В электронике ячейка Гилберта — это тип частотного смесителя . Он вырабатывает выходные сигналы, пропорциональные произведению двух входных сигналов. Такие схемы широко используются для преобразования частоты в радиосистемах . [1] Преимущество этой схемы в том, что выходной ток является точным умножением (дифференциальных) базовых токов обоих входов. Как смеситель, его сбалансированная работа отменяет многие нежелательные продукты смешивания , что приводит к «более чистому» выходу.
Это обобщенный случай ранней схемы, впервые использованной Говардом Джонсом в 1963 году, [2] изобретенной независимо и значительно расширенной Барри Гилбертом в 1967 году. [3] Это конкретный пример «транслинейного» дизайна, подхода к аналоговому проектированию схем с использованием токового режима . Специфическое свойство этой ячейки заключается в том, что дифференциальный выходной ток является точным алгебраическим произведением его двух дифференциальных аналоговых токовых входов.
В этой топологии между ячейкой Джонса и транслинейным умножителем мало различий. В обеих формах два каскада дифференциального усилителя образованы парами транзисторов с эмиттерной связью (Q1/Q4, Q3/Q5), выходы которых соединены (токи суммируются) с противоположными фазами. Эмиттерные переходы этих каскадов усилителя питаются от коллекторов третьей дифференциальной пары (Q2/Q6). Выходные токи Q2/Q6 становятся эмиттерными токами для дифференциальных усилителей. Упрощенно, выходной ток отдельного транзистора определяется как i c = g m v be . Его крутизна g m составляет (при T = 300 K ) около g m = 40 I C . Объединение этих уравнений дает i c = 40 I C v be,lo . Однако I C здесь определяется как v be,rf g m,rf . Следовательно i c = 40 v be,lo v be,rf g m,rf , что является произведением v be,lo и v be,rf . Объединение двух различных выходных токов каскадов дает четырехквадрантную работу.
Топологию Джонса можно обобщить, «наложив» друг на друга любое количество пар дифференциальных пар (два дифференциальных входа и два дифференциальных выхода которых также соединены в противофазе и синфазно соответственно) поверх обычной ячейки Джонса, что приведет к схеме, которая сохранит сбалансированный характер работы ячейки Джонса. В частности, дифференциальный выходной ток теперь будет пропорционален произведению произвольного количества дифференциальных входов (или некоторой транслинейной функции от него). [4] Однако полезность этого обобщения в практических настройках микроэлектроники ограничена из-за большого запаса по напряжению, необходимого для удержания всех транзисторов в надлежащей (прямолинейной) области работы .
Однако в ячейках, позже изобретенных Гилбертом, показанных на рисунке справа, есть два дополнительных транзистора, соединенных диодами (обозначенных как V1 и V2). Это принципиальное отличие, поскольку они генерируют логарифм связанного дифференциального (X) входного тока, так что экспоненциальные характеристики следующих транзисторов приводят к идеальному умножению этих входных токов с оставшейся парой (Y) токов. Эта дополнительная топология диодной ячейки обычно используется, когда требуется усилитель с низким искажением, управляемый напряжением (VCA). Эта топология редко используется в приложениях с радиочастотными смесителями/модуляторами по разным причинам, одна из которых заключается в том, что преимущество линейности верхнего линеаризованного каскода минимально из-за сигналов возбуждения, близких к прямоугольным волнам, на этих базах. Возбуждение с меньшей вероятностью будет прямоугольным сигналом с быстрым фронтом на очень высоких частотах, когда может быть некоторое преимущество в линеаризации.
В настоящее время функционально схожие схемы можно построить с использованием ячеек КМОП или БиКМОП.
