EP0356556A1 - Multieingangs-Vier-Quadranten-Multiplizierer - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Vier-Quadranten-Multiplizierer mit mehr als zwei Signaleingängen zum Multiplizieren eines Eingangssignals mit mehreren weiteren Eingangssignalen, an dessen Ausgang die einzelnen Multiplikationsergebnisse additiv verknüpft sind, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
- Solche Multiplizierer werden z.B. bei der Modulation verschiedener Signale auf einen gemeinsamen Träger oder der Detektion von Signalen mit verschiedenen Frequenzen, die auf einem Träger aufmoduliert sind, benötigt.
- Vier-Quadranten-Multiplizierer mit zwei linearen Signaleingängen sowie deren Funktionsweise sind unter anderem in dem "Data-Acquisition Databook 1984, Vol. 1 Integrated Circuits" von Anolog Devices, Inc., auf den Seiten 6-9 bis 6-16 sowie in dem Buch "Halbleiterschaltungstechnik", 5. Auflage 1980 von U. Tietze, Ch. Schenk auf den Seiten 227 ff., insbesondere Abb. 11.41, beschrieben. Es handelt sich hierbei um Multiplizierer, die auf der Grundlage der sogenannten Gilbert-Zelle aufgebaut sind.
- Figur 1 zeigt eine solche bekannte Schaltung. Ein erster und ein zweiter Transistor T1 und T2 sowie ein dritter und ein vierter Transistor T3 und T4 bilden jeweils ein Differenzverstärkerpaar mit unmittelbar verbundenen Emittern. Der Kollektoranschluß des ersten Transistors T1 ist mit dem Kollektoranschluß des dritten Transistors T3 zusammengeschaltet und über einen ersten Widerstand R1 mit einem Versorgungspotential Uv verbunden und bildet eine Signalausgangsklemme +z. In gleicher Weise ist der Kollektoranschluß des zweiten Transistors T2 mit dem Kollektoranschluß des vierten Transistors T4 zusammengeschaltet, über einen zweiten Widerstand R2 mit dem Versorgungspotential Uv verbunden und bildet eine andere Signalausgangsklemme -z, die zusammen mit der Signalausgangsklemme +z ein symmetrisches Ausgangssignal bereitstellen kann. Da die Emitteranschlüsse der Transistoren T1 und T2 sowie T3 und T4 ohne Gegenkopplungswiderstand miteinander verbunden sind, stellen die Basisanschlüsse dieser Transistoren keinen linearen Signaleingang dar. Um einen linearen Signaleingang zu erhalten, ist der Basisanschluß des ersten Transistors T1 mit dem Basisanschluß des vierten Transistors T4 sowie dem Kollektoranschluß des fünften Transistors T5 zusammengeschaltet und über eine erste Diode D1 an eine Stromquelle, die insbesondere einen mit einem anderen Anschluß an das Versorgungspotential Uv angeschlossenen dritten Widerstand R3 geschaltet. Analog ist der Basisanschluß des zweiten Transistors T2 mit dem Basisanschluß des dritten Transistors T3 und dem Kollektoranschluß eines sechsten Transistors T6 zusammengeschaltet und über eine zweite Diode D2 an den besagten dritten Widerstand R3 bzw. die besagte Stromquelle geschaltet. Die Emitteranschlüsse des fünften Transistors T5 und des sechsten Transistors T6 sind entweder über einen Widerstand miteinander verbunden und je über eine eigene Stromquelle an das Bezugspotential geschaltet, oder aber, wie in Figur 1 gezeigt, über einen vierten Widerstand Rx1 und einen fünften Widerstand Rx2 miteinander verbunden, wobei der Verbindungsknoten der Widerstände Rx1 und Rx2 über eine erste Konstantstromquelle I1 an das Bezugspotential (Masse) geschaltet ist. Der Basisanschluß des sechsten Transistors T6 bildet somit die erste Eingangsklemme +x und der Basisanschluß des fünften Transistors T5 bildet eine zweite Eingangsklemme -x des Multiplizierers. Über die Klemmen +x und -x ist das Einspeisen eines symmetrischen Eingangssignales möglich, wobei der Multiplizierer bezüglich dieses Signaleinganges lineare Übertragungseigenschaften besitzt. Die Emitteranschlüsse der Transistoren T1 und T2 sind mit dem Kollektoranschluß des siebten Transistors T7 verbunden. Die Emitteranschlüsse der Transistoren T3 und T4 sind mit dem Kollektoranschluß eines achten Transistors T8 ver bunden. Die Emitteranschlüsse der Transistoren T7 und T8 sind über einen Koppelwiderstand Ry zusammengeschaltet. Der Emitteranschluß des siebten Transistors T7 ist über eine zweite Konstantstromquelle I2 an das Bezugspotential geschaltet und der Emitteranschluß des achten Transistors T8 ist über eine dritte Konstantstromquelle I3 an das Bezugspotential angeschlossen. Der Basisanschluß des siebten Transistors T7 bildet die dritte Eingangsklemme +y und der Basisanschluß des achten Transistors T8 bildet die vierte Eingangsklemme -y des Multiplizierers. Über die Klemmen +y und -y ist das Einspeisen eines symmetrischen Eingangssignales möglich, wobei der Multiplizierer infolge der Gegenkopplung, die durch den Koppelwiderstand Ry bewirkt wird, auch bezüglich dieses Signaleinganges lineare Übertragungseigenschaften aufweist.
- Schaltungen dieser Art eignen sich besonders gut zum Multiplizieren von mindestens einem Digitaleingangssignal mit einem weiteren Eingangssignal. Um entsprechende Multiplizierer mit mehr als zwei Signaleingängen zu erhalten, wobei ein Eingangssignal mit mehreren weiteren Eingangssignalen multipliziert werden soll und die einzelnen Multiplikationsergebnisse addiert werden sollen, könnte man eine entsprechende Anzahl solcher bekannter Multiplizierer zusammenschalten. Dieses Zusammenschalten mehrerer Multiplizierer bringt jedoch gewisse Nachteile mit sich, die sich insbesondere bei dem Einsatz als Detektor oder Modulator negativ bemerkbar machen.
- In einem Arbeitsgang und auf einem Chip hergestellte Transistoren bzw. Dioden sind sich in hohem Maße ähnlich, doch sorgt das geringfügig andere Großsignalverhalten, die Streuung der Verstärkungsfaktoren etc. der einzelnen Transistoren, speziell wenn viele Transistoren entsprechend zusammengeschaltet sind, unter anderem für unterschiedliche Gleichspannungs-Offsets in einzelnen Verstärkerstufen und außerdem werden die einzelnen Signaleingänge der Multiplizierer-Gesamtschaltung unterschiedlich gewichtet. Da der Gleichspannungs-Offset in solchen Schaltungen sowieso problematisch ist, macht sich die Überlage rung mehrerer verschiedener Gleichspannungs-Offsets besonders negativ bemerkbar.
- Weitere Nachteile einer solchen Schaltung sind der große Chipflächenbedarf und die bei hohen Frequenzen eventuell störenden Leiterbahnkapazitäten.
- Aufgabe der Erfindung ist das Bereitstellen eines Multiplizierers zum Multiplizieren eines Eingangssignales mit mehreren weiteren Eingangssignalen, wobei die einzelnen Multiplikationsergebnisse additiv verknüpft am Ausgang bereitgestellt werden sollen, bei dem diese Nachteile nicht auftreten oder auf ein nicht störendes Maß reduziert sind.
- Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung nach dem Patentanspruch 1 sowie durch eine Schaltungsanordnung nach dem Patentanspruch 2 gelöst.
- Günstige Ausgestaltungsformen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
- Figur 2 zeigt den Gegenstand des Patentanspruches 1, der sich insbesondere für die Verarbeitung von rechteckförmigen bzw. digitalen Signalen eignet.
- Figur 3 zeigt den Gegenstand des Patentanspruches 2.
- Schaltungselemente, die die gleiche oder eine ähnliche Funktion erfüllen sind in Figur 1, Figur 2 und Figur 3 mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen.
- Die prinzipielle Funktionsweise der in Figur 2 und Figur 3 gezeigten und in den Patentansprüchen 1 und 2 beschriebenen Schaltungen ist analog der dem Fachmann geläufigen Funktionsweise der in Figur 1 gezeigten Schaltung.
- Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungen liegt darin begründet, daß die in einer entsprechenden Ansteuerschaltung in Form einer Gilbert-Zelle geschalteten Transistoren T1, T2, T3 und T4 für diese spezielle Anwendung als Multiemittertransistoren ausgeführt sind. Der Schaltungsaufwand sowie der Chipflächenbedarf erfindungsgemäßer Schaltungen ist somit kaum größer als der von einstufigen Multiplizierern.
- Das Eingangssignal, das an den Eingangsklemmen +x/-x eingespeist wird, wird mit den Eingangssignalen, die an den Klemmen +y1/-y1, +y2/-y2 etc. eingespeist werden in bekannter Weise multiplikativ gemischt bzw. im linearen Ansteuerbereich multipliziert. Da die Kollektorströme der Transistoren T1, T2, T3 und T4 jeweils die Summe ihrer Emitterströme enthalten, werden die einzelnen Multiplikationsprodukte additiv verknüpft an den Ausgangsklemmen +z/-z bereitgestellt.
- Ob das Multiplikationsprodukt des am Eingang +x/-x eingespeisten Eingangssignales mit einem an einem anderen Signaleingang eingespeisten Eingangssignal zu den übrigen Multiplikationsprodukten, die aus dem Eingangssignal vom Eingang +x/-x und den Eingangssignalen der restlichen Signaleingänge gebildet werden, addiert wird oder davon subtrahiert, liegt nur am Vorzeichen des einzelnen Eingangssignales. Durch Vertauschen der Eingangsklemmen, beispielsweise +y1 mit -y1, kann das Vorzeichen umgedreht werden.
- Die in Figur 3 gezeigte und im Patentanspruch 2 beschriebene Schaltung eignet sich besonders für Anwendungsfälle, bei denen das Übertragungsverhalten des Multiplizierers bezüglich der einzelnen Eingänge linear sein soll. Dieses lineare Übertragungsverhalten bezüglich der Eingänge +y1/-y1, +y2/-y2, etc. wird insbesondere durch die Gegenkopplung, die die Koppelwiderstände Ry1, Ry2, ... bewirken, gewährleistet.
- Für erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen ist es nicht relevant, ob die Emitter der Transistoren T5, T6, T7, T8, T71, T81, T72, T82, ... jeweils über einen Widerstand Ry1, ... mit dem Emitter des entsprechenden Transistors verbunden sind und jeweils über eine eigene Stromquelle an das Bezugspotential geschaltet sind oder ob diese Emitter über eine Serienschaltung zweier Widerstände Rx1, Rx2, ... miteinander verbunden sind und jeweils nur der Verbindungsknoten dieser Widerstände über eine Konstantstromquelle an das Bezugspotential geschaltet ist. Wie dem Buch "Halbleiter-Schaltungstechnik", 4. Auflage 1978 von U. Tietze, Ch. Schenk auf den Seiten 64 und 65 zu entnehmen ist, sind diese Ausgestaltungsformen äquivalent. Sie unterscheiden sich in ihrer Wirkung nur dadurch, daß bei zwei Stromquellen und einem Widerstand pro Emitterpaar dieser Widerstand im Ruhezustand stromlos ist, so daß eine Variation der Verstärkung hier keine Beeinträchtigung der Ruhepotentiale mit sich bringt. Die Wahl der entsprechenden Schaltungsausführung ist also von den jeweiligen Anforderungen abhängig, bei monolithisch integrierten Schaltungen aber weitgehend unkritisch.
- Wenn die in den Figuren mit +y/-y, +y1/-y1 etc. bezeichneten Signaleingänge zur Beaufschlagung mit rechteckförmigen Signalen vorgesehen sind, ist eine Multipliziererschaltung nach Figur 2 bzw. Patentanspruch 1 besonders günstig.
- Hierbei kann es genügen, daß die steuerbaren Stromquellen Is21, Is22, ... Is31, Is32, ... als übliche Konstantstromquellen ausgebildet sind, die in Abhängigkeit vom jeweils einzuspeisenden Signalpegel ein- oder ausgeschaltet sind. Wenn als Stromeingang dieser steuerbaren Stromquellen Is21, ... der Kollektor eines Transistors Tx vorgesehen ist, dessen Emitter an ein anderes Potential, insbesondere das Bezugspotential und gleichzeitig an den Emitter eines weiteren Transistors Ty geschaltet ist, wobei der Basisanschluß des Transistors Tx mit dem Basisanschluß und dem Kollektoranschluß des Transistors Ty zusammengeschaltet ist und den Steuereingang dieser Stromquelle bildet und dieser Steuereingang über einen Widerstand Rv an das Versorgungspotential Uv geschaltet ist, kann beispielsweise der Steuereingang der derart aufgebauten Stromquelle unmittelbar vom Ausgang eines Logikgatters, insbesondere eines I²L-Gatters G1, G2, ... angesteuert werden.
- Um saubere Flanken des Rechtecksignals zu erhalten, kann dabei jeweils eine invertierende Eingangsklemme -y1, -y2, ... mit dem Ausgangssignal eines Logikgatters G1, G2, ... angesteuert werden und eine nichtinvertierende Eingangsklemme +y1, +y2, ... mit dem zu diesem Ausgangssignal inversen Ausgangssignal dieses Logikgatters G1, G2, ... angesteuert werden.
Claims (4)
dadurch gekennzeichnet,
daß als erster, als zweiter, als dritter und als vierter Transistor (T1, T2, T3, T4) in ihrem Aufbau identische Multiemittertransistoren vorgesehen sind, daß jeder Emitter des ersten Transistors (T1) mit je einem Emitter des zweiten Transistors (T2) und dem Stromeingang einer jeweiligen steuerbaren Stromquelle (Is21, Is22, ...) zusammengeschaltet ist, daß der jeweilige Stromausgang dieser steuerbaren Stromquellen (Is21, Is22, ...) an das Bezugspotential (Masse) angeschlossen ist, daß die Steuereingänge dieser steuerbaren Stromquellen (Is21, Is22, ...) als nichtinvertierende Eingangsklemmen (+y1, +y2, ...) vorgesehen sind, daß jeder Emitter des dritten Transistors (T3) mit je einem Emitter des vierten Transistors (T4) und dem Stromeingang einer jeweiligen steuerbaren Stromquelle (Is31, Is32, ...) zusammengeschaltet ist, daß der jeweilige Stromausgang dieser steuerbaren Stromquellen (Is31, Is32, ...) an das Bezugspotential (Masse) angeschlossen ist, und daß die Steuereingänge dieser steuerbaren Stromquellen (Is31, Is32, ...) als invertierende Eingangsklemmen (-y1, -y2, ...) vorgesehen sind.
dadurch gekennzeichnet,
daß als erster, als zweiter, als dritter und als vierter Transistor (T1, T2, T3, T4) in ihrem Aufbau identische Multiemittertransistoren vorgesehen sind, daß jeder Emitter des ersten Transistors (T1) mit je einem Emitter des zweiten Transistors (T2) und dem Kollektor eines siebten oder weiteren Transistors (T71, T72, ...) zusammengeschaltet ist, daß jeder Emitter des dritten Transistors (T3) mit je einem Emitter des vierten Transistors (T4) und dem Kollektor eines achten oder weiteren Transistors (T81, T82, ...) zusammengeschaltet ist, daß der Emitter eines jeden mit seinem Kollektor an einen Emitter des ersten Transistors (T1) angeschlossenen Transistors (T71, T72, ...) über je einen Koppelwiderstand (Ry1, Ry2, ...) mit je einem Emitter eines mit seinem Kollektor an einen Emitter des dritten Transistors (T3) angeschlossenen Transistors (T81, T82, ...) verbunden ist, daß jeweils beide Anschlüsse eines jeden Koppelwiderstandes (Ry1, Ry2, ...) über eine separate Konstantstromquelle (I21, I22, ..., I31, I32, ...) an das Bezugspotential (Masse) geschaltet sind, daß der Basisanschluß des siebten Transistors (T71) sowie die Basisanschlüsse der entsprechend geschalteten weiteren Transistoren (T72, ...) als Eingangsklemmen für nichtinvertierende Signaleingänge vorgesehen sind und daß der Basisanschluß des achten Transistors (T81) sowie die Basisanschlüsse der entsprechend geschalteten weiteren Transistoren (T82, ...) als Eingangsklemmen für invertierende Signaleingänge vorgesehen sind.
dadurch gekennzeichnet,
daß die mit den invertierenden und nichtinvertierenden Eingangsklemmen (-y1, -y2, ...; +y1, +y2, ...) verbundenen steuerbaren Stromquellen (Is21, Is22, ...; Is31, Is32, ...) als ein- und ausschaltbare Konstantstromquellen ausgebildet sind und die durch die entsprechenden Eingangsklemmen (+y1, -y1; +y2, -y2; ...) gebildeten Signaleingänge zur Beaufschlagung mit rechteckförmigen Signalen vorgesehen sind.
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens alle nichtinvertierenden Eingangsklemmen (+y1, +y2, ...) außer der ersten Eingangsklemme (+x) jeweils mit einem ersten Ausgang eines jeweiligen I²L-Gatters (G1, G2, ...) verbunden sind, daß mindestens alle invertierenden Eingangsklemmen (-y1, -y2, ...) außer der zweiten Eingangsklemme (-x) jeweils mit dem das inverse Signal zum am ersten Ausgang bereitgestellten Signal führenden zweiten Ausgang jeweils eines dieser I²L-Gatter (G1, G2, ...) ist und daß jeweils der Eingang dieser I²L-Gatter (G1, G2, ...) zur Beaufschlagung mit einem auf Bezugspotential bezogenen Rechtecksignal vorgesehen ist.
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