Умножитель на основе переменной крутизны

Такие умножители называют также умножителями (перемножителями) с нормировкой токов. Их основой является управляемый напряжением дифференциальный делитель тока. Для обеспечения работы в четырех квадрантах используется три дифференциальных усилителя. Это так называемое множительное ядро, схема которого приведена на рис. 10.93. Оно входит в том или ином виде в схемы различных серийных интегральных умножителей.

Рис. 10.93. Схема множительного ядра.

В нем токи каждого из соединенных параллельно дифференциальных каскадов на транзисторах VT1, VT2 и VT3, VT4 задаются дифференциальным каскадом на транзисторах VT5, VT6. Поскольку в цепь их эмиттеров включен генератор тока /₀, то напряжение U_y только перераспределяет ток между транзисторами, а общее значение его остается постоянным и равным /₀.

Поскольку в зависимости от полярности напряжения U_y увеличиваются или уменьшаются рабочие токи разных дифференциальных каскадов VT1…VT4, то смена полярности этого напряжения приводит к изменению знака выходного сигнала. Благодаря этому обеспечивается работа во всех четырех квадрантах.

При Rl = R2 = R_n выходной сигнал множительного ядра определяется выражением.

Известно, что для одиночного дифференциального каскада значение U_Bых определяется уравнением.

где ср_т = 25,6 мВ (25°С) — температурный потенциал; th — гиперболический тангенс.

Поскольку каскады, перераспределяющие токи в зависимости от напряжений U_x и U_y в принципе одинаковы, то одинаково их влияние на выходной сигнал и можно записать:

При малых значениях входных сигналов U_x < < 2ср_г, U_y < < 2ф_т уравнение (10.54) существенно упрощается:

где К_п = - R_HI₀(2ф_г)² — коэффициент передачи множительного ядра.

Из формулы (10.55) видно, что при малых входных напряжениях выходной сигнал каскада пропорционален их произведению и зависит от тока /₀, сопротивлений в коллекторных цепях R_H и температурного потенциала ф₇.

На основе данной схемы разработан и выпускается интегральный перемножитель 140МА1. Его недостатки: малые входные сигналы и температурная зависимость характеристик преобразования.

Аналогично выполнены и более современные высокочастотные перемножители типа 526ПС1, 526ПС2. У них имеются внутренние делители напряжений и цепи температурной стабилизации, что позволяет уменьшить количество навесных компонентов. Их рабочий диапазон частот значительно шире, чем у микросхем 140МА1, и составляет десятки МГц.

При входных напряжениях, больших нескольких ср_т, к входам перемножителя приходится подключать логарифмирующие устройства, улучшающие линейность функции перемножения.

Упрощенная принципиальная схема ИМС перемножителя с нормировкой токов типа К525ПС1 приведена на рис. 10.94.

Рис. 10.94. Упрощенная принципиальная схема ИМС перемножителя типа К525ПС1.

Устройство содержит сложный дифференциальный каскад на транзисторах VT7…VT10. Перекрестные связи коллекторов этих транзисторов обеспечивают инверсию сигналов, необходимую для четырехквадрантного умножения. Входные каскады на транзисторах VT3…VT6 и VT11… VT14 преобразуют входные напряжения U_xnU_yB токи. С помощью транзисторов в диодном включении VT1…VT2 происходит логарифмирование токового сигнала по входу Y. Антилогарифмирование сигнала Y и умножение его на сигнал X осуществляется усилителем на транзисторах VT7…VT10.

Выходное напряжение перемножителя определяется из соотношения.

где 1_Х и I_y — токи, протекающие через резисторы R_x и R_y; 1_рх и 1_ру — рабочие токи в каналах X и Y; К =--—масштабный коэффициент.

i_pyR_xR_y

Все приведенные на рис. 10.94 резисторы, кроме R1 и R2, являются внешними. Их выбор зависит от конкретных требований к перемножителю.

Для получения на выходе перемножителя нулевого напряжения при равных нулю входных напряжениях предусмотрена подстройка с помощью переменных резисторов R4 и R5. Если перемножитель работает только при одной полярности одного из входных сигналов, то он называется смещенным. Для превращения четырехквадрантного перемножителя в смещенный достаточно на один из входов подать такое постоянное смещение, при котором сигналы на этом входе всегда оказываются меньше напряжения смещения.

Аналогично К525ПС1 построены схемы более современных перемножителей К525ПС2 и К525ПСЗ. Для получения выходного сигнала относительно общего провода в них введен выходной ОУ. Эти перемножители имеют улучшенные характеристики перемножения, большие значения входных сигналов, более широкий диапазон частот и характеризуются меньшим количеством навесных элементов.

Аналоговые перемножители используются в тех случаях, когда требуются различные нелинейные и параметрические преобразования аналоговых сигналов.

На основе аналоговых перемножителей строятся разнообразные электронные устройства: делители напряжений; удвоители и делители частоты; амплитудные и балансные модуляторы; компрессоры; эспандеры и др.