JPS6346474B2 - - Google Patents

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JPS6346474B2
JPS6346474B2 JP117480A JP117480A JPS6346474B2 JP S6346474 B2 JPS6346474 B2 JP S6346474B2 JP 117480 A JP117480 A JP 117480A JP 117480 A JP117480 A JP 117480A JP S6346474 B2 JPS6346474 B2 JP S6346474B2
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JP
Japan
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circuit
terminal
input terminal
multiplication
switch
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JP117480A
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English (en)
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JPS5699570A (en
Inventor
Tadayoshi Enomoto
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NEC Corp
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Nippon Electric Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06GANALOGUE COMPUTERS
    • G06G7/00Devices in which the computing operation is performed by varying electric or magnetic quantities
    • G06G7/12Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers
    • G06G7/16Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers for multiplication or division
    • G06G7/163Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers for multiplication or division using a variable impedance controlled by one of the input signals, variable amplification or transfer function

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  • Filters That Use Time-Delay Elements (AREA)
  • Analogue/Digital Conversion (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は半導体乗算回路に関するものであ
る。
アナログ信号処理を行う場合、多数のアナログ
信号を互いに加算したり、減算する加算回路や減
算回路を必要とする。同様に2個またはそれ以上
のアナログ信号の乗算を行う乗算回路も必要とな
る。例えば、非巡回型フイルタを構成する場合、
遅延された複数個のアナログ信号と該アナログ信
号と対応するアナログ値の重み係数を互いに乗算
し、次にこれらの乗算結果を互いに加算する演
算、いわゆる「畳み込み」演算を行わせる必要が
ある。従来、該非巡回型フイルタを半導体集積回
路で構成する場合、上述の2個のアナログ信号a
とbの演算を行う基本回路として、2個の電界効
果トランジスタ(以後FETと呼ぶ)が用いられ
ていた。ところが、該2個のFETのそれぞれの
サイズ、即ち、チヤネル幅W/チヤネル長Lや閾
値電圧を全く等しくする必要があつた。しかし同
一半導体基板上に、これらを全く等しく作ること
は不可能であつた。その結果、真の乗算結果、即
ち、a×bを得ることはできず、以下に述べる多
大な不都合な結果を生じた。本発明はこのような
不都合を除去するため、乗算回路の基本構成を1
個のFETで構成する非常に簡単な構造のアナロ
グ信号の乗算回路を提供し、従来の乗算回路のよ
うに、2個のFETのサイズや特性の差によつて
生じた乗算結果の誤差を全く解消したことに特徴
がある。
第1図は2個のFETで構成した従来の4象限
アナログ信号乗算回路である。1,2はMOS構
造のFET(以下MOSTと言う)、3は演算増幅回
路4と抵抗5で構成された電流/電圧変換回路
(以下I/V変換回路と呼ぶ)、6はやはり、演算
増幅器7と抵抗8で構成されたI/V変換回路、
9は演算増幅器等で構成された減算回路、10,
11,12,13,14は端子である。端子10
よりMOST1とMOST2のドレイン(またはソ
ース)へ直流電位Vdに重畳したアナログ信号vd
即ち、Vd+vdが、端子11よりMOST1のゲー
トへ直流電位Vgに重畳されたアナログ信号vg
即ち、Vg+vgが、端子12よりMOST2のゲー
トへ直流電位Vgが、端子13より、演算増幅器
4と7の非反転入力端子へ直流電位Vdがそれぞ
れ印加されている。今、これらの電圧値は前に
MOST1とMOST2の動作範囲が3極管領域で
あるとしたとき、MOST1および2に流れるド
レイン電流I1(矢印15)とI2(矢印16)を計算
する。なお1,2はnチヤネルのMOSTと仮定
する。
vdが正の電圧値の場合、I1およびI2はそれぞれ
次のようになる。
I1=β1{(Vg+vg−Vd−VT1)vd +v2 d/2} (1) I2=β2{(Vg−vd−VT2)vd +v2 d/2} (2) ここでβ1およびβ2はそれぞれ主にMOST1お
よびMOST2のW/Lやキヤリアの移動度等で
決まる定数、VT1およびVT2はそれぞれMOST1
およびMOST2の閾値電圧である。今抵抗5と
8の抵抗値を1Ωとすれば、I/V変換器3およ
び6の出力電圧v1およびv2はそれぞれ v1=Vd−I1 (3) v2=Vd−I2 (4) となる。従つて、減算回路のゲインを1とすれば
端子14より得られる信号電圧v0は v0=v2−v1=I1−I2=β1vgvd −vd 1(β1VT1−β2VT2) +vd(Vg−Vd)(β1−β2) +v2 d(β1−β2)/2 (5) となる。MOST1と2のW/Lや特性が全く等
しい場合、即ち、β1=β2,VT1=VT2のとき、(5)
式の右辺、第2,3,4項は零となり、出力v0は v0=β1vgvd 1 (6) となり、第1図に示した従来のアナログ信号乗算
回路が乗算機能を満たすことがわかる。なお(6)式
中、vgの符号は正,負いずれであつてもよい。
次にvd 1の負の値の場合、I1およびI2はそれぞれ I1=β1〔{Vg+vg−(Vd+vd 1) −V′T1}vd+v2 d/2〕 (7) I2=β2〔{Vg−(Vd+vd 1) −V′T2}vd+v2 d/2〕 (8) で与えられる。この場合MOST1およびMOST
2の閾値電圧はそれぞれV′T1およびV′T2となる。
V/I変換回路3および6の出力信号は(7)および
(8)式をそれぞれ(3)および(4)式に代入すれば求ま
る。従つて、端子14より得られる出力端子v0
は、(5)式と同様に、次のようになる。
v0=β1vgvd−vd(β1V′T1 −β2V′T2)+vd(Vg−Vd−vd) (β1−β2)+v2 d(β1−β2)/2 (a) 今β1=β2,V′T1=V′T2とすれば、(a)式の右辺第
2,3,4項は零となり、出力v0は(6)式と同様に
なる。
従つてvdが 負の場合も、第1図に示した従来の乗算回路が
アナログ信号の乗算機能を満たすことがわかる。
MOST1とMOST2が単体のデバイスの場合
においても、あるいは同一半導体基板上に作成さ
れた場合においても、β1=β2,VT1=VT2あるい
はV′T1=V′T2を得ることはほとんど不可能であ
る。実際に製造されたMOST1およびMOST2
では、サイズの差に起因し、β1とβ2は等しくなら
ず、さらにゲート直下の絶縁膜厚の差、ゲート直
下の半導体基板濃度のばらつき、表面捕獲準位の
密度のばらつき等に起因してVT1とVT2あるいは
V′T1とV′T2は互いに等しくならない。その結果、
従来の乗算回路の出力は実際には(6)式、即ち、v0
=β1vdvgとはならず、(5)式あるいは(9)式で与えら
れてしまう。即ち、(5)式あるいは(9)式の右辺第
2,3,4項の非線形項が付加され、真のアナロ
グ信号の乗算結果を得ることができなかつた。
本発明は従来の乗算回路の欠点、即ち、2個の
MOSTのサイズや特性の違いによつて生じた非
線形項を完全に消去し、真の乗算結果が得られる
4象限アナログ乗算回路を提供するものであつ
て、その基本回路として1個のMOSTを用いる
ことにより、従来の乗算器の欠点を解消するもの
である。
第2図は1個のMOSTを用いた本発明の4象
限アナログ信号乗算回路を示す回路構成の一例で
ある。20はMOST、21は演算増幅器22と
抵抗22′より成るV/I変換回路、23,24
はサンプルホールド回路等から成る記憶回路、2
5は減算回路26,26′,27,27′は
MOST等で構成されるアナログ信号のスイツチ、
28,29,30,31,32は端子である。端
子28よりMOST20のドレン(またはソース)
へ直流電位Vdに重畳されたアナログ信号vdが、
端子29よりスイツチ26を介してMOST20
のゲートへ直流電位Vdに重畳されたアナログ信
号vdが、端子29よりスイツチ26を介して
MOST20のゲートへ直流電位Vgに重畳された
アナログ信号vgが、端子30よりスイツチ27を
介しMOST20のゲートへVgが、端子31より
演算増幅器22の非反転入力端子へ該Vdがそれ
ぞれ印加されている。今、前記と同様、これらの
印加電圧が該MOST20を3極管領域で動作さ
せる範囲内にあるとする。vdが正で、スイツチ2
6が閉じ、スイツチ27が開いているとき、端子
28よりMOST20を介し、抵抗22′へ流れる
電流I1は I1=β{(Vg−vg−Vd−VT)vd +v2 d/2} (10) で与えられるから、I/V変換回路21の出力電
圧v1は抵抗22′を1Ωとすれば、 v1=Vd−I1 (11) となる。この値v1はスイツチ26′を閉じること
により記憶回路23に保持される。次にスイツチ
26が開き、スイツチ27が閉じると、端子28
よりMOST20を介し、抵抗22′へ流れる電流
I2は I2=β{(Vg−Vd−VT)vd +v2 d/2} (12) となり、I/V変換回路21の出力電圧v2は v2=Vd−I2 (13) となる。この値v2はスイツチ27′を閉じれば記
憶回路24に保持される。従つて、端子32より
得られる信号電圧v0は減算回路のゲインを1とす
れば、 v0=βvdvg (14) となり、真の乗算結果が得られる。同様にvdが負
の場合も、端子32より得られる信号は(14)式
となる。なおvgは正,負いずれの符号も取り得る
ことができるから、第2図は4象限アナログ信号
乗算回路の機能を持つことになる。
なお第2図において、I/V変換回路の出力端
子と減算回路をスイツチ27′を介して直接接続
すれば記憶素子24を省くことができる。
従つて、前記(11)式で示したv1は記憶回路23に
保持されているから、(13)式で示した出力v2
I/V変換回路の出力として与えられている期間
にスイツチ27′を閉じれば、減算回路により、
(14)式で与えられる乗算結果v0を得ることがで
きる。
本発明のアナログ信号乗算回路の基本構成は1
個のMOSTで構成されるから、従来の乗算回路
のように、2個のMOSTのサイズや特性のばら
つきに起因して生ずる乗算結果の非線形誤差を全
く生ずることがない。即ち、(10)式、(12)式にある比
例定数βや閾値電圧VTは共に同一デバイスのも
のであるから、減算回路25により完全にキヤン
セルされ、演算結果は真の乗算結果であり、従来
の乗算回路のように非線形項は全く含まない。
従来の乗算回路ではβ1とβ2をできるだけ等しく
するために、マスクの精度は高めなくてはならな
かつたが、本発明の乗算回路は1個のMOSTを
用いているから、マスク精度を高める必要は全く
ない。即ち、マスクを安価に作ることができる。
さらに、本発明によれば、従来の乗算回路のβ1
β2やVT1とVT2あるいはV′T1とV′T2のようにデバイ
ス製造条件に依存する要素がなから、デバイス間
のバラツキに依存する誤差を生じない上、歩留り
も向上する。
第3図は本発明の一応用例で、MOSTの数を
複数個に拡張したものである。40,50は
MOST20と全く同一のMOST、41,42,
51,52は端子である。なお第2図と同一機能
の素子は同一番号で示されている。端子28,4
1,51にそれぞれ直流電圧Vdに重畳したアナ
ログ信号vd1,vdk(k=1,N)VdNを、端子2
9,42,52にそれぞれ直流電位Vgに重畳し
たアナログ信号vg1,vgk(k=1,N),vgNを印
加する。スイツチ26,26′が閉じ、スイツチ
27,27′が開いているときの記憶回路23の
出力信号と、スイツチ26,26′が開き、スイ
ツチ27,27′が閉じているときの記憶回路2
4の出力信号の差は端子32より得られ、次式の
ように書ける。
v0=βNk=1 vdkvgh (15) このように、第3図では多数のアナログペア、
vdkとvgk(k=1,2,…N)の乗算とそれらの
乗算結果の和を演算することが可能である。
以上の説明ではアナログ信号の乗算回路として
MOSTを用いて説明したが正常な動作を行われ
るならば、MOSTに限らずジヤンクシヨン型
FET(JFET)を用いてもかまわない。また一例
として、nチヤネルのFETを用いたがpチヤネ
ルのFETであつてもさしつかえないし、さらに
FETはエンハンスメント型あるいはデプリーシ
ヨン型のいずれのタイプであつてもかまわない。
さらに本発明の乗算回路はFET,V/I変換回
路、減算回路が独立の素子で構成されても、ある
いは同一半導体基板上に集積化されてもかまわな
い。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のアナログ信号乗算回路を説明す
るための図である。第2図は本発明の4象限アナ
ログ信号乗算回路で、その基本構成は1個の
FETで構成されている。第3図は本発明の一応
用例を示したもので、多数のアナログ信号ペアの
乗算機能とこれらの乗算結果を加算する機能を付
加したものである。第1,2,3図において、
1,2,20,40,50はFET、3,6,2
1は電流/電圧変換器、23,24はサンプルホ
ールド回路、9,25は減算回路、4,7,22
は演算増幅器、5,8,22′は抵抗、26,2
6′,27,27′はFET等を用いたスイツチで
ある。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 電界効果トランジスタのゲートが第1のスイ
    ツチ、第2のスイツチを介し、それぞれ第1の入
    力端子、第2の入力端子に接続され、前記電界効
    果トランジスタの一方の拡散層が第3の入力端子
    に接続されていると共に、他方の拡散層が演算増
    幅器と抵抗等で構成された電流・電圧変換回路の
    反転入力端子に接続され、該電流・電圧変換回路
    の非反転入力端子が第4の入力端子と接続され、
    該電流・電圧変換回路の出力端子が第3および第
    4のスイツチにそれぞれ接続され、該第2および
    第3のスイツチのいずれか一方が記憶回路を介し
    て減算器の一方の入力端に接続されていると共
    に、前記スイツチの他方が直接もしくは記憶回路
    を介して前記減算回路の他方の入力端に接続され
    ていることを特徴とする4象限半導体乗算回路。
JP117480A 1980-01-09 1980-01-09 Four-quadrant semiconductor multiplying circuit Granted JPS5699570A (en)

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JPS5699570A JPS5699570A (en) 1981-08-10
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