DE4415859C2 - Circuit for multiplying two signals - Google Patents

Circuit for multiplying two signals

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Multiplizieren zweier Signale mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.The present invention relates to a circuit for Multiply two signals by the characteristics of the Preamble of claim 1.

Eine Schaltung dieser Art ist bekannt aus EP 395 894 A2, Fig. 8 der angegebenen Druckschrift zeigt einen Gilbert- Multiplizierer mit folgenden Merkmalen: Zwei parallelgeschaltete Differenzverstärker, die aus je zwei sourcegekoppelten Transistoren bestehen, zwei weitere Transistoren, die jeweils als Stromquelle an einen der Differenzverstärker angeschlossen sind und deren Steuereingang mit je einer der gegenphasigen Komponenten eines ersten Signals angesteuert ist, wobei die Differenzverstärker mit zwei gegenphasigen Komponenten des zweiten Signals angesteuert sind. Dabei sind jeweils die Steuereingänge der beiden Transistoren eines Differenzverstärkers mit je einer der gegenphasigen Komponenten des zweiten Signals angesteuert. Dadurch ist es notwendig, daß sich die Signalleitungen der gegenphasigen Komponenten des zweiten Signals kreuzen. A circuit of this type is known from EP 395 894 A2, Fig. 8 of the specified document shows a Gilbert multiplier with the following features: two differential amplifiers connected in parallel, each consisting of two source-coupled transistors, two further transistors, each as a current source to one of the Differential amplifiers are connected and the control input of which is driven with one of the antiphase components of a first signal, the differential amplifiers being driven with two antiphase components of the second signal. The control inputs of the two transistors of a differential amplifier are each driven with one of the components of the second signal in opposite phase. This makes it necessary for the signal lines of the components of the second signal to cross phase.

In J. N. Babanezhad, G. C. Temes: "A 20-V Four-Quadrant CMOS Analog Multiplier", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC- 20, No. 6, Dec. 1985. ist u. a. ein Gilbert- Multiplizierer beschrieben, der im wesentlichen aus sechs Transistoren besteht. Die Transistoren sind paarweise als Differenzverstärker angeordnet, an deren Eingängen zwei miteinander zu multiplizierende Signale anliegen. Diese Schaltung enthält Leitungsüberkreuzungen, die bei der Integration auf einem Halbleitersubstrat nachteilig sind, da sie bei hohen Signalfrequenzen zu Störkapazitäten und Signalverkopplungen führen.In J.N. Babanezhad, G.C. Temes: "A 20-V Four-Quadrant CMOS Analog Multiplier, "IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC- 20, No. 6, Dec. 1985. is u. a. a Gilbert Multiplier described, consisting essentially of six Transistors. The transistors are in pairs Differential amplifier arranged at the inputs of two signals to be multiplied are present. This Circuit contains line crossings, which at the Integration on a semiconductor substrate are disadvantageous because they at high signal frequencies to interference capacities and Lead signal coupling.

Aus der EP 582 176 A1 ist eine Schaltung zum Multiplizieren zweier Signale bekannt, die symmetrisch aufgebaut ist. Bei dieser sind ebenfalls Leitungsüberkreuzungen vorhanden. EP 582 176 A1 describes a circuit for multiplying known two signals, which is constructed symmetrically. At there are also line crossings.  

In U. Tietze, Ch. Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik", 4. Auflage, 1978, S. 226 ff. sind Steilheitsmultiplizierer beschrieben. Bei dem Vierquadranten- Steilheitsmultiplizierer, Seite 228, sind ebenfalls mehrere Leitungsüberkreuzungen vorhanden.In U. Tietze, Ch. Schenk: "Semiconductor circuit technology", 4. Edition, 1978, p. 226 ff. Are slope multipliers described. With the four quadrant Slope multipliers, page 228, are also several Line crossings exist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung zum Multiplizieren zweier Signale anzugeben, die Leitungsüberkreuzungen von signalführenden Leitungen vermeidet.The object of the present invention is a Circuit for multiplying two signals to indicate the Cable crossings of signal-carrying lines avoids.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.This object is achieved by the features of Claim 1 solved. Advantageous embodiments are based the subclaims.

Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht die Multiplikation zweier Signale. Sie ist insbesondere für hohe Frequenzen und zur Integration auf einem Halbleitersubstrat geeignet. Durch die seitliche Zuführung von gegenphasigen Signalen und durch einen symmetrischen Aufbau werden Leitungsüberkreuzungen vermieden. Der symmetrische Aufbau führt zu gleichen geometrischen Abmessungen der Signalleitungen.The circuit according to the invention enables multiplication two signals. It is especially for high frequencies and suitable for integration on a semiconductor substrate. By the lateral supply of opposite phase signals and through line crossings become a symmetrical structure avoided. The symmetrical structure leads to the same geometric dimensions of the signal lines.

Unterschiedliche Längen der Signalleitungen stören die Symmetrie der Steuersignale, was bei höheren Frequenzen zu einem Fehler im Ausgangssignal führt. Die Schaltung kann z. B. als Modulator bzw. Demodulator für Mikrowellensignale verwendet werden.Different lengths of the signal lines disturb the Symmetry of the control signals, which at higher frequencies too leads to an error in the output signal. The circuit can e.g. B. as a modulator or demodulator for microwave signals be used.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur erläutert, die einen Vierquadrantenmultiplizierer zeigt.An embodiment of the invention is based on the figure which shows a four quadrant multiplier.

Die Schaltung bewirkt die Multiplikation zweier Signale VRF und VNF, die beide in gegenphasige Signalkomponenten +VRF und -VRF und +VNF und -VNF aufgeteilt sind und an der Schaltung anliegen. Die Signalkomponenten +VRF und -VRF werden Eingängen von zwei parallel geschalteten Differenzverstärkern D1 und D2 zugeführt. Der Differenzverstärker D1 enthält die beiden Transistoren T1 und T2 und der Differenzverstärker D2 die Transistoren T3 und T4. Die vier Transistoren T1-T4 werden von einer Versorgungsspannung VDD gespeist.The circuit results in the multiplication of two signals V RF and V NF , both of which are divided into phase components + V RF and -V RF and + V NF and -V NF and are applied to the circuit. The signal components + V RF and -V RF are input to two differential amplifiers D1 and D2 connected in parallel. The differential amplifier D1 contains the two transistors T1 and T2 and the differential amplifier D2 contains the transistors T3 and T4. The four transistors T1-T4 are fed by a supply voltage VDD.

Ihr Arbeitspunkt wird durch drei Gleichspannungsquellen Q1-­ Q3 in der Weise eingestellt, daß die Ströme J1, J2, J3 und J4 durch die Transistoren T1-T4 gleich sind.Their operating point is set by three DC voltage sources Q1-Q3 in such a way that the currents J 1 , J 2 , J 3 and J 4 through the transistors T1-T4 are the same.

Das Signal VRF ist beispielsweise ein hochfrequentes Signal. Es wird außerhalb der Schaltung in die zwei Gegentaktsignalkomponenten +VRF und -VRF zerlegt, und diese werden einer Steuerelektrode 1 bzw. 10 der Transistoren T1 bzw. T4 zugeführt. Die Steuerelektroden 4, 7 der Transistoren T2, T3 liegen auf demselben Gleichspannungspotential, in diesem Ausführungsbeispiel sind sie direkt miteinander verbunden. Durch diese Beschaltung wirken die beiden Differenzverstärker D1 und D2 als ein Differenzverstärker für das Signal VRF. An ihren Ausgängen kann deshalb ein zu dem Signal VRF proportionales Ausgangssignal Vout abgegriffen werden. Durch die Parallelschaltung der beiden Differenzverstärker D1 und D2 sind die Hauptanschlüsse 5 und 8 der Transistoren T2 und T3 direkt miteinander verbindbar. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal Vout unsymmetrisch, mit Masse als Bezugspotential, von dieser Verbindung abgegriffen.The signal V RF is a high-frequency signal, for example. Outside the circuit, it is broken down into the two push-pull signal components + V RF and -V RF , and these are fed to a control electrode 1 or 10 of the transistors T1 or T4. The control electrodes 4 , 7 of the transistors T2, T3 are at the same DC potential, in this exemplary embodiment they are directly connected to one another. Through this wiring, the two differential amplifiers D1 and D2 act as a differential amplifier for the signal V RF . An output signal V out proportional to the signal V RF can therefore be tapped at their outputs. By connecting the two differential amplifiers D1 and D2 in parallel, the main connections 5 and 8 of the transistors T2 and T3 can be connected directly to one another. In this embodiment, the output signal V out is tapped asymmetrically, with ground as the reference potential, from this connection.

Zwei weitere Transistoren T5 und T6 sind in einer Beschaltung als Stromquelle an die beiden Differenzverstärker D1 und D2 angeschlossen. Die Arbeitspunkte der beiden Transistoren T5 und T6 werden durch zwei Gleichspannungsquellen Q4 und Q5 eingestellt. An den Steuerelektroden 13 und 16 der zwei Transistoren T5, T6 liegen die beiden gegenphasigen Signalkomponenten +VNF und -VNF des zweiten Signals VNF an, die dadurch eine Steuerung der Stromquellen (T5, T6) bewirken. Die beiden durch die Stromquellen fließenden Ströme J5 und J6 sind proportional zu dem Signal VNF. Das Ausgangssignal der zwei parallelgeschalteten Differenzverstärker D1, D2 ist proportional zu den Signalkomponenten +VRF und -VRF, so daß die Schaltung insgesamt eine Multiplikation der beiden Signale VNF und VRF bewirkt.Two further transistors T5 and T6 are connected in a circuit as a current source to the two differential amplifiers D1 and D2. The operating points of the two transistors T5 and T6 are set by two DC voltage sources Q4 and Q5. The two opposite-phase signal components + V NF and -V NF of the second signal V NF are applied to the control electrodes 13 and 16 of the two transistors T5, T6, which thereby control the current sources (T5, T6). The two currents J 5 and J 6 flowing through the current sources are proportional to the signal V NF . The output signal of the two differential amplifiers D1, D2 connected in parallel is proportional to the signal components + V RF and -V RF , so that the circuit effects a multiplication of the two signals V NF and V RF .

Durch diese Beschaltung der Differenzverstärker D1 und D2 und der Transistoren T5 und T6, zusammen mit der Aufteilung der beiden Signale VRF und VNF in die gegenphasigen Signalkomponenten +VRF, -VRF, +VNF, -VNF, werden Leitungsüberkreuzungen zwischen signalführenden Leitungen vermieden. Bei der Integration auf einem Halbleitersubstrat führen Störkapazitäten bei Leitungsüberkreuzungen zum Übersprechen, das die elektrischen Eigenschaften der Schaltung verschlechtert. Dieser Effekt ist besonders bei hohen Frequenzen ausgeprägt.Through this wiring of the differential amplifiers D1 and D2 and the transistors T5 and T6, together with the division of the two signals V RF and V NF into the opposite-phase signal components + V RF , -V RF , + V NF , -V NF , line crossings between signal-carrying lines avoided. When integrated on a semiconductor substrate, interference capacities at line crossings lead to crosstalk, which worsens the electrical properties of the circuit. This effect is particularly pronounced at high frequencies.

Leitungsüberkreuzungen zwischen einer signalführenden Leitung und einer gleichspannungsführenden Leitung stören nicht, da auf der gleichspannungsführenden Leitung ein durch Übersprechen entstandenes Signal mit Kondensatoren ausgesiebt werden kann. Das hochfrequente Ausgangssignal Vout kann deshalb ohne Beeinträchtigung aus der Schaltung herausgeführt werden, z. B. durch eine Überkreuzung mit der Leitung der Versorgungsspannung VDD (siehe Figur).Line crossings between a signal-carrying line and a DC voltage-carrying line do not interfere, since a signal produced by crosstalk on the DC voltage-carrying line can be screened out with capacitors. The high-frequency output signal V out can therefore be led out of the circuit without impairment, for. B. by crossing with the line of the supply voltage VDD (see figure).

Durch vier Kondensatoren C1-C4 werden die an den Steuerelektroden 1, 10, 13, 16 der Transistoren T1, T4, T5 und T6 anliegenden Gleichspannungen von den Eingängen der Schaltung abgekoppelt. Da beide Signale VRF und VNF gegenphasig an der Schaltung anliegen, arbeitet diese als analoger Vier-Quadranten-Multiplizierer. Durch die Arbeitspunkteinstellung der Transistoren T5 und T6 benötigt dieser Vier-Quadraten-Multiplizierer keine gemeinsame Stromquelle, wie sie nach dem Stand der Technik üblicherweise verwendet wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Schaltung aber mit dieser Stromquelle ausgestattet sein.The DC voltages present at the control electrodes 1 , 10 , 13 , 16 of the transistors T1, T4, T5 and T6 are decoupled from the inputs of the circuit by four capacitors C1-C4. Since both signals V RF and V NF are present in phase opposition to the circuit, the circuit works as an analog four-quadrant multiplier. Due to the operating point setting of the transistors T5 and T6, this four-square multiplier does not require a common current source, as is customarily used in the prior art. In another embodiment, the circuit can be equipped with this current source.

Als Transistoren können bipolare oder Feldeffekt- Transistoren verwendet werden. Zur Verarbeitung von Frequenzen im Mikrowellenbereich können HEMT-Transistoren eingesetzt werden, die sich auch auf einem Halbleitersubstrat integrieren lassen. Ein Anwendungsbeispiel dieser Schaltung ist ein Modulator, mit dem ein hochfrequentes Signal VRF durch ein niederfrequentes Signal VNF moduliert wird. Durch den hochsymmetrischen Aufbau wird die Schaltungsoptimierung für Frequenzen im Mikrowellenbereich vereinfacht.Bipolar or field effect transistors can be used as transistors. For processing frequencies in the microwave range, HEMT transistors can be used, which can also be integrated on a semiconductor substrate. An application example of this circuit is a modulator with which a high-frequency signal V RF is modulated by a low-frequency signal V NF . The highly symmetrical design simplifies the circuit optimization for frequencies in the microwave range.

Claims (5)

1. Schaltung zum Multiplizieren zweier Signale mit zwei parallelgeschalteten Differenzverstärkern (D1, D2), die aus je zwei sourcegekoppelten Transistoren bestehen (T1, T2, T3, T4), mit zwei weiteren Transistoren (T5, T6), die jeweils als Stromquelle an einen der Differenzverstärker (D1, D2) angeschlossen sind und deren Steuereingang (13, 16) mit je einer der gegenphasigen Komponenten (+VNF, -VNF) des ersten Signals angesteuert ist, wobei die Differenzverstärker (D1, D2) mit je einer der zwei gegenphasigen Komponenten (+VRF, -VRF) des zweiten Signals angesteuert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung symmetrisch aufgebaut ist zur phasenrichtigen Ankopplung der beiden Signale, daß der Steuereingang (4, 7) je eines Transistors (T2, T3) der beiden Differenzverstärker (D1, D2) an einem festen Gleichspannungspotential (Q2) liegt und daß der Steuereingang (1, 10) des jeweils anderen Transistors (T1, T4) der beiden Differenzverstärker (D1, D2) mit einer der gegenphasigen Komponenten (+VRF, -VRF) des zweiten Signals verbunden ist.1. Circuit for multiplying two signals with two parallel differential amplifiers (D1, D2), each consisting of two source-coupled transistors (T1, T2, T3, T4), with two further transistors (T5, T6), each as a current source to one the differential amplifiers (D1, D2) are connected and their control inputs ( 13 , 16 ) are each controlled with one of the antiphase components (+ V NF , -V NF ) of the first signal, the differential amplifiers (D1, D2) each with one of the two antiphase components (+ V RF , -V RF ) of the second signal are driven, characterized in that the circuit is constructed symmetrically for the in-phase coupling of the two signals, that the control input ( 4 , 7 ) each has a transistor (T2, T3) of the two differential amplifiers (D1, D2) is at a fixed DC voltage potential (Q2) and that the control input ( 1 , 10 ) of the other transistor (T1, T4) of the two differential amplifiers (D1, D2) with one of the antiphase components (+ V RF , -V RF ) of the second signal is connected. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereingänge (4, 7) der Transistoren (T2, T3) der beiden Differenzverstärker (D1, D2), die an einem festen Gleichspannungspotential liegen, an demselben Gleichspannungspotential (Q2) liegen, miteinander verbunden und in der Schaltung räumlich direkt nebeneinander angeordnet sind.2. Circuit according to claim 1, characterized in that the control inputs ( 4 , 7 ) of the transistors (T2, T3) of the two differential amplifiers (D1, D2), which are at a fixed DC voltage potential, are at the same DC voltage potential (Q2) with each other connected and spatially arranged directly next to each other in the circuit. 3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß je eine der gegenphasigen Komponenten jedes Signals von einer zur Symmetrieachse der Schaltung parallel verlaufenden Seite an die Schaltung herangeführt ist.3. Circuit according to one of the Claims 1 or 2, characterized in that one of each antiphase components of each signal from one to the other  Axis of symmetry of the circuit parallel to the side Circuit is introduced. 4. Schaltung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereingänge (13, 16) der Transistoren (T5, T6), die als Stromquellen dienen, jeweils mit einer Gleichspannungsquelle (Q4, Q5) verbunden sind, um die Arbeitspunkte der Transistoren (T5, T6) einzustellen.4. Circuit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the control inputs ( 13 , 16 ) of the transistors (T5, T6), which serve as current sources, are each connected to a DC voltage source (Q4, Q5) to the operating points of the transistors (T5, T6). 5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Vierquadranten-Multiplizierer ausgeführt ist.5. Circuit according to one of the preceding claims, characterized characterized as being a four quadrant multiplier is executed.
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