При создании схем различных радиоэлектронных устройств, таких как радиоприемники, передатчики, устройства охранной сигнализации, требуется осуществлять умножение одного сигнала на другой, поэтому были разработаны схемы аналоговых умножителей сигналов. Наиболее распространенной схемой является схема кольцевого умножителя на биполярных транзисторах. Пример подобной схемы приведен на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема аналогового умножителя сигналов
Наиболее часто аналоговый умножитель требуется в смесителях радиоприемника. В них при помощи операции умножения сигналов осуществляется перенос спектра принимаемого сигнала на более низкую частоту (осуществляется преобразование частоты). Точно также в приемниках аналоговые умножители сигналов применяются для реализации синхронных амплитудных детекторов при приеме амплитудно-модулированных сигналов (АМ) и частотных детекторов при приеме частотно-модулированного сигнала (ЧМ, FM).
В радиостанциях и сотовых аппаратах умножители применяются для переноса спектра полезного сигнала вверх по частоте. При этом они обычно входят в состав квадратурных модуляторов, применяемых при формировании современных видов цифровой модуляции, таких как MSK, BPSK, DQPSK или QAM.
Еще одной областью применения аналоговых умножителей является электронное изменение уровня сигнала (регулировка громкости, яркости, контрастности, цветности). В этом случае регулируемый сигнал умножается на постоянное напряжение и в результате изменяется его амплитуда на выходе схемы умножителя, который в данном случае применяется в качестве регулятора уровня. При использовании идеального умножителя не возникают нелинейные искажения, влияющие на качество сигнала.
При реализации адаптивных фильтров, компенсаторов помех и шумов, фильтров Калмана при регулировке сигнала важно обеспечить высокую линейность характеристик при работе с малыми уровнями выходных сигналов и возможность передачи на выход сигнала как с прямой, так и с обратной полярностью. Эту уникальную возможность обеспечивают аналоговые умножители сигналов.
Принцип работы аналоговых умножителей, также как и смесителей частоты, основан на нелинейности электронных приборов, обычно транзисторов. Идеальной формой вольтамперной характеристикой для их построения является квадратичная зависимость. Однако на выходе подобных электронных приборов образуются токи с не только полезной составляющей тока, равной произведению входных напряжений, но и гармоники входных сигналов, в том числе и исходные входные сигналы.
Аналоговые умножители, в отличие от преобразователей частоты (смесителей), обычно работают с широкополосными сигналами. Поэтому в схемах аналоговых умножителей часто нет возможности улучшить характеристики умножения при помощи полосовых фильтров (или каких либо других частотных фильтров). Именно по этой причине схемы аналоговых умножителей строятся по кольцевой схеме.
В приведенной на рисунке 1 схеме, кольцевая схема образуется транзисторами VT1, VT3, VT4, VT6. На базы транзисторов VT1 и VT3 напряжение подается в противофазе, поэтому напряжение выходного сигнала, формирующееся на резисторах R1 и R2 будет тоже противофазным. Точно такая же ситуация происходит и на транзисторах VT4 и VT6. В схеме транзистор VT6 подключен к резистору R2, поэтому напряжение, формируемое током транзистора VT6 будет компенсировать напряжение от транзистора VT3. Точно также будут компенсироваться и напряжения транзисторов VT1 и VT4 на резисторе R1. В результате напряжение со входа X не сможет пройти на выход схемы аналогового умножителя.
Похожая ситуация создается и при поступлении сигнала на вход Y. На этот раз увеличение тока транзистора VT2 будет компенсироваться уменьшением тока транзистора VT5. Это происходит из-за того, что напряжения на входы этих транзисторов подаются в противофазе. Суммарный ток на резисторах R1 и R2 изменяться не будет, а, следовательно, напряжение сигнала Y на выход аналогового умножителя не пройдет.
Совершенно другая ситуация создается с составляющей тока, пропорциональной произведению сигналов X×Y. В этом случе токи от транзисторов VT1, VT4 будут суммироваться. То же самое произойдет и с токами транзисторов VT3, VT6. В результате на резисторах R1 и R2 выделится напряжение произведения сигналов X и Y.
Описанный принцип реализации аналоговых умножителей широко используется в интегральных микросхемах. В качестве примера можно привести отечественные микросхемы К525ПС2 и К525ПС3. В настоящее время иностранные фирмы выпускают ряд интегральных аналоговых умножителей. На рисунке 2 приведена схема включения микросхемы AD834.
Рисунок 2. Схема аналогового умножителя сигналов на микросхеме AD834
