A Gilbert cella az elektronikában egy négynegyedes analóg szorzóáramkör , amelyet Barry Gilbert javasolt 1968-ban. Ez a három differenciálfokozatú szorzó magja, amelyet a bemeneti feszültségek áramokká alakító dióda -átalakítói egészítenek ki (a diagramokon V1, V2). A Gilbert-cella módosított béta-függő formában keverőként vagy kiegyensúlyozott modulátorként működik a legtöbb modern rádióban és mobiltelefonban [1] .
A korábbi , feszültséggel működő szorzóáramköröktől eltérően a Gilbert egységcella kizárólag árammal működik – a bemeneti szorzót nem feszültségek , hanem áramok állítják be, szorzójukat áram formájában is leolvassák. Gilbert séma volt az első, amely kompenzálta a hőmérséklet-eltolódást és a hagyományos szorzók nemlinearitását; már 1968-ban az első ipari tervek 1%-nál kisebb teljes szorzási hibát mutattak 500 MHz -ig terjedő üzemi frekvenciákon [2] . Az első precíziós feszültségvezérelt Gilbert cellás multiplikátorok (AD534) 0,1%-os pontossággal rendelkeztek a sávszélesség 1 MHz-re való csökkentése árán [3] .
A szovjet irodalomban a Gilbert-séma szerinti szorzókat áramnormalizációs szorzóknak [4] , áramvezérelt áramosztók szorzóinak [5] nevezték ; az első ilyen jellegű szovjet mikroáramkört, az 525PS1-et 1979-ben jelentették be [6] [4] . A modern angol nyelvű tankönyvekben a Gilbert-sejt fogalmát tágan értelmezik, és tévesen a jól ismert "Gilbert előtt" szorzómagba helyezik át három differenciálfokozatban [7] .
| Három differenciálfokozatú feszültségszorzó (Howard Jones, 1963). A felső differenciálfokozatok alapjaira modulált feszültséget, az alsó differenciálfokozatok alapjaira pedig moduláló feszültséget kapcsolnak. |
Egy béta-független Gilbert-cella egyszerűsített diagramja. A séma eredeti, fejlettebb változata, amely azonban nem lett tömeges |
Egy béta-függő Gilbert-cella egyszerűsített diagramja. A műszaki hiányosságok ellenére (az áramerősségtől való függés) a gyárthatóságnak és a könnyű kezelhetőségnek köszönhetően ez a változat tömeggyártásba került. |
Az 1960-as években megkezdődött az átállás a diszkrét tranzisztoros áramkörökről a monolitikus integrált áramkörökre (IC). Az összes áramköri komponens egyetlen chipre történő integrálása lehetővé tette olyan áramkörök gyakorlatba ültetését, amelyek diszkrét kialakításban nem működtek – beleértve a négynegyedes szorzóáramkört három differenciálfokozaton, keresztezett kimenetekkel. 1963-ban Howard Jones, a Honeywell találta fel (US 3241078 szabadalom) [7] . Az ilyen áramköröket tömegesen gyártották (például 526PS1 [8] ), de tömeges felhasználásra nem voltak alkalmasak . A bemeneti feszültségek alacsony megengedett szintje miatt, amely összemérhető a műveleti erősítő nulla előfeszítési feszültségével [9] , érzékeny volt a hőmérséklet-eltolódásra, pontos nulla beállítást igényelt, és magas volt a zajszintje [10] . A szorzótényező az abszolút hőmérséklet négyzetével volt arányos [9] . 1968-ban a Tektronix technikusa, Barry Gilbert javasolta a megoldást – a feszültségszabályozásról az áramszabályozásra való átállást :
Az ilyen típusú szorzók problémái leginkább a bemeneti feszültségek árammá alakító dióda átalakítóival oldhatók meg. Egy teljesen áramvezérelt áramkör lineárissá válik (legalábbis elméletileg) és gyakorlatilag függetlenné válik a hőmérsékleti hatásoktól.
Eredeti szöveg (angol)[ showelrejt] Az ilyen típusú szorzók problémája azonban nagyrészt megoldható, ha az alapbemenetekhez diódákat használnak áram-feszültség átalakítóként, így az áramkör teljesen áramvezérelt, elméletileg lineáris és lényegében mentes a hőmérsékleti hatásoktól [10] .Gilbert kimutatta, hogy bár áramköre érzékeny maradt az egyes tranzisztorok paramétereinek kiegyensúlyozatlanságára, viselkedése kevéssé függött a tranzisztorok tipikus erősítésétől és pn átmeneteik ohmos ellenállásától , amelyet a gyártási folyamat adott [ 11] . Ebben az értelemben az első Gilbert-cellás áramkör béta-független volt [12] : a bemeneti diódák (az áramkörben V1 és V2) által okozott torzítás kompenzálta a differenciálfokozatú tranzisztorok által okozott torzítást [13] .
A gyakorlatban a V1 és V2 torzítási szempontból sikeres orientációja mind a gyártásban, mind a gyakorlati alkalmazásban kényelmetlennek bizonyult [12] . Ezért a szorzójának második változatában Gilbert a V1-et és a V2-t "felfelé" mozgatta (a pozitív tápsínre) - ez leegyszerűsítette mind az IC- topológiát , mind pedig a valós berendezésekhez való kötődését, mivel most mindkét bemeneti csatornát a rendszerben lévő áramok vezérlik. ugyanaz az irány [12] . Ezzel párhuzamosan nőtt a paraméterek zaja, torzulása és hőmérséklet-eltolódása, az áramerősítéstől való függés pedig háromszorosára nőtt (az áramkör béta-függővé vált ) [12] . Ezt a sémát szabadalmaztatta Gilbert és Tektronix 1972-ben (1970. április 13-i elsőbbségi kérelem) [14] , és ennek alapján tervezték meg szinte az összes soros szorzót (beleértve a tömeges Motorola MC1495-öt [15] és annak Szovjet analóg 525PS1 [4] ) – a funkcionalitás fontosabbnak bizonyult [12] . Funkcionálisan egyszerű, befejezetlen csomópontok lévén ezeknek az IC-knek harminc vagy több belső alkatrészük volt – például az MC1495-nek tizenhat aktív tranzisztorja, négy diódával kapcsolt tranzisztorja (köztük V1, V2) és tíz kétértékű ellenállása van [15] .
Az áramszabályozás nagy kényelmetlenséget okozott [16] , ezért bonyolultabb IC-k kerültek kiadásra feszültségszabályozással és bemeneti fokozat stabilizálással (525PS2 - 27 aktív tranzisztor, 34 ellenállás [17] ). A Gilbert áramkör fejlesztése egy univerzális analóg szorzó (UAPS, példa az AD633 [18] ) volt, amelyben a kimeneti jel visszacsatoló áramkörébe egy negyedik, úgynevezett Z - diffcascade került, amely kompenzálja a nemlinearitást. az alapcella. [19] .
A V1, V2 emitter átmenetek és a differenciálfokozatok által alkotott zárt áramkörök tulajdonságainak elemzésére összpontosítva Gilbert eljutott a transzlineáris áramkörök fogalmához, és levezette a transzlinearitás elvét (először 1975-ben publikálták [21] ) [22] .
A legtöbb modern angol nyelvű áramkörmérnöki szakkönyv (például Drentea [23] , Razavi [24] ) a „Gilbert cellát” nem Gilbert találmányának, hanem az azt megelőző Howard Jones-szorzónak nevezi, amelyet nem áramok, hanem feszültségek vezérelnek [ 7] . Maga Gilbert is többször rámutatott ennek a véleménynek a hamisságára, de a sok évnyi téveszme erősebbnek bizonyult [7] .