Gilbertův článek v elektronice je čtyřkvadrantový analogový multiplikační obvod navržený Barrym Gilbertem v roce 1968. Je jádrem násobiče na třech diferenčních stupních , doplněného o diodové převodníky vstupních napětí na proudy (ve schématech V1, V2). Gilbertův článek v modifikované beta-dependentní formě funguje jako směšovač nebo vyvážený modulátor ve většině moderních rádií a mobilních telefonů [1] .
Na rozdíl od předchozích násobičů, které pracovaly s napětím , pracuje Gilbertův základní článek výhradně s proudy - vstupní násobiče nejsou nastaveny napětími , ale proudy, jejich součin je čten také ve formě proudu. Gilbertovo schéma bylo první, které kompenzovalo teplotní posun a nelinearitu konvenčních multiplikátorů; již v roce 1968 vykazovaly první průmyslové vzory celkovou chybu násobení menší než 1 % při pracovních frekvencích do 500 MHz [2] . První přesné napěťově řízené násobiče Gilbertova článku (AD534) měly přesnost 0,1 % za cenu snížení šířky pásma na 1 MHz [3] .
V sovětské literatuře byly multiplikátory podle Gilbertova schématu nazývány multiplikátory s proudovou normalizací [4] , multiplikátory na proudově řízených děličích proudu [5] ; první sovětský mikroobvod tohoto druhu, 525PS1, byl oznámen v roce 1979 [6] [4] . V moderních anglicky psaných učebnicích je pojem Gilbertova buňka vykládán široce a mylně přenášen na známé jádro multiplikátoru „před Gilbertem“ na třech diferenciálních stupních [7] .
| Třídiferenční násobič napětí (Howard Jones, 1963). Modulované napětí je aplikováno na báze horních diferenciálních stupňů a modulační napětí je aplikováno na báze spodních diferenciálních stupňů. |
Zjednodušený diagram beta-nezávislé Gilbertovy buňky. Původní pokročilejší verze schématu, která se však nestala masovou |
Zjednodušený diagram beta-dependentní Gilbertovy buňky. I přes technickou nedokonalost (závislost na aktuálním zisku) se díky vyrobitelnosti a snadnému použití dostala tato konkrétní verze do sériové výroby. |
V 60. letech začal přechod od diskrétních tranzistorových obvodů k monolitickým integrovaným obvodům (IC). Integrace všech obvodových součástek na jediném čipu umožnila uvést do praxe obvody, které byly nefunkční v diskrétním provedení - včetně čtyřkvadrantového násobiče na třech diferenciálních stupních se zkříženými výstupy. Byl vynalezen v roce 1963 Howardem Jonesem z Honeywell (US Patent 3241078) [7] . Takové obvody byly sériově vyráběny (například 526PS1 [8] ), ale nebyly vhodné pro masové použití. Vzhledem k nízké přípustné úrovni vstupních napětí, srovnatelné s nulovým předpětím operačního zesilovače [9] , byl citlivý na teplotní drift, vyžadoval přesné nastavení nuly a měl vysokou hladinu hluku [10] . Násobící faktor byl úměrný druhé mocnině absolutní teploty [9] . V roce 1968 technik Tektronix Barry Gilbert navrhl řešení - přechod z řízení napětí na řízení proudu :
Problémy tohoto typu násobiče lze většinou řešit použitím diodových převodníků vstupních napětí na proudy. Plně proudově řízený obvod se stává lineárním (alespoň teoreticky) a prakticky nezávislým na vlivech teploty.
Původní text (anglicky)[ zobrazitskrýt] Problém s tímto typem násobiče však lze do značné míry překonat použitím diod jako převodníků proud-napětí pro základní vstupy, čímž se obvod stane zcela proudově řízeným, teoreticky lineárním a v podstatě bez teplotních vlivů [10] .Gilbert ukázal, že ačkoliv jeho obvod zůstal citlivý na nevyváženost parametrů jednotlivých tranzistorů, jeho chování bylo málo závislé na typickém zesílení tranzistorů a ohmickém odporu jejich pn přechodů , dané výrobním procesem [11] . V tomto smyslu byl první obvod Gilbertova článku nezávislý na beta [12] : zkreslení způsobené vstupními diodami (V1 a V2 v obvodu) kompenzovalo zkreslení způsobené diferenciálními tranzistory [13] .
V praxi se orientace V1 a V2, úspěšná z hlediska zkreslení, ukázala jako nevhodná jak ve výrobě, tak v praktické aplikaci [12] . Proto ve druhé verzi svého násobiče Gilbert přesunul V1 a V2 "nahoru" (na kladnou napájecí kolejnici) - to zjednodušilo jak topologii IC , tak její vazbu na skutečné zařízení, protože nyní byly oba vstupní kanály řízeny proudy v stejným směrem [12] . Současně se zvýšil šum, zkreslení a teplotní drift parametrů a závislost na proudovém zesílení se zvýšila trojnásobně (obvod se stal beta závislým ) [12] . Právě toto schéma patentovali Gilbert a Tektronix v roce 1972 (přihláška s prioritou z 13. dubna 1970) [14] a na jeho základě byly navrženy téměř všechny sériové násobiče (včetně masové Motoroly MC1495 [15] a jeho Sovětský analog 525PS1 [ 4] ) — funkčnost se ukázala jako důležitější [12] . Jako funkčně jednoduché, nedokončené uzly měly tyto IO třicet nebo více vnitřních součástí - například MC1495 má šestnáct aktivních tranzistorů, čtyři tranzistory zapojené do diod (včetně V1, V2) a deset dvouhodnotových rezistorů [15] .
Velkou nepříjemností bylo řízení proudu [16] , a proto byly uvolněny složitější IO s řízením napětí a stabilizací vstupního stupně (525PS2 - 27 aktivních tranzistorů, 34 rezistorů [17] ). Vývojem Gilbertova obvodu byl univerzální analogový násobič (UAPS, příkladem je AD633 [18] ), ve kterém byla k obvodu zpětné vazby výstupního signálu přidána čtvrtá, tzv. Z - diffkaskáda, která kompenzuje nelinearitu základní buňky. [19] .
Gilbert se zaměřením na analýzu vlastností uzavřených obvodů tvořených přechody emitoru V1, V2 a diferenciálními stupni dospěl ke konceptu translineárních obvodů a odvodil princip translinearity (poprvé publikován v roce 1975 [21] ) [22] .
Většina moderních anglických učebnic obvodového inženýrství (například Drentea [23] , Razavi [24] ) nazývá „Gilbertův článek“ nikoli Gilbertův vynález, ale před ním předcházející Howard Jonesův multiplikátor, ovládaný nikoli proudy, ale napětími [ 7] . Sám Gilbert opakovaně upozorňoval na omyl tohoto názoru, ale mnohaletý blud se ukázal být silnější [7] .