Введение

В электронике аналоговый умножитель – это устройство, которое принимает два аналоговых сигнала и выдает сигнал, равный их произведению. Такие схемы могут использоваться для реализации связанных функций, таких как возведение в квадрат (подаётся один и тот же сигнал на оба входа) и извлечение квадратного корня. Электронный аналоговый умножитель может иметь различные названия в зависимости от выполняемой функции (см. области применения аналоговых умножителей).

Усилитель с регулируемым напряжением против аналогового мультипликатора

Если один вход аналогового умножителя поддерживается на постоянном напряжении, сигнал на втором входе будет масштабироваться пропорционально уровню на фиксированном входе. В этом случае аналоговый умножитель можно рассматривать как усилитель с управлением напряжением. Очевидными областями применения являются электронное управление громкостью и автоматическая регулировка усиления (АРУ). Хотя аналоговые умножители часто используются для таких задач, усилители с управлением напряжением не обязательно являются полноценными аналоговыми умножителями. Например, интегральная схема, разработанная для использования в качестве регулятора громкости, может иметь вход для сигнала, рассчитанный на 1 В пик-пик, и вход управления, рассчитанный на 0,5 В постоянного тока; то есть, два входа несимметричны, и вход управления будет иметь ограниченную полосу пропускания. В отличие от этого, в том, что обычно считается полноценным аналоговым умножителем, два сигнальных входа имеют идентичные характеристики. Области применения, специфичные для полноценного аналогового умножителя, – это те, где оба входа являются сигналами, например, в частотном смесителе или аналоговой схеме для реализации дискретного преобразования Фурье. Ввиду требуемой точности для обеспечения корректной и линейной работы устройства во всем диапазоне входных сигналов, полноценный аналоговый умножитель, как правило, значительно дороже усилителя с управлением напряжением. Четырехквадрантный умножитель – это устройство, в котором входные и выходные сигналы могут изменяться как в положительную, так и в отрицательную сторону. Многие умножители работают только в двух квадрантах (один вход может иметь только одну полярность) или в одном квадранте (входы и выходы имеют только одну полярность, обычно все положительные).

Аналоговые множители

Аналоговое умножение может быть реализовано с использованием эффекта Холла. Клетка Гилберта – это схема, выходной ток которой представляет собой четырехквадрантное умножение двух дифференциальных входных сигналов. Аналоговые умножители, выполненные в виде интегральных схем, используются во многих приложениях, таких как истинный RMS-преобразователь, но также доступны и универсальные аналоговые умножители, например, Linear Four Quadrant Multiplier. Универсальные устройства обычно включают аттенюаторы или усилители на входах или выходах для масштабирования сигнала в пределах допустимого напряжения схемы. Хотя схемы аналоговых умножителей очень похожи на операционные усилители, они гораздо более чувствительны к шумам и проблемам, связанным с напряжением смещения, поскольку эти ошибки могут быть умножены. При работе с высокочастотными сигналами фазовые искажения могут быть весьма сложными. По этой причине производство универсальных аналоговых умножителей с широким диапазоном гораздо сложнее, чем производство обычных операционных усилителей, и такие устройства обычно изготавливаются с использованием специализированных технологий и лазерной подгонки, как и устройства, используемые для высокопроизводительных усилителей, например, инструментальных усилителей. Это означает, что они относительно дороги и, следовательно, обычно используются только в схемах, где они необходимы. Некоторые широко доступные аналоговые умножители на рынке: MPY634 от Texas Instruments, AD534, AD632 и AD734 от Analog Devices, HA2556 от Intersil и множество других от различных производителей интегральных схем.

Аналоговый и цифровой компромисс при умножении

В большинстве случаев функции, выполняемые аналоговым умножителем, могут быть реализованы лучше и экономичнее с помощью методов цифровой обработки сигналов. На низких частотах цифровое решение обходится дешевле и является более эффективным, а также позволяет изменять функциональность схемы в программном обеспечении. С ростом частоты стоимость реализации цифровых решений возрастает значительно быстрее, чем для аналоговых. По мере развития цифровых технологий применение аналоговых умножителей все больше ограничивается высокочастотными схемами или узкоспециализированными приложениями. Кроме того, большинство сигналов в конечном итоге оцифровываются на каком-либо этапе обработки, и, по возможности, функции, требующие умножителя, переносятся в цифровую область. Например, в первых цифровых мультиметрах функции истинного среднеквадратичного значения (RMS) обеспечивались внешними аналоговыми умножительными схемами. В настоящее время (за исключением высокочастотных измерений) наблюдается тенденция к увеличению частоты дискретизации АЦП для оцифровки входного сигнала, что позволяет цифровому процессору выполнять вычисление RMS и широкий спектр других функций. Однако, оцифровка сигнала на максимально раннем этапе обработки требует чрезмерного энергопотребления из-за необходимости использования высокоскоростных АЦП. Гораздо более эффективным решением является аналоговая предварительная обработка для подготовки сигнала и уменьшения его полосы пропускания, чтобы энергия расходовалась только на оцифровку той части спектра, которая содержит полезную информацию. Кроме того, цифроуправляемые резисторы позволяют микроконтроллерам реализовывать множество функций, таких как регулировка тембра и автоматическая регулировка усиления (AGC), без непосредственной обработки оцифрованного сигнала.