JP2900879B2 - Bipolar multiplier - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】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関し、特にバイポーラ半
導体集積回路上に構成して好適な線形化された4象限マ
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 linearized four-quadrant multiplier suitable for being constructed on a bipolar semiconductor integrated circuit.
【0002】[0002]
【従来の技術】マルチプライヤの従来技術としては、例
えば文献(1)「B. Gilbert,“A Precise Four-Quadra
nt Analog Multiplier with Subnanosecond respons
e”, IEEEJ. Solid-State Circuits, vol.SC-3, no.4,
pp.353-365, Dec. 1968.」等の記載が参照される。2. Description of the Related Art As a prior art of a multiplier, for example, reference (1), “B. Gilbert,“ A Precise Four-Quadra ”
nt Analog Multiplier with Subnanosecond respons
e ”, IEEEJ. Solid-State Circuits, vol.SC-3, no.4,
pp. 353-365, Dec. 1968. "
【0003】この種の線形動作を行う完全なバイポーラ
・マルチプライヤは未だ実現されていないというのが現
状である。また、この種のそれなりに線形化されたバイ
ポーラ・マルチプライヤは、1968年に発表されてお
り、ギルバートマルチプライヤ(Gilbert multiplier)
として良く知られている。ただし、電圧−電流(V−
I)変換回路が完全に線形動作すれば、交叉接続バイポ
ーラ差動対を用いたギルバートマルチプライヤ型のマル
チプライヤでも、線形動作する完全な4象限マルチプラ
イヤが得られることは周知である。At present, a complete bipolar multiplier performing this type of linear operation has not yet been realized. A moderately linearized bipolar multiplier of this kind was also published in 1968, and Gilbert multiplier
Well known as However, the voltage-current (V-
I) It is well known that if a conversion circuit operates completely linearly, a complete 4-quadrant multiplier that operates linearly can be obtained even with a Gilbert-type multiplier using cross-connected bipolar differential pairs.
【0004】トランジスタのコレクタ電流Iciとベース
−エミッタ間電圧VBEiの関係は指数則に従うものとす
れば、次式(1)で示される。The relationship between the collector current I ci of the transistor and the base-emitter voltage V BEi follows an exponential law and is expressed by the following equation (1).
【0005】[0005]
【数1】 (Equation 1)
【0006】ここで、Isは飽和電流、VTは熱電圧であ
り、VT=kT/qと表される。ただし、qは単位電子
電荷、kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。[0006] Here, I s is the saturation current, V T is the thermal voltage, denoted as V T = kT / q. Here, q is a unit electron charge, k is a Boltzmann constant, and T is an absolute temperature.
【0007】上式(1)は、ベース−エミッタ間電圧V
BEiが600mV前後のトランジスタが通常動作時には
指数部exp(VBEi/VT)は10乗程度の値になり、
−1は無視できる。したがって、次式(2)が成り立
つ。The above equation (1) represents the base-emitter voltage V
When a transistor having a BEi of about 600 mV normally operates, the exponent exp (V BEi / V T ) becomes a value of about 10 power,
-1 can be ignored. Therefore, the following equation (2) holds.
【0008】[0008]
【数2】 (Equation 2)
【0009】先ず、図7に示す逆双曲正接−双曲正接変
換回路の動作について説明する。図7を参照して、第
1、第2の入力電圧Vx、Vyを入力し電流出力する電圧
−電流(V−I)変換回路72、73と、V−I変換回
路73の第1の電流出力端子にエミッタを共通接続した
第1の差動対トランジスタQ1、Q2と、V−I変換回
路73の第2の電流出力端子にエミッタを共通接続した
第2の差動対トランジスタQ3、Q4と、V−I変換回
路72の第1、第2の電流出力端子にそれぞれエミッタ
を接続しダイオード接続されたトランジスタQ5、Q6
と、を備え、トランジスタQ1とQ3のコレクタ、トラ
ンジスタQ2とQ4のコレクタとが互いに交叉接続され
てデイファレンシャル(差動)−シングルエンド変換器
74に接続され、トランジスタQ5、Q6のエミッタが
第1、第2の差動対トランジスタの差動入力され、トラ
ンジスタQ1、Q3及びQ2、Q4のコレクタから差動
電流が取り出される。線形動作する電圧−電流(V−
I)変換回路を「リニアゲインセル」と呼ぶ。First, the operation of the inverse hyperbolic tangent-hyperbolic tangent conversion circuit shown in FIG. 7 will be described. First current (V-I) conversion circuit 72 and 73, V-I conversion circuit 73 - with reference to FIG. 7, first, second input voltage V x, the voltage to the current output type the V y A first differential pair transistor Q1, Q2 having an emitter commonly connected to a current output terminal of the first differential pair transistor Q2, and a second differential pair transistor Q3 having an emitter commonly connected to a second current output terminal of the VI conversion circuit 73; Q4 and diode-connected transistors Q5 and Q6 having emitters connected to the first and second current output terminals of the VI conversion circuit 72, respectively.
The collectors of the transistors Q1 and Q3 and the collectors of the transistors Q2 and Q4 are cross-connected to each other and connected to a differential-to-single-ended converter 74, and the emitters of the transistors Q5 and Q6 are connected to each other. First, the differential input of the second differential pair transistor is input, and a differential current is taken out from the collectors of the transistors Q1, Q3 and Q2, Q4. Voltage-current (V-
I) The conversion circuit is called a “linear gain cell”.
【0010】リニアゲインセル72の差動出力電流
Ix +、Ix -でダイオード接続されたトランジスタQ5、
Q6を駆動すると、次式(3)、(4)で与えられる。
但し、VBE5、VBE6はトランジスタQ5、Q6のベース
・エミッタ間電圧、Gxはリニアゲインセルのコンダク
タンスの1/2である(ΔI=Ix +−Ix -=2G
xVx)。[0010] Linear differential output current of the gain cell 72 I x +, I x - diode connected to the transistors Q5,
When Q6 is driven, it is given by the following equations (3) and (4).
However, V BE5, V BE6 is the base-emitter voltage of the transistor Q5, Q6, the G x is 1/2 of the conductance of a linear gain cells (ΔI = I x + -I x - = 2G
x V x ).
【0011】 Ix +=IOx+GxVx=Isexp(VBE5/VT) …(3) Ix -=IOx−GxVx=Isexp(VBE6/VT) …(4)[0011] I x + = I Ox + G x V x = I s exp (V BE5 / V T) ... (3) I x - = I Ox -G x V x = I s exp (V BE6 / V T) …(Four)
【0012】したがって、ダイオード接続されたトラン
ジスタQ5、Q6の出力電圧ΔVxは次式(5)で与え
られる。Therefore, the output voltage ΔV x of the diode-connected transistors Q5 and Q6 is given by the following equation (5).
【0013】[0013]
【数3】 (Equation 3)
【0014】バイポーラトランジスタ差動対の差動出力
電流は双曲正接関数となり、交叉接続型バイポーラ差動
対Q1、Q2及びQ3、Q4の差動出力電流ΔIは次式
(6)のように導かれる。The differential output current of the bipolar transistor differential pair becomes a hyperbolic tangent function, and the differential output current ΔI of the cross-coupled bipolar differential pair Q1, Q2 and Q3, Q4 is derived by the following equation (6). I will
【0015】[0015]
【数4】 (Equation 4)
【0016】ただし、However,
【0017】[0017]
【数5】 (Equation 5)
【0018】である。## EQU1 ##
【0019】したがって、線形動作するV−I変換回路
72の出力電流をpn接合を用いて電圧変換すれば逆双
曲正接回路となり、双曲正接回路である交叉接続型バイ
ポーラ差動対Q1、Q2、及びQ3、Q4の差動入力電
圧とすることにより、交叉接続型バイポーラ差動対の入
力信号電圧についても線形動作を実現できる。Therefore, if the output current of the VI conversion circuit 72, which operates linearly, is converted into a voltage by using a pn junction, an inverse hyperbolic tangent circuit is formed, and the cross-connected bipolar differential pair Q1, Q2, which is a hyperbolic tangent circuit, is formed. , And Q3 and Q4, a linear operation can be realized also with respect to the input signal voltage of the cross-connecting bipolar differential pair.
【0020】同様に、交叉接続型バイポーラ差動対Q
1、Q2、及びQ3、Q4を駆動する差動出力電流(I
0y±GyVy)についても逆双曲正接−双曲正接変換する
ことで、次式(9)に示すように線形動作させることが
できる。Similarly, a cross-connecting bipolar differential pair Q
1, Q2, and the differential output current (I
0y ± G y V y ), by performing inverse hyperbolic tangent-hyperbolic tangent conversion, a linear operation can be performed as shown in the following equation (9).
【0021】[0021]
【数6】 (Equation 6)
【0022】ただし、However,
【0023】[0023]
【数7】 (Equation 7)
【0024】である。## EQU1 ##
【0025】したがって、次式(12)が求まり、線形
動作する完全な4象限マルチプライヤが得られる。Therefore, the following equation (12) is obtained, and a complete four-quadrant multiplier that operates linearly is obtained.
【0026】[0026]
【数8】 (Equation 8)
【0027】[0027]
【発明が解決しようとする課題】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。特に、2つの入力電圧に対し
て線形動作する完全な4象限マルチプライヤの必要性が
高まってきている。In analog signal processing, a multiplier is an indispensable function block. In particular, there is a growing need for a complete four quadrant multiplier that operates linearly with two input voltages.
【0028】従来のギルバートマルチプライヤは、電圧
−電流(V−I)変換回路が完全に線形動作しないため
に、完全な逆双曲正接−双曲正接変換が実現できない。
このため、従来のギルバートマルチプライヤでは、2つ
の入力電圧に対して線形動作する完全な4象限マルチプ
ライヤとはならなかった。The conventional Gilbert multiplier cannot realize a complete inverse hyperbolic tangent-hyperbolic tangent conversion because the voltage-current (VI) conversion circuit does not operate completely linearly.
For this reason, the conventional Gilbert multiplier has not been a complete four-quadrant multiplier that operates linearly with respect to two input voltages.
【0029】従って、本発明は、上記事情に鑑みて為さ
れたものであって、その目的は、アナログ信号処理にお
いてはとりわけ重要なマルチプライヤを、2つの入力電
圧に対して線形動作する完全な4象限マルチプライヤと
して提供することにある。Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a multiplier which is particularly important in analog signal processing, with a completely operating linearly for two input voltages. The purpose is to provide a four-quadrant multiplier.
【0030】[0030]
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、第1の信号と第2の信号を受けて、入力
電圧に応じた差動電流を出力する第1、第2の電圧−電
流変換回路と、前記第1、第2の電圧−電流変換回路の
それぞれの出力電流を電圧変換するpn接合素子と、前
記第1、第2の電圧−電流変換回路に接続される前記p
n接合素子間電圧を差動入力電圧とし、これらの和また
は差電圧を出力する線形動作するリニアゲインセル群
と、出力を共通接続されて差動出力対を構成する第1か
ら第4のトランジスタからなる2つのトランジスタ対が
共通のテール電流により駆動されるクァドリテールセル
から構成され、2信号を乗算するマルチプライヤ・コア
回路と、から構成されることを特徴とするバイポーラ・
マルチプライヤを提供する。In order to achieve the above object, the present invention provides a first and a second signal receiving a first signal and a second signal and outputting a differential current corresponding to an input voltage. A voltage-current conversion circuit, a pn junction element for converting the output current of each of the first and second voltage-current conversion circuits to a voltage, and the pn junction element connected to the first and second voltage-current conversion circuits. p
a linear gain cell group that operates as a differential input voltage with a voltage between n-junction elements as a differential input voltage and outputs a sum or a differential voltage between them, and first to fourth transistors that have outputs commonly connected to form a differential output pair And a multiplier core circuit for multiplying two signals by a quad tail cell driven by a common tail current.
Provide a multiplier.
【0031】[0031]
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照して以下に説明する。図1は、本発明の実施の形
態を示す図である。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention.
【0032】図1を参照して、本発明においては、ダイ
オードを負荷とし、それぞれに第1の入力信号(Vx)
と第2の入力信号(Vy)が入力される2つの電圧−電
流変換回路101、102と、第1と第2の2つの電圧
−電流変換回路出力101、102のそれぞれの出力電
流を電圧変換するpn接合素子103−1、103−
2、104−1、104−2と、それぞれの電圧−電流
変換回路のpn接合素子間電圧を差動入力電圧とし、和
または差電圧を出力する線形動作するリニアゲインセル
105、106と、それぞれのリニアゲインセル10
5、106の出力電圧V1〜V4をそれぞれのトランジ
スタのベース入力とし、出力を共通接続されて差動出力
対を構成する2つのトランジスタ対Q1、Q2、及びQ
3、Q4が共通のテール電流I0により駆動されるクァ
ドリテールセルから構成される。Referring to FIG. 1, in the present invention, a diode is used as a load and a first input signal (V x ) is connected to each of the diodes.
And the second input signal (V y ) are input to the two voltage-current conversion circuits 101 and 102, and the first and second two voltage-current conversion circuit outputs 101 and 102 are respectively output by the voltage. Pn junction elements 103-1 and 103- to be converted
2, 104-1 and 104-2, and linear gain cells 105 and 106 that operate linearly to output the sum or difference voltage by using the voltage between the pn junction elements of the respective voltage-current conversion circuits as a differential input voltage. Linear gain cell 10
The output voltages V1 to V4 of the transistors 5 and 106 are used as the base inputs of the respective transistors, and the outputs are commonly connected to form two differential transistor pairs Q1, Q2 and Q2.
3, Q4 comprises quad tail cells driven by a common tail current I 0 .
【0033】本発明の実施の形態においては、線形動作
する電圧−電流(V−I)変換回路101、102とし
て、図2に示したような、リニアゲインセルを用いるこ
とで、差動入力電圧を対数圧縮することで逆双曲正接変
換でき、またそれら2つの電圧を所望の和あるいは差電
圧が得られ、4つのトランジスタQ1〜Q4が共通のテ
ール電流により駆動されるクァドリテールセルのベース
電圧を実現でき、クァドリテールセルをマルチプライヤ
・コア回路として動作させることができ、したがって、
等価的に双曲正接変換されて、線形動作する完全な4象
限マルチプライヤを実現できる。In the embodiment of the present invention, a differential input voltage is obtained by using a linear gain cell as shown in FIG. 2 as the voltage-current (VI) conversion circuits 101 and 102 which operate linearly. Is inversely hyperbolic tangent transformed by logarithmic compression, and a desired sum or difference voltage is obtained between the two voltages. The base of a quadritail cell in which four transistors Q1 to Q4 are driven by a common tail current Voltage can be realized and the quad tail cell can be operated as a multiplier core circuit, thus
It is possible to realize a complete four-quadrant multiplier which is equivalently hyperbolic tangent transformed and operates linearly.
【0034】[0034]
【実施例】ここで、上記した本発明の実施の形態をより
詳細に説明すべく、本発明の実施例を図面を参照して説
明する。以下では、3個以上のトランジスタが1つの共
通テール電流で駆動される回路を「マルチテールセル」
と呼び、4個のトランジスタの場合には「クァドリテー
ルセル」と呼ぶ。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Here, in order to explain the above-mentioned embodiment of the present invention in more detail, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Hereinafter, a circuit in which three or more transistors are driven by one common tail current is referred to as a “multi-tail cell”.
, And in the case of four transistors, a “quadritail cell”.
【0035】図1を参照して、本発明の実施例を詳細に
説明する。第1の入力信号電圧(Vx)と第2の入力信
号電圧(Vy)とが入力される2つの電圧−電流(V−
I)変換回路101、102のそれぞれの差動出力はダ
イオード103、104を負荷とし、ダイオードの端子
間にそれぞれ差電圧ΔVx、ΔVyを出力する。An embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. The first input signal voltage (V x) and a second input signal voltage (V y) and two voltages is input - current (V-
I) The differential outputs of the conversion circuits 101 and 102 use the diodes 103 and 104 as loads, and output difference voltages ΔV x and ΔV y between the terminals of the diodes.
【0036】この差電圧ΔVx、ΔVyを差動入力とする
複数個のリニアゲインセル105、106により、差電
圧ΔVx、ΔVyの所望の和電圧あるいは差電圧V1〜V
4を出力し、マルチプライヤ・コア回路を構成するバイ
ポーラ・クァドリテールセルの4つのトランジスタQ1
〜Q4のそれぞれのベース電圧として供給される。A plurality of linear gain cells 105 and 106 having the differential voltages ΔV x and ΔV y as differential inputs provide a desired sum voltage of the differential voltages ΔV x and ΔV y or differential voltages V 1 to V y.
4 and the four transistors Q1 of the bipolar quadritail cell constituting the multiplier core circuit.
To Q4.
【0037】図2に、本発明の一実施例として、具体的
なダイオード負荷とする電圧−電流(V−I)変換回路
の構成例を示す。FIG. 2 shows a configuration example of a voltage-current (VI) conversion circuit as a specific diode load as one embodiment of the present invention.
【0038】図2を参照して、定電流源I0Xにより定電
流駆動される2つのトランジスタQ1、Q2のベース・
エミッタ間電圧VBE1、VBE2は、駆動電流を等しくする
と同じくなり、差動入力電圧Vxがそのままエミッタ間
抵抗に印加される。したがって、トランジスタQ1、Q
2のエミッタ抵抗Rxが線形素子であることから、エミ
ッタ間抵抗Rxに流れる電流は差動入力電圧Vxに比例
し、抵抗値Rxに反比例する。ただし、差動対を構成し
ている2つのトランジスタQ1、Q2は定電流駆動され
ていることから、それぞれのトランジスタQ1、Q2の
エミッタに接続されたトランジスタQ5、Q6には、こ
のエミッタ間抵抗に流れる電流分だけ加減算された電流
が流れる。このため、図2に示した電圧−電流(V−
I)変換回路は線形動作する。Referring to FIG. 2, the bases of two transistors Q1 and Q2 driven at a constant current by a constant current source I 0X are connected.
The emitter-to-emitter voltages V BE1 and V BE2 become the same when the drive current is made equal, and the differential input voltage V x is applied to the emitter-to-emitter resistance as it is. Therefore, transistors Q1, Q
Since the second emitter resistor R x is a linear element, the current flowing through the emitter resistor R x is proportional to the differential input voltage V x, and inversely proportional to the resistance value R x. However, since the two transistors Q1 and Q2 forming the differential pair are driven by a constant current, the transistors Q5 and Q6 connected to the emitters of the respective transistors Q1 and Q2 have a resistance between the emitters. The current that is added or subtracted by the flowing current flows. For this reason, the voltage-current (V-
I) The conversion circuit operates linearly.
【0039】また、図2に示した電圧−電流(V−I)
変換回路は、線形動作することからリニアゲインセルと
して機能する。このため、図2に示したリニアゲインセ
ルに、エミッタフォロワ付きカレントミラー回路を付加
することにより(カレントミラー回路の入力端をトラン
ジスタ対Q1、Q2のエミッタに接続する)、電流出力
のリニアゲインセルとなる。The voltage-current (VI) shown in FIG.
The conversion circuit functions as a linear gain cell because it operates linearly. Therefore, by adding a current mirror circuit with an emitter follower to the linear gain cell shown in FIG. 2 (connecting the input terminal of the current mirror circuit to the emitters of the transistor pair Q1 and Q2), a current output linear gain cell is provided. Becomes
【0040】そして、差動出力を持つことから、複数個
のリニアゲインセルの電流出力をワイヤードで電流加算
し、抵抗負荷とすれば、等価的にそれぞれのリニアゲイ
ンセルへの入力電圧ΔVx、ΔVyの和電圧aΔVx+b
ΔVy、あるいは差電圧a′ΔVx−b′ΔVyが差動で
得られる。Since the differential outputs are provided, the current outputs of the plurality of linear gain cells are added to each other in a wired manner to form a resistive load, so that the input voltage ΔV x to each linear gain cell is equivalently obtained. Sum voltage of ΔV y aΔV x + b
ΔV y or the difference voltage a′ΔV x −b′ΔV y is obtained differentially.
【0041】図1に示したブロック図のマルチプライヤ
・コア回路は、バイポーラ・クァドリテールセルである
ことから、素子間の整合性は良いと仮定すると、テール
電流IEEで駆動されるバイポーラ・クァドリテールセル
の各々のコレクタ電流は次式(13)〜(16)で与え
られる。Since the multiplier core circuit of the block diagram shown in FIG. 1 is a bipolar quad tail cell, assuming that the matching between elements is good, the bipolar core circuit driven by the tail current IEEE is used. The collector current of each quadritail cell is given by the following equations (13) to (16).
【0042】[0042]
【数9】 (Equation 9)
【0043】ただし、VRは、入力信号の直流電圧、VE
は、共通エミッタ電圧である。Where V R is the DC voltage of the input signal, V E
Is the common emitter voltage.
【0044】また、テール電流の条件より、 IC1+IC2+IC3+IC4=αFIO …(17) と表される。ただし、αFはトランジスタの直流電流増
幅率である。式(13)から式(17)を解くと次式
(18)が導かれる。Further, from the condition of the tail current, it is expressed as: I C1 + I C2 + I C3 + I C4 = α F I O (17) Here, α F is the DC current gain of the transistor. Solving equation (17) from equation (13) leads to the following equation (18).
【0045】[0045]
【数10】 (Equation 10)
【0046】バイポーラ・クァドリテールセルの差動出
力電流ΔIは、図1を参照して、トランジスタQ1、Q
2のコレクタ電流の和とトランジスタQ3、Q4のコレ
クタ電流の和との差分で与えられることから次式(1
9)で表される。Referring to FIG. 1, the differential output current .DELTA.I of the bipolar
2 and the sum of the collector currents of the transistors Q3 and Q4.
9).
【0047】[0047]
【数11】 [Equation 11]
【0048】図3を参照して、本発明の実施例を説明す
る。図3は、本発明におけるマルチプライヤ・コア回路
の実施例を示している。図3を参照して、バイポーラ・
クァドリテールセルの4つのトランジスタQ1〜Q4の
それぞれのベースに印加される電圧は、 V1=aΔVx+bΔVy、 V2=(a−1)ΔVx+(b−1)ΔVy、 V3=(a−1)ΔVx+bΔVy、 V4=aΔVx+(b−1)ΔVy、 とされ、これらを、上式(19)に代入すると、バイポ
ーラ・マルチプライヤの差動出力電流ΔIは次式(2
0)と求まる。An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows an embodiment of the multiplier core circuit according to the present invention. Referring to FIG.
Quaterphenyl de four respective voltage applied to the base of the transistor Q1~Q4 retail cell, V 1 = aΔV x + bΔV y, V 2 = (a-1) ΔV x + (b-1) ΔV y, V 3 = (a-1) ΔV x + bΔV y, V 4 = aΔV x + (b-1) ΔV y, is the, these, are substituted into the above equation (19), bipolar multipliers of the differential output current ΔI is given by the following equation (2)
0).
【0049】[0049]
【数12】 (Equation 12)
【0050】上式(20)の右辺にαFを掛けると良く
知られた2重平衡型差動増幅器であり、「ギルバートマ
ルチプライヤセル」あるいは「ギルバートセル」と呼ば
れている。一般的なバイポーラプロセスでは、αFは、
0.98〜0.99であり、およそ1に近い。This is a well-known double-balanced differential amplifier in which the right side of the above equation (20) is multiplied by α F , and is called a “Gilbert multiplier cell” or “Gilbert cell”. In a typical bipolar process, α F is
0.98 to 0.99, which is close to 1.
【0051】したがって、従来のクァドリテールセルを
用いたバイポーラ・マルチプライヤの伝達特性はギルバ
ートマルチプライヤセルとほぼ等しくなっている。ただ
し、トランジスタを縦積みしていないために、低電圧で
動作可能となる。Accordingly, the transfer characteristics of the bipolar multiplier using the conventional quadritail cell are almost equal to those of the Gilbert multiplier cell. However, since the transistors are not stacked vertically, operation at low voltage is possible.
【0052】しかし、上式(20)で示される伝達特性
はギルバートマルチプライヤセルと同様に、入力電圧に
対する直線性が良くない。However, the transfer characteristic represented by the above equation (20) has poor linearity with respect to the input voltage, similarly to the Gilbert multiplier cell.
【0053】ここで、ΔVx、ΔVy、は次のように求ま
る。Here, ΔV x and ΔV y are obtained as follows.
【0054】図2に示した、差動入力電圧Vxを入力と
し、ダイオード負荷とする電圧−電流(V−I)変換回
路(図1の101)の差動出力電流は、それぞれ次式
(21)、(22)で与えられる。[0054] shown in FIG. 2, and inputs the differential input voltage V x, the voltage to the diode load - differential output current of the current (V-I) conversion circuit (101 in FIG. 1) are respectively the following formulas ( 21) and (22).
【0055】 Ix +=IOx+Vx/Rx=Isexp(VBE5/VT) …(21) Ix -=IOx−Vx/Rx=Isexp(VBE6/VT) …(22)[0055] I x + = I Ox + V x / R x = I s exp (V BE5 / V T) ... (21) I x - = I Ox -V x / R x = I s exp (V BE6 / V T )… (22)
【0056】したがって、差動出力電圧ΔVxは次式
(23)で与えられる。Therefore, the differential output voltage ΔV x is given by the following equation (23).
【0057】[0057]
【数13】 (Equation 13)
【0058】同様に、差動入力電圧Vyを入力とし、ダ
イオード負荷とする電圧−電流(V−I)変換回路(図
1の102)の差動出力電流は、それぞれ次式(2
4)、(25)で与えられる。但し、VBE7、VBE8は、
図2のトランジスタQ5、Q6をQ7、Q8で置き換え
たものであり、図1のダイオード104に対応したトラ
ンジスタのベース・エミッタ間電圧である。Similarly, the differential output current of the voltage-current (VI) conversion circuit (102 in FIG. 1) which receives the differential input voltage Vy as an input and uses a diode load is expressed by the following equation (2).
4), given by (25). However, V BE7 and V BE8 are
This transistor is obtained by replacing the transistors Q5 and Q6 in FIG. 2 with Q7 and Q8, and is the base-emitter voltage of the transistor corresponding to the diode 104 in FIG.
【0059】 Iy +=IOy+Vy/Ry=Isexp(VBE7/VT) …(24) Iy -=IOy−Vy/Ry=Isexp(VBE8/VT) …(25)[0059] I y + = I Oy + V y / R y = I s exp (V BE7 / V T) ... (24) I y - = I Oy -V y / R y = I s exp (V BE8 / V T )… (25)
【0060】したがって、差動出力電圧ΔVyは次式
(26)で与えられる。[0060] Therefore, the differential output voltage [Delta] V y is given by the following equation (26).
【0061】[0061]
【数14】 [Equation 14]
【0062】式(23)、および式(26)を式(2
0)に代入すると、次式(27)が導かれる。Equations (23) and (26) are replaced by Equation (2)
0), the following equation (27) is derived.
【0063】[0063]
【数15】 (Equation 15)
【0064】ただし、However,
【0065】[0065]
【数16】 (Equation 16)
【0066】である。Is as follows.
【0067】したがって、線形動作する完全な4象限ア
ナログマルチプライヤが得られる。Thus, a complete four-quadrant analog multiplier operating linearly is obtained.
【0068】上記した本発明の実施例のバイポーラ・マ
ルチプライヤの動作説明により、マルチプライヤ・コア
回路を構成するバイポーラ・クァドリテールセルの4つ
のトランジスタのそれぞれのベースに印加される電圧、 V1=aΔVx+bΔVy、 V2=(a−1)ΔVx+(b−1)ΔVy、 V3=(a−1)ΔVx+bΔVy、 V4=aΔVx+(b−1)ΔVy、 においては、定数a、bは任意の値で良いことがわかっ
た。From the above description of the operation of the bipolar multiplier of the embodiment of the present invention, the voltage applied to the base of each of the four transistors of the bipolar quadritail cell constituting the multiplier core circuit, V 1 = aΔV x + bΔV y, V 2 = (a-1) ΔV x + (b-1) ΔV y, V 3 = (a-1) ΔV x + bΔV y, V 4 = aΔV x + (b-1) ΔV It has been found that the constants a and b can be any values for y and.
【0069】上述したリニアゲインセルにおいては、エ
ミッタ間抵抗等を設定することでこの任意の定数a、b
を実現できるわけではない。すなわち、定数a、bをあ
る特定の値に設定することで線形動作する完全な4象限
アナログマルチプライヤが得られる。In the above-described linear gain cell, the arbitrary constants a and b can be set by setting the resistance between the emitters and the like.
Cannot be achieved. That is, by setting the constants a and b to specific values, a complete four-quadrant analog multiplier that operates linearly can be obtained.
【0070】例えば、本発明の別の実施例として、a=
1、b=1とすれば、2つのリニアゲインセルのカレン
トミラー回路の出力数を増やすことで容易に実現でき
る。この場合2つのリニアゲインセルの接続回路図を図
4に示す。For example, as another embodiment of the present invention, a =
If 1, b = 1, it can be easily realized by increasing the number of outputs of the current mirror circuit of the two linear gain cells. In this case, a connection circuit diagram of two linear gain cells is shown in FIG.
【0071】図4を参照して、差電圧(ΔVx、ΔVy)
を入力とする、共に同様な構成の2つのリニアゲインセ
ルの出力電流をそれぞれ入力とするカレントミラー回路
の出力を相互に接続して、それぞれの和または差電流を
得るようにし、このようにして得られた電流による負荷
抵抗R/2の端子電圧から電圧V1〜V4を取り出すよ
うにしたものである。第1のリニアゲインセルは、エミ
ッタが抵抗Rで接続され、差電圧ΔVxをベース入力と
し、コレクタにそれぞれ定電流源I0が接続された差動
対トランジスタQ1、Q2からなり、エミッタから出力
される電流I0±GxΔVxは第1、第2のカレントミラ
ー回路(エミッタフォロワ回路を備える)に入力端にそ
れぞれ入力され、これらのカレントミラー回路の出力端
(それぞれ2つの出力端を備える)は、差電圧ΔVyを
入力とする第2のリニアゲインセルの第3、第4のカレ
ントミラー回路の出力端とそれぞれ共通接続されて抵抗
R/2を介して電源VCCに接続される。第2のリニア
ゲインセルについても同様とされる。Referring to FIG. 4, difference voltages (ΔV x , ΔV y )
Are connected to each other, and the outputs of the current mirror circuits are connected to each other, and the sum or difference current of each is obtained. The voltages V1 to V4 are extracted from the terminal voltage of the load resistor R / 2 by the obtained current. The first linear gain cell includes differential pair transistors Q1 and Q2 each having an emitter connected by a resistor R, a differential voltage ΔV x as a base input, and a collector connected to a constant current source I 0 , respectively. The currents I 0 ± G x ΔV x are respectively input to input terminals of first and second current mirror circuits (including an emitter follower circuit), and output terminals of these current mirror circuits (each having two output terminals). provided) is connected to the power supply VCC through a resistor R / 2 second third linear gain cells, are commonly connected to the output terminal of the fourth current mirror circuit which receives the difference voltage [Delta] V y . The same applies to the second linear gain cell.
【0072】同様に、a=1/2、b=1またはb=0
とすれば、2つのリニアゲインセルのカレントミラー回
路の出力数を増やすことで容易に実現できる。この場合
の2つのリニアゲインセルの接続回路図を図5に示す。Similarly, a = 1/2, b = 1 or b = 0
Then, it can be easily realized by increasing the number of outputs of the current mirror circuit of the two linear gain cells. FIG. 5 shows a connection circuit diagram of two linear gain cells in this case.
【0073】また、a=1/2、b=1/2とすれば、
2つのリニアゲインセルのカレントミラー回路の出力数
を増やすことで容易に実現できる。この場合の2つのリ
ニアゲインセルの接続回路図を図6に示す。If a = 1 / and b = 1 /, then
This can be easily realized by increasing the number of outputs of the current mirror circuit of the two linear gain cells. FIG. 6 shows a connection circuit diagram of two linear gain cells in this case.
【0074】上記した実施例においては、1.9V程度
の低電圧で、1VP-P近い完全な線形な入力電圧範囲を
持つ、理想的なマルチプライヤが実現できるという効果
を有する。これは、線形動作するリニアゲインセルをカ
レントミラー回路出力として低電圧動作が可能となるよ
うに構成したことによる。The above embodiment has an effect that an ideal multiplier having a completely linear input voltage range near 1 V PP at a low voltage of about 1.9 V can be realized. This is because a linear gain cell that operates linearly is configured as a current mirror circuit output to enable low-voltage operation.
【0075】[0075]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
線形動作する完全な4象限マルチプライヤを実現できる
という効果を有する。これは、本発明においては、完全
な線形回路と完全な逆双曲正接回路を実現したことによ
る。As described above, according to the present invention,
This has the effect of realizing a complete four-quadrant multiplier that operates linearly. This is because, in the present invention, a complete linear circuit and a complete inverse hyperbolic tangent circuit are realized.
【0076】また、本発明によれば、1.9V程度の低
電圧で、1VP-P近い完全な線形な入力電圧範囲を持
つ、理想的なマルチプライヤが実現できるという効果を
有する。Further, according to the present invention, there is an effect that an ideal multiplier having a completely linear input voltage range close to 1 V PP at a low voltage of about 1.9 V can be realized.
【0077】これは、本発明においては、線形動作する
リニアゲインセルをカレントミラー回路出力として低電
圧動作が可能となるように構成したことによる。This is because, in the present invention, the linear gain cell that operates linearly is configured as a current mirror circuit output to enable low-voltage operation.
【図1】本発明の実施の形態に係るバイポーラ・マルチ
プライヤの構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a bipolar multiplier according to an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施例を説明するための図であり、ダ
イオードを負荷とする電圧−電流(V−I)変換回路の
構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram for describing an embodiment of the present invention, and is a diagram illustrating a configuration example of a voltage-current (VI) conversion circuit using a diode as a load.
【図3】本発明の実施例を説明するための図であり、バ
イポーラ・マルチプライヤ・コア回路を示す図である。FIG. 3 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention, and is a diagram showing a bipolar multiplier core circuit.
【図4】本発明におけるリニアゲインセルの一実施例を
示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing one embodiment of a linear gain cell according to the present invention.
【図5】本発明におけるリニアゲインセルの別の実施例
を示す回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram showing another embodiment of the linear gain cell according to the present invention.
【図6】本発明におけるリニアゲインセルのさらに別の
実施例を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing still another embodiment of the linear gain cell according to the present invention.
【図7】従来の4象限マルチプライヤを実現する逆双曲
正接−双曲正接変換回路を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a conventional inverse hyperbolic tangent-hyperbolic tangent conversion circuit for realizing a four-quadrant multiplier.
101、102 V−I変換回路 103、104 ダイオード 105、106 リニアゲインセル Q1〜Q9 トランジスタ R 抵抗 VCC 電源 I0 電流源 101, 102 VI conversion circuit 103, 104 Diode 105, 106 Linear gain cell Q1 to Q9 Transistor R Resistance VCC Power supply I0 Current source
Claims (5)
圧に応じた差動電流を出力する第1、第2の電圧−電流
変換回路と、 前記第1、第2の電圧−電流変換回路のそれぞれの出力
電流を電圧変換するpn接合素子と、 前記第1、第2の電圧−電流変換回路に接続される前記
pn接合素子間電圧を差動入力電圧とし、これらの和ま
たは差電圧を出力する線形動作するリニアゲインセル群
と、 出力を共通接続されて差動出力対を構成する第1から第
4のトランジスタからなる2つのトランジスタ対が共通
のテール電流により駆動されるクァドリテールセルから
構成され、2信号を乗算するマルチプライヤ・コア回路
と、から構成されることを特徴とするバイポーラ・マル
チプライヤ。1. A first and second voltage-current conversion circuit for receiving a first signal and a second signal and outputting a differential current according to an input voltage; and the first and second voltages. A pn junction element for converting the output current of each current conversion circuit into a voltage, and a voltage between the pn junction elements connected to the first and second voltage-current conversion circuits as a differential input voltage; Alternatively, a linear gain cell group that performs a linear operation that outputs a difference voltage, and two transistor pairs including first to fourth transistors that are commonly connected to each other to form a differential output pair are driven by a common tail current. And a multiplier core circuit configured by a quadritail cell and multiplying two signals.
続されたpn接合素子間電圧をΔVx、ΔVyとした際
に、前記マルチプライヤ・コア回路を構成する4つのト
ランジスタのベース電圧(V1,V2,V3,V4)
が、それぞれ、 aΔVx+bΔVy、 (a−1)ΔVx+(b−1)ΔVy、 (a−1)ΔVx+bΔVy、 aΔVx+(b−1)ΔVy、(但し、a、bは任意の定
数)とされたことを特徴とする請求項1記載のバイポー
ラ・マルチプライヤ。Wherein said first, second voltage - the pn junction element voltage which is connected to the current conversion circuit upon the [Delta] V x, [Delta] V y, of four transistors constituting the multiplier core circuit Base voltage (V1, V2, V3, V4)
But each, aΔV x + bΔV y, ( a-1) ΔV x + (b-1) ΔV y, (a-1) ΔV x + bΔV y, aΔV x + (b-1) ΔV y, ( where, a 2. The bipolar multiplier according to claim 1, wherein b is an arbitrary constant.
ことを特徴とするバイポーラ・マルチプライヤ。3. The bipolar multiplier according to claim 2, wherein a = 1 and b = 1.
たはb=0としたことを特徴とするバイポーラ・マルチ
プライヤ。4. The bipolar multiplier according to claim 2, wherein a = 1/2, b = 1 or b = 0.
2としたことを特徴とするバイポーラ・マルチプライ
ヤ。5. The method according to claim 2, wherein a = 1/2 and b = 1 /
A bipolar multiplier, characterized in that the number is 2.
Priority Applications (4)
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---|---|---|---|
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AU17874/97A AU730555B2 (en) | 1996-04-12 | 1997-04-14 | Bipolar translinear four-quadrant analog multiplier |
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JPH09282403A JPH09282403A (en) | 1997-10-31 |
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US20240330668A1 (en) * | 2023-03-27 | 2024-10-03 | Tdk Corporation | Analogue arithmetic unit and nuromorphic device |
-
1996
- 1996-04-12 JP JP11572196A patent/JP2900879B2/en not_active Expired - Lifetime
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