CN102236769A - 乘除法器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种乘除法器及方法，用来将输入电流乘以第一输入电压除以第二输入电压而产生输出电压，使其满足无需使用BJT、弹性大且电路简单。该乘除法器包括锯齿波产生器根据该第二输入电压产生锯齿波信号，以及比较器比较该锯齿波信号及第一输入电压产生比较信号，该比较信号控制该输入电流对电容充电而产生与该输出电压具有比例关系的电容电压。该方法包括：根据该第二输入电压产生周期反比于该第二输入电压的锯齿波信号；比较该锯齿波信号及该第一输入电压而产生比较信号；根据该比较信号使该输入电流对第一电容充电而产生与该输出电压具有比例关系的电容电压；以及根据清除信号控制该第一电容放电。

Description

乘除法器及其方法

技术领域

本发明涉及一种乘除法器及其方法。

背景技术

传统的乘除法器由双极性接面晶体管(Bipolar Junction Transistor；BJT)组成，因此有许多来自BJT导致的缺点。例如，BJT具有高温度系数，所以其组成的乘除法器的输出也受温度的影响；BJT具有高增益，所以其组成的乘除法器的输入信号的微小失真都可能对乘除法器的输出造成影响，因而该乘除法器的抗噪声能力较差；BJT的线性操作范围较窄，因而限制了其组成的乘除法器的输入信号的范围。

美国专利号6,812,769提出一种无需使用BJT的乘除法器，虽然消除了BJT导致的缺点，但是需要较复杂的电路，而且其锯齿波信号的周期是固定的，锯齿波信号的最大值正比于除数输入信号，还需要脉波产生器提供额外的脉冲信号给锯齿波产生器。这样的电路在应用上比较缺乏弹性、尺寸较大、成本较高。

发明内容

本发明的主要目的之在于提供一种无需使用BJT、弹性大且电路简单的乘除法器及其方法。

根据本发明，一种用以将输入电流乘以第一输入电压除以第二输入电压而产生输出电压的乘除法器，包括锯齿波产生器提供周期反比于该第二输入电压的锯齿波信号，比较器比较该锯齿波信号及该第一输入电压而产生比较信号，第一开关受该比较信号控制使该输入电流对电容充电而产生与该输出电压具有比例关系的电容电压，以及第二开关受清除信号控制而使该电容放电。

根据本发明，一种用以将输入电流乘以第一输入电压除以第二输入电压而产生输出电压的方法，包括产生周期反比于该第二输入电压的锯齿波信号，比较该锯齿波信号及该第一输入电压而产生比较信号，根据该比较信号使该输入电流对电容充电而产生与该输出电压具有比例关系的电容电压，以及根据清除信号控制该电容放电。

本发明的乘除法器无需使用BJT，因此不但有利于CMOS电路，也具有较佳的线性度及对抗噪声能力，而且不易受到温度的影响。

附图说明

图1是根据本发明的乘除法器；

图2是图1中的锯齿波产生器的实施例；

图3是图2中的电流源的实施例；

图4是图1中的脉波产生器的实施例；以及

图5是图1的波形图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细描述。

如图1所示，根据本发明的乘除法器10用以从输入电流IA以及输入电压VB及VC产生输出电压

VOUT＝k(IA×VB÷VC)，                    [公式1]

其中k为比例系数。在乘除法器10中，锯齿波产生器12根据输入电压VC产生锯齿波信号Vsaw，比较器14比较输入电压VB及锯齿波信号Vsaw产生比较信号Sc，脉波产生器16根据比较信号Sc产生清除信号CLR及取样信号SMP，开关SW1连接在输入端IA及电容C2之间，受控于比较信号Sc，开关SW2与电容C2并联，受控于清除信号CLR，取样及维持电路18根据取样信号SMP对电容C2的电压VM取样产生输出电压VOUT。在取样及维持电路18中，运算放大器20接成电压追随器，运算放大器20的正输入端连接电容C2，开关SW3连接在运算放大器20的输出端及电容C1之间，受控于取样信号SMP。

与美国专利号6,812,769相比，锯齿波产生器12不需要额外的脉冲信号控制，因此电路较简单，输入端也较少；脉波产生器16利用控制电容C2充电时间的比较信号Sc来产生清除信号CLR及取样信号SMP，直接获知电容C2充电结束的时间，因此只需要简单的逻辑电路，而且脉波产生器16无需提供脉冲信号给锯齿波产生器12，因此电路较简单，输出端也较少；控制开关SW1的信号Sc由锯齿波信号Vsaw决定，与脉波产生器16无关，因此电路较简单。

锯齿波产生器12的动作原理如同振荡器电路。图2是锯齿波产生器12的实施例，其中电流源22根据输入电压VC产生充电电流Iosc，开关SW4连接在电流源22及电容Cosc之间，开关SW5与电容Cosc并联，充电信号S2及放电信号S3分别控制开关SW4及SW5以控制电容Cosc的充放电，比较器24比较电容Cosc的电压Vsaw及参考值VTH而产生比较信号S1，反相器26反相比较信号S1产生放电信号S3，反相器28反相放电信号S3产生充电信号S2，从电容Cosc取出的电压Vsaw即为锯齿波信号。图3是电流源22的实施例，其中运算放大器30、晶体管M1及电阻Rosc组成电压电流转换器31，将输入电压VC转换成电流

Ic＝VC/Rosc，                    [公式2]

电流镜32镜射电流Ic产生电流Iosc。

图4是脉波产生器16的实施例，其包括多个串联的反相器34～46以及两与门48及50，比较信号Sc经反相器34～46延迟及反相后产生信号VR、VRB、S4及S5，与门48根据信号VR及S4产生取样信号SMP，与门50根据信号VRB及S5产生清除信号CLR。

图5是图1的波形图，其中波形52为图2中的参考值VTH，波形54为锯齿波信号Vsaw，波形56为输入电压VB。参照图1及图5，在时间t1至t2期间，锯齿波信号Vsaw低于输入电压VB，故比较信号Sc打开(turn on)开关SW1而使输入电流IA对电容C2充电；在时间t2时，锯齿波信号Vsaw大于输入电压VB，故比较信号Sc关闭(turn off)开关SW1，同时取样信号SMP打开开关SW3而对电容C2的电压VM取样；在时间t3时，取样信号SMP关闭开关SW3而结束取样，同时清除信号CLR打开开关SW2而使电容C2放电。

参照图2及图5，当锯齿波信号Vsaw上升到参考值VTH时，开关SW4为开路、开关SW5为闭路而使电容Cosc放电，因此锯齿波信号Vsaw的最大值由参考值VTH决定，不受输入电压VC的限制。***设计者可轻易改变参考值VTH的设定值，以调整锯齿波信号Vsaw的最大值。当参考值VTH为某个设定值时，锯齿波信号Vsaw的最大值是固定的，不受任何输入信号的影响。参考值VTH、充电电流Iosc及电容Cosc决定锯齿波信号Vsaw的周期

Tosc＝Cosc×VTH/Iosc，                   [公式3]

其非定值。假设图3中的电流Ic等于充电电流Iosc，则充电电流

Iosc＝Ic

＝VC/Rosc，                    [公式4]

将公式4代入公式3得到锯齿波信号Vsaw的周期

Tosc＝Cosc×Rosc×VTH/VC                     [公式5]

与输入电压VC成反比。参照图1及图5，假设比较信号Sc使开关SW1导通的时间为Ton，则电容C2的电压

VM＝IA×Ton/C2。                    [公式6]

由图5的波形52、54及56可知

Ton/Tosc＝VB/VTH，                  [公式7]

故得到

Ton＝Tosc×VB/VTH，                 [公式8]

将公式3代入公式8得到

Ton＝VB×Cosc/Iosc，                [公式9]

将公式4代入公式9得到

Ton＝(Rosc×Cosc)×(VB/VC)，        [公式10]

将公式10代入公式6得到

VM＝(Rosc×Cosc/C2)×(IA×VB/VC)。              [公式11]

又

VOUT＝VM，                     [公式12]

因此输出电压

VOUT＝[(Rosc×Cosc/C2)×(IA×VB/VC)]

＝k(IA×VB÷VC)。                  [公式13]

对于***设计者而言，此乘除法器10的电路具有较高的弹性。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种乘除法器，用以将输入电流乘以第一输入电压除以第二输入电压而产生输出电压，其特征在于，该乘除法器包括：

锯齿波产生器，根据该第二输入电压产生锯齿波信号，该锯齿波信号的周期与该第二输入电压成反比；

比较器，连接该锯齿波产生器，比较该锯齿波信号及第一输入电压而产生第一比较信号；

第一电容；

第一开关，连接该比较器及第一电容，根据该第一比较信号使该输入电流对该第一电容充电而产生与该输出电压具有比例关系的电容电压；以及

第二开关，与该第一电容并联，根据清除信号而使该第一电容放电。

2.如权利要求1所述的乘除法器，其特征在于，该锯齿波产生器包括：

电流源，因应该第二输入电压决定充电电流；

第二电容，用以提供该锯齿波信号；

第三开关，连接在该电流源及第二电容之间，因应充电信号使该充电电流对该第二电容充电；

第四开关，与该第二电容并联，因应放电信号使该第二电容放电；以及

第二比较器，连接该第二电容，比较该锯齿波信号及参考值而产生第二比较信号以决定该充电及放电信号；

其中，该参考值决定该锯齿波信号的最大值。

3.如权利要求1所述的乘除法器，其特征在于，更包括取样及维持电路连接该第一电容，根据取样信号对该电容电压取样而产生该输出电压。

4.如权利要求3所述的乘除法器，其特征在于，更包括脉波产生器连接该第一比较器、第二关关及取样及维持电路，根据该第一比较信号产生该清除信号及取样信号。

5.如权利要求4所述的乘除法器，其特征在于，该脉波产生器包括：

多个串联的反相器，连接该第一比较器，用以延迟及反相该第一比较信号而产生第一、第二、第三及第四信号；

第一与门，连接该多个反相器，根据该第一及第二信号产生该清除信号；以及

第二与门，连接该多个反相器，根据该第三及第四信号产生该取样信号。

6.一种用以将输入电流乘以第一输入电压除以第二输入电压而产生输出电压的方法，其特征在于，包括：

(a)根据该第二输入电压产生周期反比于该第二输入电压的锯齿波信号；

(b)比较该锯齿波信号及该第一输入电压而产生比较信号；

(c)根据该比较信号使该输入电流对第一电容充电而产生与该输出电压具有比例关系的电容电压；以及

(d)根据清除信号控制该第一电容放电。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该步骤a包括：

提供充电电流；

根据该锯齿波信号与参考值的比较结果控制该充电电流对第二电容充电，其中该参考值决定该锯齿波信号的最大值；以及

从该第二电容取出该锯齿波信号。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，更包括根据该第二输入电压决定该充电电流的值。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该步骤d包括：

延迟及反相该比较信号而产生第一及第二信号；以及

根据该第一及第二信号产生该清除信号。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，更包括对该电容电压取样而产生该输出电压。

Images