Ячейка Гилберта

Тип электронного смесителя частот

В электронике ячейка Гилберта — это тип частотного смесителя . Он вырабатывает выходные сигналы, пропорциональные произведению двух входных сигналов. Такие схемы широко используются для преобразования частоты в радиосистемах . ^[1] Преимущество этой схемы в том, что выходной ток является точным умножением (дифференциальных) базовых токов обоих входов. Как смеситель, его сбалансированная работа отменяет многие нежелательные продукты смешивания , что приводит к «более чистому» выходу.

Это обобщенный случай ранней схемы, впервые использованной Говардом Джонсом в 1963 году, ^[2] изобретенной независимо и значительно расширенной Барри Гилбертом в 1967 году. ^[3] Это конкретный пример «транслинейного» дизайна, подхода к аналоговому проектированию схем с использованием тока . Специфическое свойство этой ячейки заключается в том, что дифференциальный выходной ток является точным алгебраическим произведением его двух дифференциальных аналоговых токовых входов.

Функция


Говард Джонс, 1963	Гилберт, 1968 (бета-независимый)	Гилберт, позже (бета-зависимый)

В этой топологии между ячейкой Джонса и транслинейным умножителем мало различий. В обеих формах два каскада дифференциального усилителя образованы парами транзисторов с эмиттерной связью (Q1/Q4, Q3/Q5), выходы которых соединены (токи суммируются) с противоположными фазами. Эмиттерные переходы этих каскадов усилителя питаются от коллекторов третьей дифференциальной пары (Q2/Q6). Выходные токи Q2/Q6 становятся эмиттерными токами для дифференциальных усилителей. Упрощенно, выходной ток отдельного транзистора определяется как i _c = g _m v _be . Его крутизна g _m составляет (при T = 300 K ) около g _m = 40 I _C . Объединение этих уравнений дает i _c = 40 I _C v _be,lo . Однако I _C здесь определяется как v _be,rf g _m,rf . Следовательно i _c = 40 v _be,lo v _be,rf g _m,rf , что является произведением v _be,lo и v _be,rf . Объединение двух различных выходных токов каскадов дает четырехквадрантную работу.

Топологию Джонса можно обобщить, «наложив» друг на друга любое количество пар дифференциальных пар (два дифференциальных входа и два дифференциальных выхода которых также соединены в противофазе и синфазно соответственно) поверх обычной ячейки Джонса, что приведет к схеме, которая сохранит сбалансированную природу работы ячейки Джонса. В частности, дифференциальный выходной ток теперь будет пропорционален произведению произвольного количества дифференциальных входов (или некоторой транслинейной функции от него). ^[4] Однако полезность этого обобщения в практических настройках микроэлектроники ограничена из-за большого запаса по напряжению, необходимого для удержания всех транзисторов в надлежащей (прямолинейной) области работы .

Однако в ячейках, позже изобретенных Гилбертом, показанных на рисунке справа, есть два дополнительных транзистора, соединенных диодами (обозначенных как V1 и V2). Это принципиальное отличие, поскольку они генерируют логарифм связанного дифференциального (X) входного тока, так что экспоненциальные характеристики следующих транзисторов приводят к идеальному умножению этих входных токов с оставшейся парой (Y) токов. Эта дополнительная топология диодной ячейки обычно используется, когда требуется усилитель с низким искажением, управляемый напряжением (VCA). Эта топология редко используется в приложениях с радиочастотными смесителями/модуляторами по разным причинам, одна из которых заключается в том, что преимущество линейности верхнего линеаризованного каскода минимально из-за сигналов возбуждения, близких к прямоугольным волнам, на этих базах. Возбуждение с меньшей вероятностью будет прямоугольным сигналом с быстрым фронтом на очень высоких частотах, когда может быть некоторое преимущество в линеаризации.

В настоящее время функционально схожие схемы можно построить с использованием ячеек КМОП или БиКМОП.

Смотрите также

NE612 , генератор и микшер.

Ссылки

^ Аллен А. Свит, «Проектирование биполярных транзисторных радиочастотных интегральных схем», Artech House, 2007, ISBN 1596931280 стр. 205
^ Джонс, Говард Э., «Двойной выходной синхронный детектор с использованием транзисторных дифференциальных усилителей». Архивировано 11 марта 2018 г. на Wayback Machine , патент США 3,241,078A (подано: 18 июня 1963 г.; выдано: 15 марта 1966 г.)
^ Гилберт, Б. (декабрь 1968 г.). «Прецизионный четырехквадрантный умножитель с субнаносекундным откликом» (PDF) . IEEE Journal of Solid-State Circuits . SC-3 (4): 353– 365. doi :10.1109/JSSC.1968.1049924. S2CID 6584426. Архивировано из оригинала (PDF) 2020-02-18.
^ Хонг, Брайан; Хаджимири, Али (август 2016 г.). «Анализ сбалансированного аналогового умножителя для произвольного числа знаковых входов» (PDF) . Международный журнал теории цепей и приложений . 45 (4): 483– 501. doi :10.1002/cta.2243. S2CID 3621769.

Эта статья по электронике — заглушка . Вы можете помочь Википедии, расширив ее.

[1] Аллен А. Свит, «Проектирование биполярных транзисторных радиочастотных интегральных схем», Artech House, 2007, ISBN 1596931280 стр. 205

[2] Джонс, Говард Э., «Двойной выходной синхронный детектор с использованием транзисторных дифференциальных усилителей». Архивировано 11 марта 2018 г. на Wayback Machine , патент США 3,241,078A (подано: 18 июня 1963 г.; выдано: 15 марта 1966 г.)

[3] Гилберт, Б. (декабрь 1968 г.). «Прецизионный четырехквадрантный умножитель с субнаносекундным откликом» (PDF) . IEEE Journal of Solid-State Circuits . SC-3 (4): 353– 365. doi :10.1109/JSSC.1968.1049924. S2CID 6584426. Архивировано из оригинала (PDF) 2020-02-18.

[4] Хонг, Брайан; Хаджимири, Али (август 2016 г.). «Анализ сбалансированного аналогового умножителя для произвольного числа знаковых входов» (PDF) . Международный журнал теории цепей и приложений . 45 (4): 483– 501. doi :10.1002/cta.2243. S2CID 3621769.