Устройство, выходное напряжение которого пропорционально произведению двух или более независимых входных напряжений, называется перемножителем напряжений (ПН)

Аналоговый ПН является вторым по массовости применения после ОУ универсальным функциональным элементом. На его базе могут быть построены устройства модуляции, демодуляции, управления параметрами усилителей, генераторов, активных фильтров и многие другие.

Выходное напряжение ПН

(6.1)

гдеU _x,U _y – входные напряжения, k = – коэффициент пропорциональности (масштабный коэффициент), имеющий размерность В^-1. В зависимости от полярно сти входных напряжений U _x и U _y, которые допустимы для данного ПН, различают четырех-, двух- и одноквадрантные перемножители.

Рис. 6.1. Рабочие квадранты умножителя

Например, если ПН реагирует на и только на + , т.е., если он будет работать в полуплоскости квадрантов I и II (рис. 6.1), то это двухквадрантный ПН. Если же диапазон обоих напряжений ограничен, например, только положительными величинами U_x и U_y (I квадрант), то это одноквадрантный ПН. Перемножитель, для которого допустимы любые полярности входных напряжений, называется четырехквадрантным. Этот тип ПН является самым универсальным, но, с другой стороны, и самым сложным и дорогостоящим.

Как правило, на входах и выходе ПН выполняются условия:

т.е. выходное напряжение ограничено напряжением U_z. Если U_z = 10 В, то В, благодаря чему можно для ПН обойтись низковольтными источниками питания и применять стандартную технологию изготовления полупроводниковых микросхем.

В современных ПН наибольшее распространение получили четыре метода аналогового умножения: с управляемым сопротивлением, импульсные, логарифмические и с переменной крутизной.

ПН на основе управляемого сопротивления наиболее просты. Если сопротивление пропорционально управляющему напряжению, то ток через это сопротивление пропорционален произведению входного и управляющего сигналов или частному от их деления. В качестве управляемых напряжением сопротивлений можно использовать полевые транзисторы. Этот тип ПН обычно применяют в тех случаях, когда необходимо получить максимальное быстродействие (широкую полосу пропускания) и не требуется высокая точность умножения.

Алгоритм синтеза ПН на логарифмических усилителях сводится к выполнению последовательности операций: ln x, ln y, ln x + ln y = ln xy, antiln (ln xy) = =xy. Для реализации этих операций необходимо иметь два логарифмических усилителя, сумматор и антилогарифмический усилитель. К достоинствам данного типа ПН следует отнести широкий диапазон изменения входных напряжений, а к недостаткам – зависимость полосы рабочих частот от величины входных сигналов: чем меньше эта величина, тем уже полоса частот. Кроме того, эти ПН могут быть только одноквадрантными.

Если необходима точность перемножения

лучше 0.1% и достаточна полоса рабочих частот в несколько десятков герц, то целесообразно применять импульсные перемножители. Работа этих ПН основана на том, что среднее значение последовательности прямоугольных импульсов (рис 6.2) зависит как от амплитуды импульсов, так и от их скважности , т.е. . Один вход ПН используется для управления амплитудой импульса, а другой – скважностью. Полученная последовательность подается на фильтр нижних частот. Выделяемое этим фильтром U_ср будет пропорционально произведению двух входных сигналов.

ПН с переменной крутизной, видоизмененный в соответствии с требованиями полупроводниковой технологии, оказался наиболее удачным для изготовления в виде ИМС. Поэтому рассмотрим этот тип ПН более подробно.