Ячейка Гилберта

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Яче́йка Ги́лберта (англ. Gilbert cell) 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 телефонов[1].

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[2]. Первые прецизионные умножители на ячейке Гилберта c управлением напряжениями (AD534) имели точность 0,1% ценой уменьшения полосы до 1 МГц[3].

В советской литературе умножители по схеме Гилберта именовались умножители с нормировкой токов[4], умножители на управляемых током делителях тока[5]; первая советская микросхема такого рода, 525ПС1, была анонсирована в 1979 году[6][4]. В современных англоязычных учебниках понятие ячейки Гилберта трактуется расширительно и ошибочно переносится на известное «до Гилберта» ядро умножителя на трёх дифкаскадах[7].

История изобретения[править | править вики-текст]

Gilbert cell circuit.png
Бета-независимая ячейка Гилберта.png
Бета-зависимая ячейка Гилберта.png
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)[7]. Такие схемы выпускались серийно (например, 526ПС1[8]), но не подходили для массового применения. Из-за малого допустимого уровня входных напряжений, сопоставимого с напряжением смещения нуля ОУ[9], она была чувствительна к температурному дрейфу, требовала точной подстройки нуля, и обладала высоким уровнем шума[10]. Коэффициент перемножения был пропорционален квадрату абсолютной температуры[9]. В 1968 году техник Tektronix Барри Гилберт предложил решение — переход от управления напряжениями к управлению токами:

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.

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 процессом[11]. В этом смысле первая схема ячейки Гилберта была бета-независимой[12]: искажения, вносимые входными диодами (V1 и V2 на схеме), компенсировали искажения, вносимые транзисторами дифференциальных каскадов[13].

На практике, удачная с точки зрения искажений ориентация V1 и V2 оказаласть неудобной и в производстве, в практическом применении[12]. 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 направления[12]. При этом выросли шумы, искажения и температурный дрейф параметров, а зависимость от коэффициента усиления по току выросла втрое (схема стала бета-зависимой)[12]. Именно эта схема была запатентована Гилбертом и Tektronix в 1972 году (заявка с приоритетом от 13 апреля 1970)[14] и именно на её основе были спроектированы практически все серийные перемножители (в том числе массовая Motorola MC1495[15] и её советский аналог 525ПС1[4]) — функциональность оказалась важнее[12]. 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[15].

Токовое управление являлось большим неудобством[16], и поэтому были выпущены более сложные ИС с управлением напряжениями и стабилизацией входных каскадов (525ПС2 — 27 активных транзисторов, 34 резистора[17]). Развитием схемы Гилберта стал универсальный аналоговый перемножитель (УАПС, пример — AD633[18]), в котором в цепь обратной связи по выходному сигналу был добавлен четвёртый, так называемый Z-дифкаскад, компенсирующий нелинейность базовой ячейки.[19].

Один из замкнутых транслинейных контуров в бета-независимой ячейке Гилберта. Токи через все транзисторы контура подчиняются принципу транслинейности[20]

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 1975[21])[22].

Большинство современных англоязычных учебных пособий по схемотехнике (например, Drentea[23], Razavi[24]) называют «ячейкой Гилберта» не изобретение Гилберта, а предшествовавший ему умножитель Говарда Джонса, управляемый не токами, а напряжениями[7]. Сам Гилберт неоднократно указывал на ошибочность этого мнения, но многолетнее заблуждение оказалось сильнее[7].

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Drentea, 2010, с. 188
  2. Gilbert, B. A DC-500 Mhz amplifier/multiplier principle // ISSCC Digest of Technical Papers (Philadelphia, PA, February 1968). — 1968. — P. 114-115.
  3. AD2008, 2008, p. 2.81
  4. 1 2 3 Алексенко и др, 1985, с. 94-95
  5. Тимонтеев и др, 1982, с. 27-28
  6. Тимонтеев, В. Н. и Ткаченко, В. А. Аналоговый перемножитель сигналов 525ПС1 (рус.) // Электронная промышленность. — 1979. — № 7. — С. 10-13. — ISSN 0207-6357.
  7. 1 2 3 4 Lee, 2007, p. 46
  8. Тимонтеев и др, 1982, с. 26-27
  9. 1 2 Тимонтеев и др, 1982, с. 26
  10. 1 2 Gilbert, 1968, p. 366
  11. Gilbert, 1968, p. 369
  12. 1 2 3 4 5 Gilbert, 2004, p. 34
  13. См. анализ схемы в: Тимонтеев и др., с. 27-32.
  14. Патент США 3689752 от 5 сентября 1972, стр. 2, рис. 9.
  15. 1 2 Motorola. MC1495 Wideband Linear Four­Quadrant Multiplier (справочный листок) (англ.). On Semiconductor (3 June 2004). Проверено 18 февраля 2012. Архивировано из первоисточника 13 сентября 2012.
  16. Тимонтеев и др, 1982, с. 29
  17. Тимонтеев и др, 1982, с. 32
  18. Analog Devices. AD633 Low-Cost Analog Multiplier (справочный листок) (англ.). Analog Devices (31 January 2012). Проверено 18 февраля 2012. Архивировано из первоисточника 13 сентября 2012.
  19. Тимонтеев и др, 1982, с. 36-37
  20. См. также Gilbert, Barrie Current-mode circuits from a translinear Viewpoint: A Tutorial // Analogue IC design: the current-mode approach / C. Toumazou, F. J. Lidgey, David Haigh. — IET, 1990. — P. 11-92. — 646 p. — (IEE circuits and systems series). — ISBN 9780863412974.
  21. Gilbert, 1975, p. 15
  22. Liu, 2002, pp. 177-178
  23. Drentea, 2010, с. 189
  24. Razavi, 1996, с. 22

Литература[править | править вики-текст]

на русском языке[править | править вики-текст]

  • Алексенко, А. Г., Коломбет, Е. А., Стародуб, Г. И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. — 2-е изд.. — Москва: "Радио и связь", 1985. — 256 с. — 50 000 экз.
  • Тимонтеев, В. Н., Величко, Л. М., Ткаченко, В. А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. — Москва: "Радио и связь", 1982. — 114 с. — 12 000 экз.

на английском языке[править | править вики-текст]