集成模拟乘法器及其应用
内容简介
集成模拟乘法器是实现两个模拟信号相乘的器件，它广泛用于乘法、除法、乘方和开方等模拟运算，同时也广泛用于电子测量仪表、通信系统，是一种通用性很强的非线性电子器件，目前已有多种形式、多品种的单片集成电路，同时它也是现代一些专用模拟集成系统中的重要单元。
知识教学目标
了解集成模拟乘法器的基本工作原理和单片集成模拟乘法器的简单应用。
技能教学目标
会进行模拟乘法器调幅电路的调整和测试。
本章重点
集成模拟乘法器的基本特性。
本章难点
集成模拟乘法器的基本运算电路。
6.1 集成模拟乘法器
6.1.1 集成模拟乘法器的基本工作原理
一、模拟乘法器的基本特性
模拟乘法器的电路符号如图6.1.1所示，它有两个输入端、一个输出端。
若
输入信号为u
x 、u
Y
，则输出信号u
o
为
式中，K称为乘法器的增益系数，单位为V-1。
图6.1.1 模拟乘法器电路符号
根据乘法运算的代数性质，乘法器有四个工作区域，由它的两个输入电压的极性来确定，并可用X—Y平面中的四个象限表图。
能够适应两个输入电压四种极性组合的乘法器称为四象限乘法器；若只对一个输入电压能适应正、负极性，而对另一个输入电压只能适应一种极性，则称为二象限乘法器；若对两个输入电压都只能适应一种极性，则称为单象限乘法器。
式(6.1.1)表示，一个理想的乘法器中，其输出电压与在同一时刻两个输入电压瞬时值的乘积成正比，而且输入电压的波形、幅度、极性和频率可以是任意的。
对于一个理想的乘法器，当u
x 、u
Y
中有一个或两个都为零时，输出均为零。
但在实际乘法器中，由于工作环境、制造工艺及元件特性的非理想性，当u
x
=0，
u Y =0时，u
≠0，通常把这时的输出电压称为输出失调电压；当u
x
=0，u
Y
≠0(或
u Y =0，u x ≠0)时，u 0≠0，称这时的输出电压为u Y (或u x )的输出馈通电压。
输出失调电压和输出馈通电压越小越好。
此外，实际乘法器中增益系数K 并不能完全保持不变，这将引起输出信号的非线性失真，在应用时需加注意。
二、变跨导模拟乘法器的基本工作原理
图6.1.2 模拟乘法器原理图
变跨导模拟乘法器是在带电流源差分放大电路的基础上发展起来的，它的基本原理电路如图6.1.2所示。
图中V 1、V 2为特性相同的三极管，其β1=β2=β, r be1=r be2=r be 。
V 3为恒流管，当
时，其集电极电流
，当输入电
压u x =0时，I E1=I E2=I c3/2，差分放大电路输出电压u 0=0。
若差分放大电路输入电压为u x ，则由图6.1.2可得输出电压u 0为
当I E1、I E2比较小时，V 1、V 2管的输入电阻r be 可近似为
其中
在室温下，K为常数，可见输出电压u
o 与输入电压u
X
、u
Y
的乘积成比例，就
是说图6.1.2所示差分放大电路具有乘法功能。
但u
Y
必须为正才能正常工作，故
为二象限乘法器，其次，u
X
小时误差比较大。
因此，该电路的乘法性能是不够理
想的。
由于这种乘法器电路中，V
3管的电流I
c3
随U
Y
而变化，导致V
1
、V
2
管的跨
导g
m
变化，因此称为变跨导模拟乘法器。
6.1.2单片集成模拟乘法器
图6.1.3 MC1496型集成模拟乘法器
采用两个差分放大电路可构成较理想的模拟乘法器，称为双差分对模拟乘法器，也称为双平衡模拟乘法器。
图6.1.3所示(虚线框内)是根据双差分对模拟乘
法器基本原理制成的单片集成模拟乘法器MCl496的内部电路。
图中，V
1、V
2
、V
5
和V
3、V
4
、V
6
分别组成两个基本模拟乘法器，V
7
、V
8
、V
9
、R
5
等组成电流源电路。
R 5、V
7
、R
1
为电流源的基准电路，V
8
、V
9
均提供恒值电流I
／2，改变外接电阻R
5
的大小，可调节I
0／2的大小。
图中2、3两脚，即V
5
、V
6
两管发射极上所跨接的
电阻R
Y
，除可调节乘法器的增益外，其主要作用是用来产生负反馈，以扩大输入
电压u
Y 的线性动态范围。
该乘法器输出电压u
o
的表示式为
其增益系数为
式(6.1.6)中u
X 必须为小信号，其值应小于U
T
(≈26mV)；因电路采用了负反馈
电阻R
Y ，u
Y
的线性动态范围被扩大了，它的线性动态范围为
也就是说，的最大线性动态范围决定于电流源I
0／2与负反馈电阻R
Y
的乘积。
对u
X 也可以采用线性动态范围扩展电路，使之线性动态范围大于U
T
，MCl595
集成模拟乘法器就属于这种类型。
其内部电路由两部分组成：一部分为双差分对模拟乘法器，与MCl496电路相同；另一部分为u
X
线性动态范围扩展电路。
MCl595
外接电路及外形图如图6.1.4所示。
4、8脚为u
X 输入端，9、12脚为u
Y
输入端，
2、14脚为输出端，其输出电压u
表示式为
其增益系数
图6.1.4 MCl595外接电路及外形图
通过调节I
0/的大小(由微调R
3
的阻值实现)可以改变增益系数，MCl595增益系
数的典型值为0.1V-1。
R
X 、R
Y
为负反馈电阻，用以扩大u
X
、u
Y
的线性动态范围，
u X 、u
Y
的线性动态范围分别为。