Русская Википедия:Ячейка Гилберта
Яче́йка Ги́лберта (Шаблон:Lang-en) в электронике — схема четырёхквадрантного аналогового умножителя, предложенная Барри Гилбертом в 1968 году. Она представляет собой ядро умножителя на трёх дифференциальных каскадах, дополненное диодными преобразователями входных напряжений в токи (V1, V2 на схемах). Ячейка Гилберта, в модифицированной бета-зависимой форме, выполняет функцию смесителя или балансного модулятора в большинстве современных радиоприёмников и сотовых телефоновШаблон:Sfn.
В отличие от предшествовавших схем умножителей, оперировавших напряжениями, элементарная ячейка Гилберта оперирует исключительно токами — множители на входе задаются не напряжениями, а токами, их произведение считывается также в форме тока. В схеме Гилберта были впервые скомпенсированы температурный дрейф и нелинейность традиционных умножителей; уже в 1968 первые промышленные образцы демонстрировали полную погрешность умножения менее 1 % при рабочих частотах до 500 МГц[1]. Первые прецизионные умножители на ячейке Гилберта c управлением напряжениями (AD534) имели точность 0,1 % ценой уменьшения полосы до 1 МГцШаблон:Sfn.
В советской литературе умножители по схеме Гилберта именовались умножители с нормировкой токовШаблон:Sfn, умножители на управляемых током делителях токаШаблон:Sfn; первая советская микросхема такого рода, 525ПС1, была анонсирована в 1979 году[2]Шаблон:Sfn. В современных англоязычных учебниках понятие ячейки Гилберта трактуется расширительно и ошибочно переносится на известное «до Гилберта» ядро умножителя на трёх дифкаскадахШаблон:Sfn.
История изобретения
| Умножитель напряжений на трёх дифференциальных каскадах (Говард Джонс, 1963). На базы верхних дифкаскадов подаётся модулирумое напряжение, на базы нижнего дифкаскада — модулирующее |
Упрощённая схема бета-независимой ячейки Гилберта. Первоначальный, более совершенный вариант схемы, который, однако, не стал массовым |
Упрощённая схема бета-зависимой ячейки Гилберта. Несмотря на техническое несовершенство (зависимость от коэффициента усиления по току), благодаря технологичности и простоте использования именно эта версия пошла в массовое производство |
В 1960-х годах начался переход от схем на дискретных транзисторах к монолитным интегральным схемам (ИС). Интеграция всех компонентов схемы на одном кристалле позволила реализовать на практике схемы, которые были неработоспособны в дискретном исполнении — в том числе, схему четырёхквадрантного умножителя на трёх дифференциальных каскадах с перекрёстными выходами. Её изобрёл в 1963 году Говард Джонс из компании Honeywell (патент США 3241078)Шаблон:Sfn. Такие схемы выпускались серийно (например, 526ПС1Шаблон:Sfn), но не подходили для массового применения. Из-за малого допустимого уровня входных напряжений, сопоставимого с напряжением смещения нуля ОУШаблон:Sfn, она была чувствительна к температурному дрейфу, требовала точной подстройки нуля, и обладала высоким уровнем шумаШаблон:Sfn. Коэффициент перемножения был пропорционален квадрату абсолютной температурыШаблон:Sfn. В 1968 году техник Tektronix Барри Гилберт предложил решение — переход от управления напряжениями к управлению токами:
Шаблон:Начало цитаты Проблемы этого типа умножителя могут быть в основном решены применением диодных преобразователей входных напряжений — в токи. Схема, полностью управляемую токами, становится линейной (по крайней мере, теоретически), и практически независимой от влияния температуры. Шаблон:Oq Шаблон:Конец цитаты
Гилберт показал, что, хотя его схема оставалась чувствительной к разбалансу параметров отдельных транзисторов, её поведение мало зависело от типового коэффициента усиления транзисторов и омического сопротивления их pn-переходов, заданных производственным процессомШаблон:Sfn. В этом смысле первая схема ячейки Гилберта была бета-независимойШаблон:Sfn: искажения, вносимые входными диодами (V1 и V2 на схеме), компенсировали искажения, вносимые транзисторами дифференциальных каскадов[3].
На практике, удачная с точки зрения искажений ориентация V1 и V2 оказаласть неудобной и в производстве, в практическом примененииШаблон:Sfn. Поэтому во второй версии своего умножителя Гилберт перенёс V1 и V2 «вверх» (к положительной шине питания) — это упростило и топологию ИС, и её привязку к реальной аппаратуре, так как теперь оба входных канала управлялись токами одного направленияШаблон:Sfn. При этом выросли шумы, искажения и температурный дрейф параметров, а зависимость от коэффициента усиления по току выросла втрое (схема стала бета-зависимой)Шаблон:Sfn. Именно эта схема была запатентована Гилбертом и Tektronix в 1972 году (заявка с приоритетом от 13 апреля 1970)[4] и именно на её основе были спроектированы практически все серийные перемножители (в том числе массовая Motorola MC1495[5] и её советский аналог 525ПС1Шаблон:Sfn) — функциональность оказалась важнееШаблон:Sfn. Будучи функционально простыми, незавершёнными узлами, эти ИС имели тридцать и более внутренних компонентов — так, в MC1495 шестнадцать активных транзисторов, четыре транзистора в диодном включении (в том числе V1, V2) и десять резисторов двух номиналов[5].
Токовое управление являлось большим неудобствомШаблон:Sfn, и поэтому были выпущены более сложные ИС с управлением напряжениями и стабилизацией входных каскадов (525ПС2 — 27 активных транзисторов, 34 резистораШаблон:Sfn). Развитием схемы Гилберта стал универсальный аналоговый перемножитель (УАПС, пример — AD633[6]), в котором в цепь обратной связи по выходному сигналу был добавлен четвёртый, так называемый Z-дифкаскад, компенсирующий нелинейность базовой ячейки.Шаблон:Sfn.
Сосредоточившись на анализе свойств замкнутых контуров, образованных эмиттерными переходами V1, V2 и дифференциальных каскадов, Гилберт пришёл к концепции транслинейной схемотехники и вывел принцип транслинейности (впервые опубликован в 1975Шаблон:Sfn)Шаблон:Sfn.
Большинство современных англоязычных учебных пособий по схемотехнике (например, DrenteaШаблон:Sfn, RazaviШаблон:Sfn) называют «ячейкой Гилберта» не изобретение Гилберта, а предшествовавший ему умножитель Говарда Джонса, управляемый не токами, а напряжениямиШаблон:Sfn. Сам Гилберт неоднократно указывал на ошибочность этого мнения, но многолетнее заблуждение оказалось сильнееШаблон:Sfn.
Примечания
Литература
на русском языке
на английском языке
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Статья
- Репринт: Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Книга
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ См. анализ схемы в: Тимонтеев и др., с. 27-32.
- ↑ Патент США 3689752 от 5 сентября 1972, стр. 2, рис. 9.
- ↑ 5,0 5,1 Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ См. также Шаблон:Книга
