TWI249284B - Linear multiplier circuit - Google Patents

Description

1249284 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於-種乘法器電路，特別是有關於一種線性 乘法器，其輸人信號與輪出信號具有較佳的線性關係。 【先前技術】 類比乘法器根據兩個類比輸入信號的大小，產生一與輸入 信號呈比例關係的輸出信號。類比乘法器所接收的輸入信號一 般係為電壓#唬，因此，類比乘法被稱為電壓模式類比乘法 器。類比乘法器可被組成㊆t限或是四象限的電路。由類比乘 法器所產生的輸出信號可能會被類比-數位轉換器（a/d converter)轉換成數位格式。 類比乘法器可應用於許多不同裝置中，例如，調幅器、相 位比較器、適應性濾波器（adaptivefilter)、類比_數位轉換器、 以及正弦/餘弦合成器（sine/c〇sine synthesizers)。類比乘法器被 使用在精細的乏晰邏輯控制器（fuzzy 1〇gic c〇ntr〇ller)以及人工 類神經網路（artificial neural network)。另外，在其它的應用上， 也需要利用乘法器以提供雙輸入的線性乘積。在數位的領域 中，雙輸入的線性乘積是容易完成的。然而類比乘法器電路並 沒有較佳的線性特性。要改善類比乘法器電路的線性特性是困 難的，尤其是由CMOS技術所完成的固態乘法器。改善類比乘 法器電路的的成本大於類比/數位轉換器（A/D c〇nverter)及數位 /類比轉換器（D/A converter)的製造成本，並且需佔用相當大的 晶片面積，以及造成電源的損耗。 【發明内容】 有鑑於此，本發明提供一種線性乘法器電路，在其輸入及 輸出信號間，具有比習知乘法器電路更佳的線性特性。 1249284 本發明提供一種線性乘法器電路，分別由其輸入端接收第 一及第二輸入信號，然後在輸出端產生一與第一及第二輸入信 號呈比例關係的輸出電流。本發明之線性乘法器電路具有一第 〜弟四電晶體’所有電晶體均具有沒極、源極、閘極、以及 大體上相同的臨界電壓。固定電晶體的汲極與源極間的電壓， 使得第一〜第四電晶體均操作於飽和模式（saturation m〇de)。第 一及第二電晶體的源極以及第三及第四電晶體的汲極均耦接 在起在此實施例中，第一電晶體的閘極對源極的電壓係為 第一、第二輸入信號、額外加入的輸入信號與第一電晶體的臨 界電壓的總和；第二電晶體的閘極對源極的電壓係為額外加入 的輸入彳曰號與第二電晶體的臨界電壓的總和；第三電晶體的閘 極對源極的電壓係為第一輸入信號、額外加入的輸入信號與第 三電晶體的臨界電壓的總和；第四電晶體的閘極對源極的電壓 係為第二輸入信號、額外加入的輸入信號與第四電晶體的臨界 電壓的總和。在本實施例中，額外加入的輸入信號以係用以消 除非線性現象發生在乘法器電路中。 上述之線性乘法器電路更包括，一操作放大器以及一電 阻。操作放大器具有第一、第二輸入端以及輸出端，其第一輸 入端用以接收第一電壓位準。電阻耦接於操作放大器的第二輸 入端與輸出端之間。第一電晶體的汲極接收第二電壓位準，其 源極耦接操作放大器的第二輸入端。第一電晶體的閘極接收第 一、第二輸入信號、額外加入的輸入信號、與第一補償電壓的 總和。第二電晶體的汲極接收第二電壓位準，其源極耦接操作 放大器的第一輸入端，其閘極接收額外加入的輸入信號、與第 補彳貝電壓的總和。第三電晶體的汲極耦接操作放大器的第二 輸入端，其源極接地，其閘極接收第一輸入信號、額外加入的 輸入信號、與第二補償電壓的總和。第四電晶體的汲極耦接操 1249284 作放大器的第二輸入端，其源極接地，其閉 號、額外加入的輸入信號、與第二補償電㈣總和 在本實施例中，第一補償電麼約等於第一電愿位 曰 體的臨界電壓的總和，而楚— /、曰曰 段.甘士 f 補償電㈣等於電晶體的臨界電 壓，其中，第一電壓位準約等於第二電壓位準的一半。 固定電晶體的汲極與源極間的電屢時，便可消除非線性的 現象，並且改善乘法器電路的線性特性。 *為讓本毛明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易 懂’下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如 下： 【實施方式】 如第1圖所示，線性乘法器電路i包括，操作放大器u、 電阻12、以及電晶體131〜134。電晶體131〜134具有大致相同 的臨界電壓。操作放大器，U具第一輸入端lu、第二輸入端 112、以及輸出端113。第一輸入端lu接收第一電壓位準 VDD/2。電阻12耦接於操作放大器u的第二輸入端112、以 及輸出端113之間。電晶體131之汲極接收第二電壓位準 VDD，其源極耦接操作放大器11的第二輸入端112，其閘極接 收輸入k號A、B、額外加入的輸入信號c、與第一補償電壓的 總和。電晶體132汲極接收第二電壓位準VDD，其源極耦接操 作放大器11的第一輸入端112 ’其閘極接收額外加入的輸入信 號C與第一補償電壓的總和。電晶體丨33汲極耦接操作放大器 11的第二輸入端112，其源極耦接至地GND，其閘極接收輸入 信號A、額外加入的輸入信號c、與第二補償電壓的總和。電 晶體134沒極耦接操作放大器11的第二輸入端112,其源極耦 接至地GND ’其閘極接收輸入信號b、額外加入的輸入信號c、 與第二補償電壓的總和。電晶體131及132的源極及電晶體133 1249284 及134的汲極透過節點D，均耦接至操作放大器u的第二輸入 端U2。在此實施例中，電曰曰曰體131〜134均操作於飽和模 額外加入的輸人信號C用以消除習知乘法器電路的非線性現象 的缺點。以下將詳細說明非線性現象消除的方法。 不 線性乘法器電路1接收輸入信號A及B，並產生電流ι〇， 其中’電流1〇與在節點D的輸入信號八及B呈比例關係。當 電晶體操作於飽和模式時，4 了改善電流由汲極到源極的平: 定律（square rule)的非線性特性，透過操作放大器u，將節點d 的電壓位準被固定在VDD/2(亦即約等於第二電壓位準的一 半），如此，便可使得電晶體131、132的源極、以及電晶體133、 134的汲極電壓固定。此外，每一電晶體131〜134的閘極電壓 均包括一補償電壓，其中，運用於電晶體131、132的第一補 償電壓約等於VDD/2與電晶體本身的臨界電壓％的總和，而 運用在電晶體133、134的第二補償電壓約等於電晶體本身的 臨界電壓vT。透過補償電壓，可保證電晶體131〜134操作於飽 和模式下。因此，電晶體131的閘極電壓位準為信號a、b'、c 與第一補償電壓的總和；電晶體132的閘極電壓位準為信號C 一第補彳員電壓的總和；電晶體133的閘極電壓位準為信號 C與第一補侦電壓的總和，電晶體134的閘極電壓位準為 信號B、C與第二補償電壓的總和。應用於電晶體i3i、丨32的 蜀極的第一補仏電壓係用以消除電晶體閘極與源極間的電壓 位準VDD/2，並可確保電晶體操作於飽和模式。另外，由於外 加^旒C後可能會在電晶體中引起大電流，而可能會損壞電晶 體131，並降低本身的壽命，因此，在實際應用中需適當的設 叶額外加入的輸入信號C的電壓位準。 流經電晶體131〜134的電流II〜14如第1圖所示。當電晶 體在飽和模式時，根據電流由汲極流至源極的平方定律，流經 1249284 電晶體的電流如下式所示： iDS=K.(vGS_vT)2_(m.vDS)..................⑴ 其中，參數K及λ為固定的參數，因此，電流II〜14如下 所示：

Il=(A2+B2+C2+2AB+2BC+2AC).K_(m.VDD/2)......(2) I2=C2K(l+XVDD/2)..........................................(3) I3=(A2+C2+2AC)-K-(l+X-VDD/2)...........................(4) I4=(B2+C2+2BC)K.(l+X.VDD/2)...........................(5) 電流I〇如下所不· Ι〇=Ι1+Ι2-Ι3-Ι4=2ΑΒ·Κ·(1+λ·ΥΟϋ/2)......................⑹ 電流1〇與輸入信號A、Β呈比例關係，另外，操作放大器 11的輸出端113所輸出的電壓V〇如下所示： V0=I〇.R+VDD/2=2ABK(l+XVDD/2)R+ VDD/2....(7) 其中，R為電阻12的阻抗，如此，輸出電壓V〇與輸入信 號A、B之間的線性關係便可被定義出來。只要消除相關的參 數K、VDD/2、λ(如第7式所示），便可輕易地得到輸入信號a、 B的電壓乘積。當然，亦可直接得到節點D的電流1〇(如第6 式所示）。熟習本領域之技術人士可根據上述的乘法器電路，選 擇導出其它的信號。 最後’本發明提供線性特性較佳的乘法器電路。藉由固定 沒極與源極間的電壓，以及將電晶體操作在飽和模式，便可消 除當電流由汲極流向源極時，沒極與源極間的電壓所產生的非 線性現象。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明， 任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作些許^更動 與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 1249284 【圖式簡單說明】 第1圖本發明之線性乘法器電路之示意圖。 【主要元件符號說明】 I :線性乘法器電路； II :操作放大器；12 :電阻； 111、112 :輸入端；113 :輸出端； 131〜134 :電晶體。

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Claims (1)

1. ；|1| 修正本 •sL£3MI£2I—J 94 年 8 月 12 日 十、申請專利範圍： _ 1一種線丨生乘法器電路，接收一第一輸入信號以及一第二 輪入：號’並具有-輪出端，用以產生一電流，該電流與該第 -及第二輸入信號的乘積呈比例關係，該線性乘法器電路 括： 源極、以及一閘極； 源極、以及一閘極； 源極、以及一閘極；以及 源極、以及一閘極； 第一電晶體，具有一汲極 第二電晶體，具有一汲極 第三電晶體，具有一汲極 第四電晶體，具有一汲極 斤一中該第一、第二、第三、以及第四電晶體具有大致才 等的臨界電壓，並且㈣該第_、第二、第三、以及第四電』 體的、，與咖曰，的電壓，以及閘極與源極間的電壓，使該， ，一、第二、以及第四電晶體均操作於一飽和模式；該^ :與f二電晶體的源極耦接該第三與第四電晶體的汲極；該复 -電晶體的閘極與源極間的電壓等於該第_輸人信號、該第： 2入乜號 額外的輸入信號、與該第一電晶體的臨界電壓白, 〜和，忒第二電晶體的閘極與源極間的電壓等於該額外的輸^ 信號、與該第二電晶體的臨界電壓的總和；該第三電晶體的馬 ，與，極間的電壓等於該第—輸人信號、該額外的輸入信號 與該第三電晶體的臨界電壓的總和；該第四電晶體的閘極與渴 極間的電;1等於該第二輸人信號、該額外的輸人信號、與該第 四電晶體的臨界電壓的總和。 2.如申睛專利範圍第1項所述之線性乘法器電路，更包 =一操作放大器，具有-第-、第二輸人端以及—輸出端， μf一輪入端耦接該線性乘法器電路之輸出端，該操作放大器 之第一輸入端接收一第一電壓位準用以固定該第一、第二電2 體的源極電壓、以及第三、第四電晶體的汲極電壓。一曰曰 0608-7685TWF1 12 3.如申請專利範圍第2項所述之線性乘法器電路，更包 括，一電阻，耦接於該操作放大器的第二輸入端與輸出端之間。 上〜4·如申睛專利範圍第2項所述之線性乘法器電路，其中， 邊第一及第二電晶體的汲極耦接一第二電壓位準，該第三及第 四黾晶體的源極|馬接一參考電屢位準。 …5·如申請專利範圍第4項所述之線性乘法器電路，其中， 该第一電壓位準約為該第二電壓位準的一半 —^-種線性乘法器電路，用以接收—第—輸人信號以及一 :一輪入信號，以及在該線性乘法器電路的一輸出端產生一電 机’自亥電流與該第一及第_輪卢 性乘法器電路，包括：乘積王比例關係，該線 竽第―：作，大器，具有一第一、第二輸入端以及-輸出端， 该弟一輸入端用以接收一第一電壓位準； 接$ = 2晶體，其祕接收收—第二M位準，其源« ==器之第二輸入端，其間極接收該第—輸入信號、 --額外的輸入信號與—第—補償電壓之總和，· 該摔作㈣’其祕純該第二電難準，錢極減 一第三電晶體，其汲極耦接該操 其源極柄接-參考電壓位準，其閘極接收該； 額外㈣入信號與—第二補償電壓之總^弟一輸入^虎、该 —弟四電晶體’其沒極純該操作放大器 八及極接收該參考電壓位準，其ί 額外的輸入信號與該第二補償電壓之總和:弟―輸入^、该 如申請專利範圍第6項所述之線性乘法器電路，其中， 0608-7685TWF1 13 :换i丨 辦僅: 於〜一 .-一—uvnri 該第-電壓位準約為Μ二電餘準的一半。 ，第？二請專I範圍第6項所述之線性乘法器電路，其中 二、.片一、第二與第四電晶體具有相同的一臨界雷厭二’ 第約為該第-電屋位準與該臨界電麼的總和二:ί 一補彳員電壓約為該臨界電遷。 5亥弟 9·如申請專利職第6項所叙線性乘^電路 :電阻’麵接於該操作放大器的該第二輸入端及該輪::: 10·—種控制方法，用以在一乘法器電路中，產生一第— 第二輸入信號的一乘積，包括下列步驟·· 及 利用該第一及第二輸入信號以及一額外的輪入信號， 一第一電流； D〜，屋生 利用該額外的輸入信號，產生一第二電流； 利用該第一輸入信號以及該額外的輸入信號，產生一第一 電流， 利用該第二輸入信號以及該額外的輸入信號，產生一第四 電流；以及 利用該第一、第二、第三以及第四電流，產生一與該乘積 呈比例關係的電流。 11.如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中產生與 該乘積呈比例關係的電流的步驟，包括下列步驟： 定義一第一電流和，该苐一電流和為該弟一電流與該第二 電流的總和， 定義一第二電流和’該第二電流和為該第三電流與該第四 電流的總和， 0608-7685TWF1 14 Μ瓣綱(細鞠 、疋義一電流差，該電流差為該第一電流和與該第二電流、和· 之差，其中，該電流差與該乘積呈比例關係。 、、的12.如申請專利範圍第1〇項所述之控制方法，其中，該乘 · j W電路具有複數電晶體，當該等電晶體的汲極與源極間的電 · 壓被固定時，該乘法器電路操作於一飽和模式。 σ I3.如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中該乘法 器電路，包括： 第電晶體，具有一汲極、一源極、以及一閘極； 第一電晶體，具有一汲極、一源極、以及一閘極； 一，二電晶體，具有一汲極、一源極、以及一閘極；以及 第四電晶體，具有一汲極、一源極、以及一閘極； #其中，該第一、第二、第三、以及第四電晶體具有大致相 :的^界電壓’並且固定該第一、第二、第三、以及第四電晶 二，及=與源極間的電壓，以及閘極與源極間的電壓；該第一 亡:包日日體的源極耦接該第三與第四電晶體的汲極；該第一 電:體的閘極與源極間的電壓等於該第一輸入信號、該第二輸 二仏唬^ =額外的輸入信號、與該第一電晶體的臨界電壓的總 1 ^第一電晶體的閘極與源極間的電壓等於該額外的輸入信 ® 口、"、h第一電晶體的臨界電壓的總和；該第三電晶體的閘極 :、原極間的電壓等於該第—輸人信號、該額外的輸人信號、與 該第三電晶體的臨界電壓的總和；該第四電晶體的閘極與源極 ^勺電[等於5亥第二輸入信號、該額外的輸入信號、與該第四 電晶體的臨界電壓的總和。 _ ^如申明專利範圍第1 0項所述之控制方法，其中該乘法 Hi ’·更包括：—操作放大器，具有-第-、第二輸入端、 、 輸出端，该第二輸入端耦接該輸出端，該第一輸入端接 0608-7685TWF1 15 收一第一電壓位準，用以固定該第一、第二電晶體的源極·電 壓、以及第三、第四電晶體的汲極電壓。 15.如申請專利範圍第14項所述之控制方法，其中該乘法 器電路，更包括：一電阻，耦接於該操作放大器的第二輸入及 輸出端之間。

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