DE2265734C1

DE2265734C1 - Multiplizierschaltung

Info

Publication number: DE2265734C1
Application number: DE2265734A
Authority: DE
Inventors: Carl Franklin 08873 Somerset N.J. Wheatley jun.
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Licensing Corp
Priority date: 1971-04-05
Filing date: 1982-04-05
Publication date: 1986-03-06
Also published as: DE2216409C2; US3790897A; MY7500032A; ES401276A1; NL187186B; DE2216409A1; NL187186C; SE370477B; IT951159B; GB1347182A; AU462921B2; AU4070272A; CA974610A; JPS5147510B1; NL7204467A; FR2136189A5

Description

- daß der erste Differenzverstärker (II) aufweist:

einen siebten und einen achten Transistor (IB, 2B), deren Emitter zusammen an den Kollektor des ersten Transistors (IA) angeschlossen sind und dessen Kollektorstrom führen und zwischen deren Steuerelektroden Differenzsignale zur Steuerung der Stromaufteilung zwischen dem siebten und achten Transistor legbar sind,

ferner eine Steuerschaltung zur Steuerung des Leitungszustandes des siebten und achten Transistors (1B, 2B) mit einem neunten und zehnten Transistor (3 B bzw. 4B), die mit ihren Basen an die Steuerelektroden des siebten bzw. achten Transistors (IB, 2B) angeschlossen sind,

einen dritten und einen vierten Anschluß (13, Masse) zur Zuführung des ersten Signals (I_y) an einen elften Transistor (5 B), dessen Basis zusammen mit dem Kollektor des neunten Transistors (3 B) an den dritten Eingangsanschluß (13) und dessen Emitter an die Basis des neunten Transistors (3 B) angeschlossen ist,
und einen zwölften Transistor (6B), dessen Basis zusammen mit dem Kollektor des zehnten Transistors (4 B) an den vierten Eingangsanschluß (Masse) und dessen Emitter an die Basis des zehnten Transistors (4 B) angeschlossen ist,

- und daß der zweite Differenzverstärker (III) einen dreizehnten und einen vierzehnten Transistor (1 C, 2 C) aufweist, die mit dem Kollektor des zweiten Transistors (2A) verbunden sind und dessen Kollektorstrom führen und zwischen deren Steuerelektroden Differenzsignale zur Steuerung der Stromverteilung zwischen ihnen anlegbar ist und deren Steuerelektroden ferner mit den Basen des neunten bzw. zehnten Transistors (32?, 4B) verbunden sind zur Steuerung des Stromflusses im dreizehnten und vierzehnten Transistor,

und daß die Kollektoren des siebten und vierzehnten Transistors (1B, 2 C) einerseits und die Kollektoren des achten und dreizehnten Transistors (2B, 1 C) andererseits im Sinne der Signalmultiplikation zusammengeschaltet sind.

3. Multiplizierschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim ersten und zweiten Transistor (IA, 2 A) die Basis die Steuerelektrode bildet, und ihre Emitter mit der ersten Stromquelle (30 A) verbunden sind.

4. Multiplizierschaltung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine in Flußrichtung vorgespannte Diode (DlA) zwischen den Emitter des fünften Transistors (SA) und die Basis des ersten Transistors (1 A) geschaltet ist und daß mindestens eine in Flußrichtung vorgespannte Diode (D2 A) zwischen den Emitter des sechsten Transistors (6A) und die Basis des vierten Transistors (4 A) geschaltet ist.

Die Erfindung betrifft eine Multiplizierschaltung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.

² ORIGINAL INSPECTED

Aus der Zeitschrift »IEEE Journal of Solid-State Circuits« Band SC-3, Nr. 4, Dezember 1968, Seiten 353 bis 373, ist eine Differenzverstärkerschaltung mit zwei Transistoren bekannt, die mit einer ersten Stromquelle verbunden sind und deren Strom führen, wobei die Stromverteilung durch zwischen ihre Steuerelektroden angelegte Differenzsignale steuerbar ist. Ferner sind an diese Steuerelektroden die Basen eines dritten und vierten Transistors angeschlossen, deren Emitter mit einer zweiten Stromquelle verbunden sind und mit denen sich der Stromfluß in den Differenzverstärkertransistoren bestimmen läßt. Derartige Schaltungen genügen jedoch nicht den sehr hohen Genauigkeitsanforderungen, wie sie beispielsweise bei Multiplizierschaltungen gestellt werden müssen.

Die Eigenschaften einer solchen Schaltung nach dem Stand der Technik sollen im folgenden anhand der F i g. 1 diskutiert werden. Die bekannte Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 enthält eine Differenzverstärkerstufe mit Transistoren Q 1 und Ql, die mit ihren Emittern an eine Stromquelle I_x angeschlossen sind. Die Schaltungsanordnung enthält ferner zwei weitere Transistoren β 3 und β 4, die mit ihren Emittern an eine Konstantstromquelle I_A angeschlossen sind. Der Transistor β 3 ist mit seiner Basis und seinem Kollektor an die Basis des Transistors β 1 angeschlossen. Mit diesem gemeinsamen Verbindungspunkt ist ferner eine Eingangsstromquelle I_1n verbunden. Der Transistor ß4 ist mit seiner Basis an seinem Kollektor an die Basis des Transistors Ql angeschlossen. Letztere liegt an Masse.

Wenn der Eingangsstrom I_1n im Betrieb der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 einen solchen Wert hat, daß die Transistoren β3 und β 4 durchfließenden Ströme gleich sind, sind auch die Basis-Emitter-Spannungsabfälle V_Ht: dieser Transistoren (die als gepaart vorausgesetzt werden) gleich und die Potentialdifferenz zwischen den Basen der Transistoren β 1 und Ql ist null. Wenn der Eingangsstrom erhöht wird, überschreitet der Strom im Transistor β 3 den Strom im Transistor β 4 und der Basis-Emitter-Spannungsabfall V_BE des Transistors ß3 nimmt zu, während der des Transistors ß4 abnimmt. Diese Differenzspannung erscheint an den Basen der Transistoren β 1 und Ql, so daß der Transistor β 1 mehr und der Transistor Ql weniger Strom führen.

Eine Analyse der Schaltungsanordnung zeigt, daß der Eingangsstrom I_1n gleich der Summe des Basisstromes /_A, des Transistors ßl zuzüglich des Kollektorstroms /_c3 und des Basisstroms I_bJ des Transistors β 3 ist, also

Iin ~ h\ ⁺ Λ3 + hi-

Der Kollektorstrom des einen von zwei Transistoren, die mit ihren Emittern an eine gemeinsame Quelle für einen Strom I₀ angeschlossen sind, ist /_£ = aI₀/( V_b), wobei α derjenige Teil des Emitterstromes, der den Kollektor erreicht und damit also gleich ßliß + 1) ist, β die gemeinsame Emitterflußstromverstärkung bedeutet

1 +e

(V_B2-V_B{)

dabei sind V_ßl und V_B2 die Potentiale an den Basen der Transistoren ßl und Ql, und A = WT Iq. k istdieBoltzmann'sche Konstante, T die absolute Temperatur in ° Kelvin und q die Ladung des Elektrons. Der Kollektorstrom I_c] des Transistors β 1 kann also wie folgt durch den Quellenstrom I_x ausgedrückt werden:

/_r, = a, I_xf(V_b).

In entsprechender Weise kann der Kollektorstrom des Transistors β 1 durch den Strom I_A der Konstantstromquelle wie folgt ausgedrückt werden:

Der Basisstrom des Transistors ß3 ist

/_//v kann in Abhängigkeit von I₄ und I_x wie folgt dargestellt werden:

3/, +flA +^h \/(V₁.)

ßl ß\ )

Ein Vergleich mit dem Kollektorstrom /,.,, der gleich I_0UT zu I,_N ist, ergibt:

101 /■ _ g| Ix /j)

Die Gleichung (1) kann wie folgt umgeschrieben werden:

65 lour ₌ j _n)

•in E± Ll+ ³ ^A +

Die Gleichung (2) kann wie folgt weiter vereinfacht werden:

(3)

Iqut _

IlN

' " ' ßi ' ßx Ia

Im Idealfall soll I_0VT gleich I_1n (IJI_xY¹, mit anderen Worten gesagt, sollte I_om gleich I_1n multipliziert mit dem gewählten Verhältnis der Werte der Ströme I_x und I_A, also unabhängig von den Transistorparametern sein. Alle Glieder des zweiten Faktors im Nenner der Gleichung (3) mit Ausnahme der 1 verursachen also Fehler. Der ίο zur 1 hinzukommende Fehlerterm in der Gleichung (3) ist also

J_ ßx

Eine Betrachtung des Fehlerterms zeigt, daß er einen statischen Fehler (l/ß\) und einen Kreuzmodulationsfehler (1/jSi) (I_xZIa), der vom Verhältnis I_xZI_A abhängt, enthält. Der statische Fehler beruht auf dem von den Differenzverstärkertransistoren Q1 und Q 2 gezogenen Basisstrom. Der Eingangsstrom fließt nämlich nicht ganz in den Transistor Q 3, sondern zu einem Teil auch in den Transistor Q1 (infolge von dessen englischem Beta-Wert) und der in den Transistor Q1 fließende Stromanteil führt zu einem Fehler.

Der Kreuzmodulationsfehler hat seine Ursache ebenfalls in dem endlichen Beta-Wert der Transistoren und entspricht teilweise demjenigen Anteil des Emitterstromes, der sich nicht im Kollektorstrom niederschlägt. Die Transistoren Q 3 und Q 4 erzeugen beispielsweise bei einer Eingangssignaländerung eine Änderung der Basisspannungen am Differenzverstärker, die bezüglich der gewünschten Änderung der Basisspannungen falsch ist. In Fig. 10 auf Seite 371 der obenerwähnten Arbeit ist außerdem die Steuerung der bekannten Schaltungsanordnung durch Emitterverstärker dargestellt. Diese Emitterverstärker verringern die oben erwähnten Fehler jedoch nicht. Wenn an die Emitterverstärker eine Spannungsquelle angelegt wird, setzen sie die angelegte Signalspannung in einen Emitterstrom um, der den Eingangsstrom I_1n der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 liefert. Wenn das Eingangssignal der Emitterverstärker von einer Stromquelle kommt, ist der resultierende Ausgangsstrom der Transistorenjß-abhängig und der Ausgangsstrom ist deshalb ebenfalls^ß-abhängig. Wenn einem Emitterverstärker also ein Eingangssignalstrom zugeführt wird, ist die Schaltungsanordnung nicht unabhängig von./?. In der Praxis besteht sogar eine direkte Abhängigkeit vom^-Wert des zusätzlichen Transistors.

Aus dem Aufsatz von E. Renschier und D. Weiß »Try the monolithic multiplier as a versatile a-c design tool« in Electronics, Juni 1970, Seiten 100 bis 105 ist eine Multiplizierschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei der sich jedoch Fehler in den Eingangsdifferenzverstärkern durch Verstärkung und Multiplikation in den folgenden Stufen fortpflanzen und vergrößern können.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines Multiplizierers hoher Genauigkeit. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Multiplizierschaltung zeichnet sich durch niedrige statische Fehler und niedrige Kreuzmodulationsfehler aus.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert.
Es zeigt

Fig. 1 die bereits diskutierte bekannte Schaltungsanordnung;

Fig. 2 ein Schaltbild einer Differenzverstärkerstufe zur Erläuterung der in Fig. 3 veranschaulichten Erfindung und

Fig. 3 ein Schaltbild eines Ausfuhrungsbeispiels einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Verstärkerstufe. Die in Fig. 2 dargestellte Differenzverstärkerstufe enthält zwei Transistoren 1 und 2, deren Emitter miteinander und mit einer Klemme einer Stromquelle 30 verbunden sind, deren andere Klemme 22 auf einer Spannung von - KVoIt liegt. Die Kollektoren der Transistoren 1 und 2 sind über Impedanzen J? 1 bzw. R 2 an eine Klemme 24 angeschlossen, die auf einem Potential von +FVoIt liegt. Zwei weitere Transistoren 3 und 4 sind mit ihren Emitterelektroden an die eine Klemme einer Stromquelle 36 angeschlossen, deren andere Klemme mit der Klemme 22 verbunden ist. Mit dem Kollektor des Transistors 3 ist eine Eingangsklemme 21 und die Basis eines Transistors 5 verbunden, dessen Emitter an die Basen der Transistoren 1 und 3 angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors 4 ist mit der Basis eines Transistors 6 an eine auf Masse liegende Klemme 20 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 6 ist mit den Basen der Transistoren 2 und 4 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 5 und 6 sind mit der Klemme 24 verbunden. Zwischen den Klemmen 21 und 22 ist eine Stromquelle 42 geschaltet, die einen Eingangssignalstrom I_1n liefert.

Bei einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 ist die Summe der durch die Emitter der Transistoren 1 und 2 fließenden Ströme gleich dem von der Stromquelle 30 gelieferten Strom /_xund die Summe der durch die Emitter der Transistoren 3 und 4 fließenden Ströme ist gleich dem von der Konstantstromquelle 36 gelieferten Strom I_A.

Wenn man annimmt, daß die durch die Transistoren 3 und 4 fließenden Ströme gleich sind und daß die Transistoren gepaart sind, sind die Basisemitterspannungsabfälle V_BE der Transistoren 3 und 4 gleich. Die Basisspannungen der Transistoren 1 und 3 sind daher gleich dem der Transistoren 2 und 4 und wenn die Transistoren 1 und 2 gepaart sind, sind die in diesen Transistoren fließenden Ströme einander gleich und gleich der Hälfte von I_x. Der Signalstrom I_1n ist gleich dem Kollektorstrom /_t.₃ des Transistors 3 zuzüglich des Basisstromes /_/ι5 des Transistors 5. Der Basisstrom I_b5 ergibt einen Emitterstrom I_E5, von dem ein Teil in die Basis des Transistors 1 und ein Teil in die Basis des Transistors 3 fließen (I_ES = I_b3 + I_bl). I_b3 und I_c3 ergeben zusammen den Emitterstrom I_E3. Wenn I_E3 größer als die Hälfte von I_A ist, also größer als I_A/2, so ist der vom Transistor 4 gelieferte Emitterstrom um denjenigen Betrag kleiner als die Hälfte von I_A um den I_B3 den Wert I_A/2 überschreitet. Die

Summe dieser beiden Ströme ist also immer gleich I_A.

Die Basis-Emitter-Spannung V_BE eines Transistors ist eine Funktion des den Transistor durchfließenden Stromes. Wenn l_Ei größer als /_i4 ist, ist der Basis-Emitter-Spannungsabfall V_BEi des Transistors 3 größer als der Basis-Emitter-Spannungsabfall V_BE4 des Transistors 4. Umgekehrt ist V_BEi kleiner als V_BE4 wenn /_£3 kleiner als //.-4 ist.

Die die Transistoren 3 und 4 durchfließenden Ströme bestimmen die zwischen den Basen der Transistoren 1 und 2 auftretende Differenzspannung und steuern dadurch die diese Transistoren durchfließenden Ströme.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 ist der in den Transistoren 5 oder 6 fließende Basisstrom offensichtlich ein wesentlich kleinerer Teil des Eingangsstroms als bei der bekannten Schaltung. Ferner werden Störungen der Eingangsschaltung durch Schwankungen I_x um das Produkt der Stromverstärkungsfaktoren der to Transistoren 1 und 5 verringert.

Welche Vorteile bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung im speziellen erreicht werden, läßt sich am besten anhand einer quantitativen Analyse einsehen, bei der I_c , (Iout ) iⁿ Abhängigkeit von I_1n ausgedrückt wird und die Ergebnisse mit dem Stand der Technik verglichen werden.

Der Kollektorstrom /,, des Transistors 1 des Differenzverstärkers kann in Abhängigkeit vom Strom /„ der von der gemeinsamen Emitterstromquelle geliefert wird (wie oben beschrieben) wie folgt ausgedrückt werden:

/,., =ar, -I_x ■ f(V_h) (4)

Der Basisstrom I_bX ist gleich dem Kollektorstrom geteilt durch Beta:

'·■ - τ ⁽⁵⁾

Der Kollektorstrom /₍₃ des Transistors 3 kann als Funktion des Stromes I_A der Stromquelle 36 wie folgt ausgedrückt werden:

/,., = a₃- Ι_Λ· fW_b) (6)

Der Basisstrom /₆₃ des Transistors 3 läßt sich dann wie folgt schreiben:

ßi

Der Emitterstrom /_£5 des Transistors 5 ist gleich I_b , + I_bi, und der Basisstrom I_b5 ist gleich dem Emitterstrom geteilt durch (ß_s + 1) dieses Transistors:

, _ h\ ⁺ hi io\

'«- -jrrr ⁽⁸⁾

Der Eingangsstrom /_/|V, der in den Schaltungsknotenpunkt 21 fließt ist gleich dem Kollektorstrom I_ci des Transistors 3 und dem Basisstrom I_b5 des Transistors 5:

///v = Id + hs (9)

45 Durch Substitution der Gleichungen 5, 6, 7 und 8 in die Gleichungen 9 erhält man:

50 I⁷Ur die Abhängigkeit von I₁ ., = I_01T von I_1n erhält man:

Inur - tfiA

(H) ßi (ßs+ 1) '" ßiißs+ 1)

Iin „ ι j. ^g3 τ , <*\Ι

ⁱ⁴ Jhiß i) ^A A(A

Teilt man Zähler und Nenner der Gleichung (11) durch 1 I_x, so ergibt sich:

LlML = } (12)

Iin O₁ Ι± ₊ O₁ I_A ₊ 1

a, I_x α,Α (ß_s + I) I_x β_λ (β₅ + 1)

Setzt man für den ersten Term α^Ιαχ in Gleichung (12) den Ausdruck

El + ^g' - ^g3

a_] «ι ßi aißj'

der sich zu

5.

1+J-A

reduzieren läßt, so erhält man:

(13)

Iqut - L

¹A U₊ 1 _

I 1 ß

I_x I A βιΑ «lA OS₅ + D A (Ä + D ι α
ίο Vereinigt man den zweiten und dritten Term im Nenner der Gleichung (13) so ergibt sich:

Iqut _

Ia fI₊ ßi -ßi ₊ "3 ₊ 1 I_x]

I_xX AA + D «iA(& + D ßiißs + 1) I_A j

(14)

Eine Betrachtung der Gleichung (14) zeigt, daß wie beim Stand der Technik ein statischer Fehler und ein Kreuzmodulationsfehler vorhanden sind. Im Gegensatz zu der bekannten Schaltungsanordnung sind diese Fehler hier jedoch wesentlich kleiner. Der statische Fehler besteht aus zwei Termen

20 A-A _und

A <Ä + D *iA (ßs + D

Der erste Term (ß₃ -ß\)lßi (ßi + 1), zeigt, daß die Differenz der Beta-Werte der Transistoren 1 und 3 zu einem Fehler führen. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist dieser Fehler jedoch gleich der Differenz (ß₃ - A) zweier nahezu gleicher Größen geteilt durch etwas mehr als das Produkt (A (/?₃ + 1)} der beiden Terme. Der zweite Term

kann durch den Abdruck l/A OS₅ + 1) angenähert werden. Dieser zweite Term ist normalerweise wesentlich kleiner als der erste Term und um den Faktor/? kleiner als beim Stand der Technik. Dieser Fehlerterm beruht auf dem Teil des Eingangsstromes I_1n der in die Basis des Transistors 5, nicht jedoch in den Kollektor des Transistors 3 fließt. Der resultierende Wert des statischen Fehlers ist also wesentlich kleiner als bei der bekann-

35 ten Schaltungsanordnung.

Der Kreuzmodulationsfehler

1 I_x

A OS₅ + 1) TT

ist um den Faktor (/J₅ + 1) kleiner als beim Stand der Technik. Der wesentlichste Fehler wird also erheblich herabgesetzt. Wie unten noch genauer erläutert wird, ist es im Falle daß I_x ein zeitlich veränderliches Signal ist und ebenfalls ein Eingangssignal sein kann, sehr wünschenswert, daß sich die Schwankungen dieses Signals nicht im Stromkreis des Eingangssignals I_1n auswirken, sonst muß nämlich das der Eingangsklemme 21 zugeführte Eingangssignal den an der Klemme 21 auftretenden Teil von I_x liefern, was einen Fehler verursacht. Wegen der Verringerung des Kreuzmodulationsterms ist es offensichtlich, daß die Basisströme der Transistoren 5 und 6 durch Änderungen der Stromquellensignale weniger beeinflußt werden als bei der bekannten Schaltungsanordnung. Fig. 3 zeigt eine Multiplizierschaltung, die Differenzverstärkerstufen gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung enthält. Die Schaltung enthält einen ersten Verstärker I mit Transistoren \A und IA in Diflerenzschaltung, die mit ihren Emittern zusammen an einen Transistor 30Λ, insbesondere dessen Kollektor, angeschlossen sind, der durch einen einer Klemme 3 zugeführten Strom I_bias so vorgespannt ist, daß ein konstanter Strom in die Emitter fließt. Die Basen der Transistoren 1A und 2 A sind mit den Basen von Transistoren 3 A bzw. 4 A verbunden. Die Emitter der Transistoren 3 A und 4 A sind zusammen an den Kollektor eines Transistors 36 A angeschlossen, der so vorgespannt ist, daß ein konstanter Strom in die Emitter fließt. Der Kollektor des Transistors 3 A ist mit der Basis eines Transistors 4 A und einer Eingangsklemme 2 verbunden, der ein Eingangsstromsignal I_x zugeführt wird. Die Kollektoren der Transistoren 4 A und 5 A und der Kollektor sowie die Basis eines Transistors 6 A sind mit einem Bezugspotential, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Masse, verbunden. Der Emitter des Transistors 5 A ist über zwei zur Spannungspegelverschiebung dienende in Flußrichtung vorgespannte Dioden D _{x A} und D _{x B} an die Basen der Transistoren 1A und 3 A angeschlossen. Der Emitter des Transistors 6 A ist in entsprechender Weise über Dioden D_{2 A} und D_{2 B} an die Basen der Transistoren 2 A und 4 A angeschlossen. Die beiden Dioden in den jeweiligen Emitterzweigen ergeben einen Spannungsabfall, der ausreicht, um einen Betrieb der Differenzverstärkertransistoren IA und IA im Sättigungsbereich zu verhindern.

Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnungen mit den Pegelverschiebungsdioden ist immer noch ähnlich der der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 2, die Potentiale an den Basen der Transistoren 1A und 3 A bzw. 2 A und 4 A liegen jedoch um drei Basis-Emitter-Spannungsabfälle (3 X V_BE) unter dem Potential an der Eingangsklemme 2 bzw. Masse. Hierdurch wird eine Sättigung der Transistoren 1A und 2 A verhindert, da ihr Kollektorpotential um zwei K_ß£-Spannungsabfälle unter Massepotential gehalten wird.
Der Kollektor des Transistors 1A ist mit einer zweiten Differenzverstärkerstufe 2 verbunden, während der KoI-

lektor des Transistors 2 A an eine dritte Verstärkerstufe III angeschlossen ist. Diese Verstärkerstufe ähneln der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2. Die Differenzverstärkerstufe II enthält Transistoren 15 und 25, deren Emitter zusammen an den Kollektor des Transistors 1A angeschlossen sind, während die Verstärkerstufe I Transistoren 1 C und 2 C enthält, die zusammen an dem Kollektor des Transistors 2 A angeschlossen sind. Die Basen der Transistoren 1B und 1 C sind zusammen an die Basis eines Transistors 3 B und den Emitter eines Transistors 5 B angeschlossen. Die Basis des Transistors 5 B ist mit dem Kollektor des Transistors 3 B an der Klemme 13 verbunden, der ein Stromsignal /, zugeführt wird. Die Basen der Transistoren 2 B und 2 C sind über Widerstände Λi4 bzw. /?,₆ mit der Basis des Transistors 4 B und dem Emitter des Transistors 6B verbunden. Der Kollektor des Transistors 4 B ist mit dem Kollektor und der Basis des Transistors 6B verbunden, die an Masse liegen. Die Emitter der Transistoren 3 B und 4 B sind zusammen an den Kollektor eines Transistors 365 angeschlossen, der in Flußrichtung vorgespannt ist und einen konstanten Strom an die Emitter liefert.

Die Kollektoren der Transistoren 2 B und 1 Csind zusammen an den Kollektor eines pnp-Transistors 40 und die Basis eines pnp-Transistors 41 angeschlossen, die einen Teil eines ersten Stromspiegels bilden. Der Emitter und die Basis eines Transistors 41A bzw. 40 A sind an die Kathode einer Diode 42 A angeschlossen. Der Emitter des Transistors 40 A und die Anode der Diode 42 Λ sind über Stromausgleichs-oder Symmetriewiderstände an eine + V Volt führende Klemme angeschlossen. Die Kollektoren der Transistoren 1B und IB sind zusammen an den Kollektor eines Transistors 40B und die Basis eines Transistors 4\B angeschlossen, die Teile eines zweiten Stromspiegels bilden. Die Basis des Transistors 405 ist zusammen mit dem Emitter des Transistors 41B an die Kathode einer Diode 42B angeschlossen. Der Emitter des Transistors 405 und die Anode der Diode 425 sind über Strombegrenzungswiderstände an die Klemme 12 angeschlossen. Man beachte, daß die in Fig. 3 dargestellten Dioden aus Transistoren bestehen, bei denen Basis- und Kollektor kurzgeschlossen sind.

Der Kollektor des Transistors 41A ist mit der Basis eines Transistors 50 verbunden, der einen Teil eines dritten Stromspiegels bildet. Die Kollektoren der Transistoren 41 und 50 sind zusammen an eine Ausgangsklemme 10 angeschlossen, an der das Produkt der Eingangssignale I_x und I_y verfügbar ist. Die Kollektor-Basis-Strecke eines Transistors 51 ist der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 50 parallelgeschaltet. Emitter und Basis der Transistören 50 bzw. 51 sind an die Anode eines als Diode geschalteten Transistors 52 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 51 und die Kathode der Diode 52 sowie die Emitter der Transistoren 30Λ, 36 A und 365 sind über .strombestimmende Widerstände mit einer Klemme 4 verbunden, an der eine Spannung von -KVoIt liegt.

Die Ruheströme für die Multiplizierschaltung werden durch einen Stromquellentransistor 64 und den die Transistoren 60, 61, 62 und 63 enthaltenden Stromspiegel geliefert. Der Transistor 64 ist in derselben Weise in Flußrichtung vorgespannt, wie die anderen Stromquellen (30 A, 36 A, 365) und sein Kollektor ist mit dem Kollektor des Transistors 60 sowie den Basen der Transistoren 61 und 62 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 61 und 62 sind mit den Basen der Transistoren 5 A bzw. 55 verbunden. Die Kollektorströme der Transistoren 61 und 62 bestimmen die Ruhestrombedingungen, wenn die Eingangssignale null sind. Die Emitter der Transistoren 61 und 62 sind über Stromausgangswiderstände mit der Basis des Transistors 16 und der Kathode des als Diode geschalteten Transistors 63 verbunden. Der Emitter des Transistors 60 und die Anode des Transistors 63 sind über strombestimmende Widerstände mit der Klemme 12 verbunden.

Eine Betrachtung der Arbeitsweise der Multiplizierschaltung gemäß F i g. 3 läßt die Vorteile erkennen, die sich durch die Verwendung von Schaltungsanordnungen höherer Genauigkeit ergeben.

Angenommen der Transistor 30 A erzeuge einen konstanten Strom I_i0A und im symmetrischen Zustand (I_x = 0)sei der Strom durch den Transistor 1A gleich dem Strom durch den Transistor 2 A und damit gleich I_30n. Nimmt man nun an, daß I_x zunimmt und den Kollektorstrom des Transistors 1A um einen bestimmten Betrag anwachsen läßt, während der Kollektorstrom des Transistors IA um denselben Betrag abnimmt. Die Änderung des Kollektorstroms ist, wie oben erläutert wurde, ungefähr gleich A I_x multipliziert mit dem Verhältnis von I_{30 A} zu /.κ, λ

I_x ■ /

ίο A

/.16 A

(wobei /,_6/ί der von der Konstantstromquelle 36 A gelieferte Strom ist). Als Folge davon ist der dem Verstärkern mit den Transistoren 1B und 25 zugeführte Emitterstrom größer als der vom Verstärker III mit den Transistoren I C und 2 C zugeführte Strom.

Es sei nun angenommen, daß der der Klemme 13 zugeführte Signalstrom I_y größer als 0 sei. Der Strom durch die Transistoren 15 und 1 Cnimmt dann zu, während die Ströme durch die Transistoren 25 und 2 Cabnehmen. Der Kollektorstrom des Transistors 15 wird mit dem Kollektorstrom des Transistors 25 zum Strom I_K , summiert und in entsprechender Weise wird der Kollektorstrom des Transistors 25 mit dem Kollektorstrom des Transistors 1 C zum Strom l_K1 summiert. Die Summierung der Ströme von den komplementären Seiten der Differenzverstärker gewährleistet, daß wenn I_x oder /, null sind, daß die Ausgangsströme gleich, die Differenz zwischen den beiden Strömen null und das an der Äusgangsklemme 10 der Multiplizierschaltung erzeugte Ausgangssignal ebenfalls null ist.

Wenn /jedoch größer als null ist, leitet die Differenzstufe mit den Transistoren 15 und 25 des Verstärkers II mehr Ruhestrom als die Differenzstufe mit den Transistoren 1 C und 2 C des Verstärkers 3, während der Basisstrom (in den Transistoren 35 und 45) für beide Verstärker II und III gleich ist. Als Folge davon wird die Signalverstärkung des Verstärkers II größer sein als die des Verstärkers III. Es resultiert ein Differenzstrom, der mit Hilfe der drei Stromspiegel einen Ausgangsstrom an der Klemme 10 erzeugt, der das Produkt von I_x und I_y ist.

Man beachte, daß das Signal I_x zuerst durch den Verstärker I verarbeitet wird und daß das Ausgangssignal des Verstärkers I zusammen mit dem Signal I_y durch die Verstärker II und III verarbeitet wird. Die Ausgangssignale der Verstärker II und III werden dann summiert und die Gleichstrom- oder Ruhekomponenten werden subtra-

hiert, bevor an der Ausgangsklemme 10 ein Nettoausgangssignal erzeugt wird.

Fehler, die bei der Verstärkung des Signales entstehen, werden also durch die Stufen multipliziert und wenn große Zahlen voneinander subtrahiert werden, nimmt die Fehlerwahrscheinlichkeit zu. Es ist daher von großem Vorteil, wenn man Stufen verwendet, bei denen die Fehler um eine Größenordnung oder mehr kleiner sind als 5 bisher.

Bei den dargestellten Ausfuhrungsbeispielen enthalten die Verstärker bipolare npn-Transistoren. Selbstverständlich könnte man auch pnp-Transistoren oder andere bekannte Typen von Transistoren verwenden.

Es war angenommen worden, daß die Stromquelle 36 A und 36 B konstant sei. Diese Stromquellen könnten mit dem Transistor 64 jedoch ebenfalls geändert werden, um das Multiplikatorverhältnis stetig oder digital zu ίο variieren.

Die dargestellten Verstärker sind Stufen mit unsymmetrischem Eingang, bei denen der einen Seite ein Stromsignal zugeführt wird, während die andere Seite an Masse liegt. Selbstverständlich kann die an Masse geschaltete Seite der dargestellten Verstärker auch statt an Masse an eine Spannungsquelle angeschlossen werden, die eine von Massepotential verschiedene, gegebenenfalls sogar zeitlich veränderliche Spannung liefert.

15

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Multiplizierschaltung zum Multiplizieren eines ersten Signals (I_y) mit einem zweiten Signal (/₍) mit einem ersten Multiplizier-Differenzverstärker (II), dem das erste Signal (I_y) zur Multiplikation zugeführt wird und der ein erstes Differenzsignalpaar (I_c j _B, I_c2B) erzeugt,

einem zweiten Multiplizier-Differenzverstärker (III), dem ebenfalls das erste Signal (I₃,) zugeführt wird und der ein zweites Differenzsignalpaar (I_{ci c}, I_C2c) erzeugt,

einer Ausgangsstufe (40,41,42,50,51,52), die zur Vervollständigung der Multiplikation das erste und zweite Differenzsignalpaar kombiniert und das Ausgangssignal (/„„,) liefert,

mit einer weiteren Differenzverstärkerschaltung, die einen ersten Transistor (IA) und einen zweiten Transistor (2A) umfaßt, die beide mit einer ersten Stromquelle (30A) für die Einspeisung eines Quellenstromes verbunden sind, und die jeweils eine Steuerelektrode aufweisen, um die Stromverteilung zwischen den Transistoren (IA, IA) in Abhängigkeit von einem Differenzsignal, das zwischen den Steuerelektroden angelegt wird, zu steuern,

mit einer Anordnung zur Steuerung des Stromflusses des ersten (IA) und des zweiten Transistors (2A), die einen dritten (3A) und einen vierten Transistor (4A), die ihre Emitter mit einer zweiten Stromquelle (36A) und ihre Basen mit jeweils der Steuerelektrode des ersten (IA) bzw. zweiten Transistors (2A) verbunden haben, umfaßt, wobei die auf den ersten (IA) und zweiten Transistor (2A) verteilten Ströme den Quellenstrom bilden, der dem ersten (II) bzw. dem zweiten Multiplizier-Differenzverstärker (III) zugeführt wird und das zwischen die Steuerelektroden des ersten (1 A) und des zweiten Transistors (2A) angelegte Differenzsignal das zweite Signal (I_x) darstellt, mit dem multipliziert werden soll,
gekennzeichnet durch

einen fünften Transistor (SA), dessen Basis gemeinsam mit dem Kollektor des dritten Transistors (3 A) mit einer ersten Eingangsklemme (2) verbunden ist und dessen Emitter mit der Basis des dritten Transistors (3 A) und mit der Steuerelektrode des ersten Transistors (1 A) verbunden ist,

und durch einen sechsten Transistor (6 A), dessen Basis gemeinsam mit dem Kollektor des vierten Transistors (4 A) mit einer zweiten Eingangsklemme (Masse) verbunden ist und dessen Emitter mit der Basis des vierten Transistors (4A) und mit der Steuerelektrode des zweiten Transistors (2A) verbunden ist, wobei der Kollektor des fünften (5A) und des sechsten Transistors (6 A) jeweils mit einer Versorgungsspannung verbunden ist.

2. Multiplizierschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,