｓ）の会社であるＤＢＸ株式会社によってライセンス
契約され、かつ製造された。この回路を，以下。

ＤＢＸ乗算回路として参照することにする。ＤＢＸ乗算
回路には，一般に，入力信号の対数関数として第一の信
号ｖｔｇｌ路に供給するための手段と，第一の信号に制
御信号を代数的に加えるための手段とが含まれている。

信号利得を工、ｍｆ４信号レベルの関数である７。また
、回路には，第一信号および制御信号の代数和の真数の
関数として出力信号音発生するための手段か含まれ【い
る。ＤＢ！乗算回路は，入力信号は、正極性および負極
性のいずれでもよいし，また両方でもよく、双極性のも
のである。該回路によって与えられる利得を工，増幅も
しくは減衰のいずれでもよい。

好ましいｒＤ　Ｂ　！乗算回路には，演算増幅器と利得
セルとが含まれている。利得セルは，それぞれが、対ａ
−ｓ型のペースーエミツタ竃ｆＥ　（　ｖｂａ　）／コ
レクタ電流（　Ｉｃ　）の転送物性を有し、それぞれ増
ＩＩｌ器の反対の４電型のフイーｒパック経路に接続さ
れる，少なくとも二つのトランジスタヶ含んでいる。こ
の二つのトランジスタは，正極性および負極性の入力電
流信号に応答して対数の電圧信号ｔそれぞれ発生する。

また、利得セルには。

対数一ｌＩ型のＶｂｅ　／　Ｊｃ転送脣性奮示し，それ
ぞれ対数信号変換トランジスタに接続された少なくとも
二つの他のトランジスタか含まれている。これらの二つ
の他のトランジスタは，対数信号Ｒよび餉御竃圧信号の
代数和の真数の＠数としての出力信号ｔそれぞれ発生す
る。トランジスタの利得は，適訳されたトランジスタの
ベースに印加ざれた制御電圧に依って制御可能である。

ＤＢＸ乗算回路の好ましい利得セル＋２，一万の極性の
入力信号に対してｐ′Ｎｐ伝４型の少なくとも二つのト
ランジスタと、他方の極性の入力信号に対してＮＰＮ伝
導型の少なくとも二つのトランジスタを含んでいる。そ
れぞれのＶｂｅ　／　Ｉｃ転送特性（それらの半導体領
域を含む）について。

ＮＰＮ　｝ランジスタとＰＮＰ｝ランジスタとが平衡す
るようにあらゆる努力が行なわれているが。

回路が集積回路技術に依って製造される場合でも。

通常トランジスタは完全には平衡しない。例えば。

一つのトランジスタが残りのトランジスタの面積とは異
なる面積１を有すると，所定の！ＩＩｌ御信号に対して
，セルは，一万の極性の入力４Ｍ号レベルに対して、他
方の極性の入力信号レベルについての信号利得とは異な
る便号利得ン与えるだろう。これによって信号歪みが生
じることになる●歪ｈに加えて，利得セルが出刀工うー
信号奮発生する場＠−ＩＣは，オフセットの問題が存在
する。

例えば、真数トランジスタの中の一つのトランジスタの
面積が残りのトランジスタの面積の９９９６である場合
には、利得１に対して、より少ない面積の真数トランジ
スタのコレクタｉｉａｔ工，他の真数トランジスタのコ
レクタ電流の９９１であるだろう。この結果、０．０１
の出力エラーが生じる。

この問題は、１以外の利得設定の場合にも生じる。

従って、米国特許第５．７１４，４６２号明細書に説明
されているように、所定の制御信号レベルについて、一
方′の極性の入力信号に対してセルによって与えられる
利得が、他方の極性の入力信号に対してセルにより与え
られる利得と一致するように、平衡にＩｌｌ整された電
圧が一つのトランジスタのベース印加される。典型的に
は、平衡１１１Ｉ！ｌＩ電圧は、セル利得が１に設定さ
れｆ、：　（丁なわち、制御電圧は零）ボテンシ目メー
タによって供給される。

セルは、すべてのトランジスタが実質的に平衡している
かのように機能する一方、利得が１から変わると、歪み
とオフセットの問題かアーリー効果によって生じる。

符に−トランジスタにおいて、ＩｃとＶｂｅとの理想的
な関係（工１次式の通りである。

Ｘｃ−Ｘｓ　（ｅｘｐ（Ｖｂｅ　／Ｖｔ）　−１）　、
　　ｉｆ）ここで、　Ｉｃは、トランジスタのコレクタ
電流であり、　　ｘＢは、トランジスタの逆飽和電流で
ある。ｅｘｐは、自然指数関数ン表わす。Ｖｂｅは。

トランジスタのベース・工ずツタ接合の電圧で。

Ｖｔは、動作温度の関数である熱電圧である。

［１１式は、コレクタ電流Ｉｃ；Ｊ！Ｉ’ｓトランジス
タのコレクタとベース間の電圧、すなわちｖｃｂと無関
係であることン示すように見える力ζ実際はそうではな
い。トランジスタが無限大の出力インピータンス（すな
わち、　ＸｃがＶｃｂのすべての値に対して一定である
）ン持っていると、理想的な関係が存在するが、実際に
は、　Ｉｃは、　Ｗｅｂが増加すると、増加する。ＤＢ
Ｘ乗算回・路において。

ＩＣの増加とｖｃｂの増加との比が大きくなるはと。

トランジスタの動作が悪くな□る。

コレクタ・ベース電□圧の増加に対するコレクタ電流の
増加は、アーリー効果と呼ばれる。アーリー効果は、ベ
ース・コレクタ接置の電圧が増加するＫつれて、接合の
幅が増加し、ベース領域が狭くなるという事実に因る。

これによって、ベース領域のキャリア分布に大きな勾配
力宝形成され、コレクタ電流が増加する。アーリー効果
の説明に関しては１例えば、ζルンズ、エイ、ジー。

（Ｍｉｌｎ＠ａ　、人、Ｇ、）著、「半導体装置と集積
エレクトｏｘクスＪ　（Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　
Ｄａｖｉｃｅｓ　ａｎｄＩｎｔｓｇｒａｔｅｄｌｌｅｃ
ｔｒｏｎｉｅａ　）　（ヴアン、ノストランド、ライン
ホルト、カンパニー（Ｖａｎ　ＮｏａｔｒａｎｄＲｅｉ
ｎｈｏ１４　Ｃｏｍｐａｎｙ　）発行、１９８０年、ニ
ューヨーＩ）（１）２０５頁を参照されたい。ベース領
域ニ８けるこの変化によって、（ｌ］式の飽和電流ｘ８
の値が変化する。利得セルのトランジスタが平衡関係に
あると、トランジスタの飽和電流は効果的に平衡する。

ＤＢ）Ｃ乗算回路の利得セル内のトランジスタのｘａの
変化によって％利得セル中に不平衡力！もたらされる。

しかしながら、ＤＢＸ乗算回路の利得セルの全てのトラ
フジスタカを同じアーリー効果ン示すと、すなわち、各
トランジスタのコレクタ電流がコレクタ・ペニス電圧の
関数として実質的に同様の変化ンすると１問題がない。

・セルが、利得１で動作する場合、セルの利得は、正と
負の入力信号について平衡するよう和平前調整電圧が供
給されるので、利得は、制御電圧の変化が生じても。

利得セルのトランジスタの動作が同一であるから。

正と負の入力信号について平衡のまま−であろう。

しかしながら、実際には、異なるトランジスタ。

特に、逆の伝導型（ＮＰＮとＰＮＰ）のトランジスタは
、しばしば異なるアーリー効果を示す。それ故、制御信
号が、利得セルの一つのＮＰＮ）ランジスタと一つのＰ
ＮＰ　）うｙジスタに印加される場合、セル中に不平衡
が生じる。この結果、利得が１から変わると、歪みとオ
フセットが利得セルによって発生されることになる。

それ故この発明の一般的な目的は、先に述べた従来技術
の問題を解決し、改良された乗算回路を提供することに
ある。

この発明のもう一つの目的は、利得セルを構成するトラ
ンジスタのアーリー効果に因る歪みとオフセットが、制
御電圧のレベルが変化しても、実質的に零である利得セ
ルを含んでいる聾式の改良された乗算回路な提供するこ
とにある。

この発明のこれらおよび他の目的は、利得セルを含んで
いる型式の改良された乗算回路によって実現される。こ
の改良された回ｗｒは、　１ｔｕ１信号の関数としての
補正信号音発生するための手段と。

該補正信号ケ、セルの中の選択されたトランジスタのベ
ースに供給し、制御信号のレベルの変化に応じてセルの
トランジスタが示すアーリー効果による変化な実質的に
補正するだめの手段とを含んでいる。

この発明の他の目的は、一部分は明らかであり。

また一部分を工以下に明らかとなるだろう。従って。

この発明は、要素の組み曾わせから成る回路で構成され
、この各部分の構成を工、以下の詳細な説明で例示され
その範囲は、タームに示されるだろう。

この発明の性質および目的の更に完全なる理解のために
、添付図面および詳細な説明〉参照されたい。

以下１図ｆｆｉ’に参照してこの発明ｙ！−詳細に説明
する。

第１図において、示される乗算回路は、−万〇極性もし
くは両方の極性の入力信号を受は取るための入力端子１
００を含んでいる。入力端子１００は、演算増幅器１０
２０反転入力に接続される。演算増幅器１０２は、接地
された非反転入力と、入力信号の各極性について一つづ
つ１合わせて二つのフィードバック経路ン介して反転入
力−接続される出力と馨有する。それぞれのフィードバ
ック経路に・工、４つのトランジスタから成る利得セル
１０４σ゛ノ中の二つの対数トランジスタ１０６と１０
８のベース・エミッタ接合が含まれている。特に、増幅
器１０２の出力は、抵抗１１０を介してＰＮＰの対数ト
ランジスタ１０６のエミッタに接続される。対数トラン
ジスタ１０６は、レジスタ１１２ン介して接地され゛る
ベースと、増幅器１０２０反転入力に直接接続されるコ
レクタとχ有する。同様に、増幅器１０２の出力は、抵
抗１１４を介して、ＮＰＮ対数１ランジスタ１０８のエ
ミッタに接続され、対数トランジスタ１０８のコレクタ
は、増幅器１０２０反転入力に接続される。ＰＮＰ対数
トランジスタ１０６は、ＰＮＰ真数トランジスタ１１８
のエミッタに接続される二ｔツタン有し、一方％ＮＰＮ
対数トランジスタ１０８は、、ＮＰＮＪＥ数）？−／ジ
スタ１２０のエミッタに接続されるエミツタナ■する。

真数トランジスタ１１８と１２０のコレクタｔＸ、結合
されて回路の出力端子となり、セル１０４・の出力端子
１２２を形成する。端子１２２は、実質的に接地のよう
な低インピーダンス点に接続される。かくして、対数ト
ランジスタ１０６と真数トランジスタ１１８は、一方の
極性の入力信号に対して第一の信号処理経路音形成し、
−万対数トランジスタ１０８と真数トランジスタ１２０
は、他方の極性の入力信号に対して第二の信号処理経路
を形成する。対数トランジスタ１０６もしくは１０８に
よって供給される対数信号に制御信号を代数加算するた
めに、制御信号ン受は取る制御信号端子１２４は、真数
トランジスタ１１８と対数トランジスタ１０Ｂのベース
にＩｌｌ！ｌｌｔ’Ｌ、　）うｙジメタ１１８のベース
は、抵抗１２Ｂに接続される。トランジスタ１０６と１
１８間、およびトランジスタ１０８と１２０間に不一致
力τ生じる場合、利得の対称性は、調整可能な？テンジ
オメータ１３０ｖ抵抗１３１ン介してトランジスタ１２
００ベースに接続することによって与えられる。トラン
ジスタ１２００ベースを工、抵抗１３２を介して接地さ
れる。最後に、セル１０４は。

ＰｌｉＰ　）ランジスタ１０６と１１８の共通のエンツ
タを電流源１３４に接続し％ＮＰＮ　）ランジスタ１０
８と１２０の共通エミッタン電流源１３６に接続するこ
とによって得られるバイアス電流によってバイアスされ
る。

トランジスタ１０６のベースを直接接地し、抵抗１２８
ｔ′取り去ると、米国特許第３，７１４，４６２号明細
書に示される回路と同一のものとなる。しかしながＰ）
、利得１（端子１２４における制御電圧が零）における
歪およびオフセラ）Ｖ実質的に減じたり、取り除くよう
にポテンショメータ１３０ｔセツトすることによって、
制御信号の振幅の絶対値が増加すると（８得が１から変
わると）、歪とオフセット力ζトランジスタ１０８と１
１８が示す異なるアーリー効果に依って増加する。

この発明に依ると、トランジスタ１０６゜１０８．１１
８．Ｒよび１２０によって示されるアーリー効果の差を
補正するために、トランジスタ１２０のベースに制御電
圧の関数として供給される補正信号を供給するための手
段が設けられる。

アーリー効果における差の、制御電圧の関数としての正
確な関係は、線型関数で近似することができる。

補正　　　　　制御ｉｌ＋２３ ここで、には定数である。

この結果、この発明の好ましい実施例に３いて。

抵抗１２８は、トランジスタ１１８のベースと。

トランジスタ１２０のベースとの間に直接接続される。

かくして、抵抗１２８と１３２は、電圧分割器として機
能する。抵抗１３２と抵抗１２Ｂの典型的な抵抗＠　ｉ
ｓ、それぞれ２００にオームと５０オームで、？よそ４
０００の分割器である。

もちろん、これらの値！Ｉ工他の１直であってもよい。

かくして、この例の場合−ｖ８ＹＭ　−■＝称１の値は
。

最初、ポテンショメータ１３０によって利得が１（ｉｅ
ｃｘＱ）になるようにセットされ、補正信号がトランジ
スタ１２００ベース上の対称性１１整信号に加えられる
。この補正信号は、トランジスタのアーリー効果の差ン
補正するために、制御電圧（Ｂｅ　）の値のおよそ１　
／４０００に等しい。

第１図に示される構成は、トランジスタ１１８がトラン
ジスタ１０８よりも大きなアーリー効果を示す場合には
、満足できるものであるが、逆の場合には、抵抗１２８
は、第３図に示されるよう−に、トランジスタ１０８と
１１８の共通ベースとトランジスタ１０６０ベースとの
間に接続されるだろう。かくして、抵抗１２．８と１１
２は、（２）式の定数ＫＶ決定するための抵抗分割器を
形成し。

補正信号がトランジスタ１０６０ベースに加えられる。

また、この発明ｔ、４つのトランジ・スタから成る利得
セル１０４について説明した力ζ第２図に示されるよう
な８つのトランジスタから成る利得セル１３８のような
他の利得セルについても容易に適用できるものである。

第２図において、増幅器１０２のそれぞれのフィーｒパ
ック経路には、一対の対数トランジスタが含まれており
、同様に、そ五ぞれの真数経路には、一対の真数トラン
ジスタが含まれている。特に、ＭＰＨの対数トランジス
タ１４０のエンツタは、対数トランジスタ１０６のエミ
ッタに接続され、また、そのコレクタは、抵抗１４２と
抵抗２１１０Ｙ介して増幅器１０２の出力に接続されて
いる。同様に、ｐｉｉｐ対数トランジスタ１４４のエン
ツタは、トランジスタ１０８の工（ツタに接続され、そ
のコレクタを工、抵抗１４６と抵抗１１４１に介して増
幅器１０２０出力に接続される。

付加されたＮＰＮ真数トラｌジスタ１４８のエミッタは
、トランジスタ１１８のエイツタに接続され、そのコレ
クタは、抵抗１５０を介し【抵抗１４２と１１０の結合
点に接続される。同様に。

付加されたＰＮＰＪ数トランジスタ１５２のエミッタ１
工、トランジスタ１２０のエイツタに接続され′、゛そ
のコレクタ４Ｘ％抵抗１５４を介して抵抗１４６と１１
４との結合点に接続される。

付加されたＮＰＮ型の対数および真数トランジスタ１４
Ｇと１４８のベースは、それぞれ憤のトランジスタのコ
レクタに接続される。同様に、付加されたＰＮＰ型の対
数および真数トランジスタ１４４と１５２のベースは、
それぞれ他のトランジスタのコレクタに接続さかる。制
御電圧は、第１図の場合と同一様に、トランジスタ１０
８と１１８のベースに印加される。同様に二対称性調整
電圧（４つのトランジスタ１０６，１４０，１４８゜１
１８と４つのトランジスタ１０８，１４４゜１５２．１
２０との間の不平衡ン葡正する点で第１図と異なる）は
、第１図の場合と同様に、トランジスタ１２０のベース
に供ＷＩすれる・最後に。

アーリー効果補正信号が同一の方法でトランジスｐ１２
Ｇのベースに供給される。

制御信号の関数として補正信号Ｙ印加することによって
、利得セル１０４と１３８のトランジスタ１０８と１１
８のアーリー効果における差異によって生じる金入とオ
フセットの問題は、十分に減じられあるいは除去される
。補正信号と制御信号との関係は、およそ線型であるか
ら、対称性調整信号を受は取るトランジスタ１２００ベ
ースと、制御信号な受は取るトランジスタ１１８のペー
ス、との間に＃Ｉｔ抵抗１２Ｂを接続するかもしくは。

先に説明したように、トランジスタ１０６のペースと、
制御信号を受は取るトランジスタ１１８のペースを接続
することによって容易に実現することができる。

以上説明した回路は１本発明の範囲内で檀々変更可゛能
であり、添付図面に関連した以上の説明は。

例示、的なものであり、限定した意味で解釈されるべき
でないことン理解されたい。

【図面の簡単な説明】

１１図は１本発明の好ましい実施例に依る。４つのトラ
ンジスタから成る利得セルを含んでいる乗算回路の回路
図である。 第２図は１本発明の好ましい実施例に依る、８つのトラ
ンジスタから成る利得セルを含んでいる乗算回路の回Ｗ
＆図である。 第６図は、第１図の回路の変更例ン示す、４つのトラン
ジスタから成る利得セルを含んでいる乗算回路の回路図
である。 １０２・・・演算増幅器、１０４・・・利得セル。 １０６．１０８・・・対数トランジスタ、１１８゜１２
０・・・真数トランジスタ、１３０・・・ポテンシ曹メ
ータ、１３４，１３６・・・電流源、１３８・・・利得
４ル、　１４０　ｅ　１４４・・・対数トランジスタ。 １４８．１５２・・・真数トランジスタ。 代理人　浅　村　　　皓 外４名

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）利得セルへの入力信号ヶ受は取るための入力端子
   と、制御信号を受は取るための制御信号端子な有する利
   得セルから成る型式の乗算回路であって。 上記利得セルは、入力信号の正極性部分および負極性部
   分のための二つの信号処理経路と。 上記制御端子を該経路のそれぞれに接続するための手段
   を含み。 各々の経路は、入力信号の対応する前記の部分の対数関
   数として対数イぎ号ン供給するための少なくとも一つの
   第一のトランジスタと。 上記第一のトランジスタに接続され、上記対数信号と制
   御信号の代数和の関数として真数信号ン供給するための
   少なくとも一つの第二のトランジスタとｔ含んでおり、
   上ｅ制御信号が変化するにつれて、各経路のトランジス
   タによって示されるアーリー効果の差を十分に補正する
   ために、上記制御信号の関数として補正信号を発生する
   ための手段と、上記補正信号を上記トランジスタの中の
   一つのトランジスタのベースに供給するための手段とン
   含むことを特徴とする上記乗算回路。 （２）　　上記補正信号の振幅レベルが、実質的に、上
   記制御信号の振幅レベルの線型関数であることな特徴と
   する特ＩＦＦ請求の範囲第１項記載の乗算回路。 （３）上記補正信号を発生するための手段が、上記制御
   入力端子と上記一つのトランジスタのベースとの間に接
   続された第一の抵抗を含んでいることン特徴とする物１
   １１！Ｆ請求の範囲第２項記載の乗算回路。 （４）　　平衡１１堅端子と、該端子ン上記一つのトラ
   ンジスタのベースにＭ会するための手段を含み、上記第
   一のトランジスタが、上記一つのトランジスタと、上記
   制御信号端子との間に結曾されることン脣徴とする％１
   ｆｆ−請求の範囲第３項記載の乗算回路。 （５）　　上記平衡調整端子ｔＭ会するための手段が。 上記一つのトランジスタのベースと接地間に結合された
   第二の抵抗ン含んでおり、上記第一および第二のトラン
   ジスタが電圧分割器として機能し。 上記制御信号が上記補正信号χ発生するととを特徴とす
   る請求 ｛６｝上記第二の抵抗の抵抗値と第一の抵抗の抵抗値と
   の比がおよそ１：４０００であることを特徴とする物許
   請求の範囲第５ＸＪ記載の乗算回路。 （７）平衡ｉＩＩＩ整瑞子と，該端子χ上記トランジス
   タの中の別の一つのトランジスタのベースに結合するた
   めの手段とｔ含んでいることＩＰＨＩとする待＃！Ｆｉ
   ｌ１求の範囲第３項記載の乗算回路。