模拟乘法器是实现两个模拟量相乘的非线性电子器件,利用模拟乘法器以及运放可以方便地实现乘法、除法、乘方、开方运算等电路。模拟乘法器广泛地应用于广播电视、通信、仪表和自动控制系统之中,例如,进行模拟信号的处理、调制解调等。所以模拟乘法器是模拟集成电路中的一个重要部分。
6.7.1 模拟乘法器简介
Section titled “6.7.1 模拟乘法器简介”模拟乘法器有两个输入端,一个输出端。图 6.7.1 所示是模拟乘法器的符号。
模拟乘法器的输入信号为两个互不相关的模拟物理量,输出电压是它们的乘积,即
v _ O = k v _ x v _ y (6.7.1)
式中,k 是乘积系数,也称乘积增益或标尺因子。
理想模拟乘法器至少应具备如下条件:
图 6.7.1 模拟乘法器的符号
(1) 输入端的输入阻抗 Rᵢx, Rᵢy 为无穷大;
(2) 输出阻抗 R₀ 为零;
(3)乘积系数 k 为常数,不随信号幅值、信号频率而变化;
(4)当 vₓ 或 v_(y) 为零时 v₀ 为零,电路没有失调电压、失调电流。
图 6.7.2 所示为模拟乘法器的等效电路。在等效电路中考虑了输入电阻和输出电阻。在本小节中,除特殊说明,一般在分析电路功能时,模拟乘法器均看成理想器件。
由于输入信号的极性可正可负,因此输入信号 vₓ 和 v_(y) 的极性有 4 种组合,对应 4 个象限,如图 6.7.3 所示。按照允许输入信号的极性,模拟乘法器有单象限、二象限和四象限之分。


6.7.2 变跨导型模拟乘法器的工作原理
Section titled “6.7.2 变跨导型模拟乘法器的工作原理”变跨导型模拟乘法器利用输入电压控制差放差分管的发射极电路,使之跨导作相应的变化,从而达到与输入差模信号相乘的目的。
一、变跨导二象限乘法器
Section titled “一、变跨导二象限乘法器”差分放大电路的差模传输特性在第二章介绍差放时已经介绍过,电路如图 6.7.4所示。
在差模信号作用下,输出电流与输入电压的函数关系为
i _ O = i _ C1 - i _ C2 = I _ EE th frac v _ x2 V _ T (6.7.2)输出电压与输入电压的函数关系为
v _ O = R _ C I _ EE th frac v _ x2 V _ T (6.7.3)对于双曲函数 operatornameth x ,当 x 很小时 operatornameth x ≈ x 。也就是当式 (6.7.3) 中 vₓ ll 2V_T 时,表达式可写成
v _ O = R _ C I _ EE frac v _ x2 V _ T
(6.7.4)
将图 6.7.4 中的恒流源用一晶体管替代,得到图 6.7.5, 根据图示电路可以得到
i _ C3 = I _ EE = frac v _ y - v _ BE3R _ E (6.7.5)当 v_(y) gg v_(BE3) 时,有
i _ C3 = I _ EE ≈ frac v _ yR _ E (6.7.6)将该式代入 v₀=R_(c)I_(EE)fracvₓ2V_(T) ,有
v _ O ≈ R _ C frac v _ yR _ E frac v _ x2 V _ T = frac R _ C2 V _ T R _ E v _ x v _ y = k v _ x v _ y (6.7.7)式中, vₓ 可正可负,但 v_(y) 必须大于零,所以图 6.7.5 所示电路为二象限模拟乘法器。该电路有如下缺点:

(1) vₓ 的值必须小于 2V_(T) ;
(2) v_(y) 的值越小,运算误差越大;
图 6.7.5 变跨导二象限乘法器
(3) v₀ 与 V_(T) 有关,即受温度变化的影响;
(4) 电路只能工作在二象限。
二、双平衡四象限变跨导乘法器
Section titled “二、双平衡四象限变跨导乘法器”双平衡四象限变跨导乘法器如图 6.7.6 所示。
根据差分放大电路及变跨导二象限乘法器推导得到的结论,可以得到
i _ 1 - i _ 2 = i _ 5 th frac v _ x2 V _ T (6.7.8) i _ 4 - i _ 3 = i _ 6 th frac v _ x2 V _ T (6.7.9) i _ 5 - i _ 6 = I th frac v _ y2 V _ T (6.7.10)所以有
i _ 0 1 - i _ 0 2 = (i _ 1 + i _ 3) - (i _ 4 + i _ 2) = (i _ 1 - i _ 2) - (i _ 4 - i _ 3) (6.7.11)
当 vₓ ll 2V_(T) ,同时 v_(y) ll 2V_(T) 时,有
i _ O1 - i _ O2 ≈ frac 14 V _ T ^ 2 v _ x v _ y (6.7.13)输出电压为
v _ 0 = - (i _ 01 - i _ 02) R _ C ≈ - frac I R _ C4 V _ T ^ 2 v _ x v _ y = k v _ x v _ y (6.7.14)图 6.7.6 所示电路的输出信号为双端输出,可使用图 6.7.7 所示电路将图 6.7.6 的双
端输出变换为单端输出,乘法器的乘积系数 k 值可通过 R_(F) 进行调节。
图 6.7.6 所示双平衡四象限变跨导乘法器电路的输入信号的最大值受到限制 ( vₓ ll 2V_(T), v_(y) ll 2V_(T) ),可以通过在发射极串入电阻增大输入电压的范围,虽然乘积系数会变小,但可以通过调整双端到单端变换电路的增益来解决。

6.7.3 模拟乘法器的应用
Section titled “6.7.3 模拟乘法器的应用”一、乘方运算电路
Section titled “一、乘方运算电路”利用四象限模拟乘法器能够非常方便地实现平方、3次方、4次方运算电路,分别如图 6.7.8(a)、(b)、(c)所示。
图 6.7.8(a)中
图 6.7.8(b) 中
图 6.7.8(c)中
r v _ O = k v _ I ^ 2 v _ O1 = k ^ prime v _ I ^ 3 v _ O2 = k ^ prime prime v _ I ^ 4二、除法运算电路
Section titled “二、除法运算电路”将模拟乘法器连接在集成运放的反馈通路中,可构成除法运算电路,如图 6.7.9所示。

在运算电路中,必须保证电路引入的是负反馈,才能正常工作,即 v₀ 与 v₀^(prime) 必须是同相的。因而要求,当模拟乘法器的 k 为正值时,v₁2 必须为正值。这样电路引入的才是负反馈。电路分析如下:
设集成运放和模拟乘法器均为理想器件,运放反相输入端为“虚地”,有

(6.7.15)
整理上式,得到输出电压
v _ 0 = - frac R _ 2k R _ 1 · frac v _ 1 1v _ 1 2 (6.7.16)由于 v₁2 的极性受限制,所以图 6.7.9 所示电路为二象限除法运算电路。
三、开方运算电路
Section titled “三、开方运算电路”1. 平方根运算电路
Section titled “1. 平方根运算电路”利用乘方运算电路作为集成运放的反馈通路,就可构成开方运算电路。平方根运算电路如图 6.7.10所示。
先设电路引入的是负反馈,运放工作于线性区,则运放反相输入端为“虚地”,有
frac v _ O ^ primeR _ 2 = - frac v _ IR _ 1 v _ O ^ prime = - frac R _ 2R _ 1 v _ I = k v _ O ^ 2 (6.7.17)
(6.7.18)
图 6.7.10 平方根运算电路
所以
v _ 0 = sqrt - frac R _ 2k R _ 1 v _ 1 (k text 为正值, v _ 1 < 0) (6.7.19)由于 v₀ 为大于零的值,所以 v₁ 必须小于零,且根号下的值必须为正,所以要求 k 值为正。
2. 立方根运算电路
Section titled “2. 立方根运算电路”将3次方电路作为集成运放的反馈通路,可实现立方根运算电路,如图 6.7.11所示。图中使用两级模拟乘法器,所以 k² 大于零,且 v₀ 与 v₀^(prime) 同相,所以反馈电路对于运放来说引入的是负反馈。运放工作于线性区,则运放反相输入端为“虚地”,有

所以
v _ 0 = sqrt [ 3 ]- frac R _ 2k ^ 2 R _ 1 v _ 1 (6.7.22)某运算电路如图 6.7.12 所示,运放及乘法器均可看成理想器件,乘法器的乘积系数为 0.1。求输出与输入间的运算关系。

解
运放 A₁ 的反相输入端为“虚地”,所以有
frac v _ 01R _ 1 + frac v _ 02R _ 1 = - frac v _ 03R _ 2 (6.7.23)v _ 01 = k v _ II ^ 2 (6.7.24)v _ O2 = k v _ I2 ^ 2 (6.7.25)v _ 0 3 = - frac R _ 2R _ 1 (v _ 0 1 + v _ 0 2) = - k v _ 0 ^ 2 (6.7.26)根据式 (6.7.24) 、式 (6.7.25) 、式 (6.7.26) 可得
v _ O = sqrt frac R _ 2k R _ 1 (v _ O 1 + v _ O 2) = sqrt frac R _ 2k R _ 1 (k v _ 1 1 ^ 2 + k v _ 1 2 ^ 2) = sqrt frac R _ 2R _ 1 (v _ 1 1 ^ 2 + v _ 1 2 ^ 2) (6.7.27)电路的两个输入信号 v₁1 和 v₁2 可以是任意极性。图中 A₂ 接成反相放大是为了保证电路为负反馈。