Яче́йка Ги́лберта ( англ. Gilbert cell ) в электронике — схема четырёхквадрантного , 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 в большинстве современных радиоприёмников и сотовых телефонов .

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

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

История изобретения

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) . Такие схемы выпускались серийно (например, 526ПС1 ), но не подходили для массового применения. Из-за малого допустимого уровня входных напряжений, сопоставимого с напряжением смещения нуля ОУ , она была чувствительна к температурному дрейфу, требовала точной подстройки нуля, и обладала высоким уровнем шума . Коэффициент перемножения был пропорционален квадрату абсолютной температуры . 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.

Оригинальный текст (англ.)

The problem with this type of multiplier can be largely overcome, however, by using diodes as current-voltage convertors for the base inputs, thus rendering the circuit entirely current controlled, theoretically linear, and substantially free from temperature effects .

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

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

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

Сосредоточившись на анализе свойств замкнутых контуров, образованных эмиттерными переходами V1, V2 и дифференциальных каскадов, Гилберт пришёл к концепции и вывел принцип транслинейности (впервые опубликован в 1975 ) .

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

Примечания

Литература

на русском языке

• 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

• Analog Devices staff. / ed. Hank Zumbahlen. — 2008. — ISBN 978-0750687034 .
• Cornell Drentea. . — Artech House, 2010. — 454 p. — (Artech House intelligence and information operations series). — ISBN 9781596933095 .
• Gilbert, Barrie. (англ.) // IEEE Journal of Solid-State Circuits. — 1968. — Т. 3 , № 4 . — С. 365—373 . — ISSN . — doi : .
  • Репринт: Gilbert, Barrie. (англ.) // IEEE Solid-State Circuits Society News. — 2007. — Т. 12 , № 4 . — С. 29—37 . — ISSN . — doi : .
• Gilbert, Barrie. (англ.) // IEEE Electronics letters. — 1975. — Т. 11 , № 1 . — С. 14—16 . — ISSN . — doi : .
• Gilbert, Barrie. // Trade-Offs in Analog Circuit Design: The Designer's Companion / Editors: Chris Toumazou, George S. Moschytz, Barrie Gilbert. — Springer, 2004. — Vol. 1. — P. 7—74. — 1048 p. — (Trade-offs in Analog Circuit Design). — ISBN 9781402080463 .
• Lee, T. H. // IEEE SCCS News. — 2007. — № Fall 2007 . — P. 38—51. — ISSN .
• Shin-Chii Liu. . — MIT Press, 2002. — 434 p. — (Bradford Books). — ISBN 9780262122559 .
• Behzad Razavi. . — IEEE / John Wiley and Sons, 1996. — 498 p. — ISBN 9780780311497 .