La celda de Gilbert en electrónica es un circuito multiplicador analógico de cuatro cuadrantes propuesto por Barry Gilbert en 1968. Es el núcleo de un multiplicador en tres etapas diferenciales , complementado por convertidores de diodos de voltajes de entrada a corrientes (V1, V2 en los diagramas). La celda de Gilbert, en una forma beta-dependiente modificada , funciona como mezclador o modulador balanceado en la mayoría de las radios y teléfonos celulares modernos [1] .
A diferencia de los circuitos multiplicadores anteriores que operaban con voltajes , la celda unitaria de Gilbert opera exclusivamente con corrientes : los multiplicadores de entrada no se establecen por voltajes , sino por corrientes, su producto también se lee en forma de corriente. El esquema de Gilbert fue el primero en compensar la deriva de temperatura y la no linealidad de los multiplicadores tradicionales; ya en 1968, los primeros diseños industriales mostraban un error de multiplicación total de menos del 1% en frecuencias de operación hasta 500 MHz [2] . Los primeros multiplicadores de celdas de Gilbert controlados por voltaje de precisión (AD534) tenían una precisión del 0,1 % a costa de reducir el ancho de banda a 1 MHz [3] .
En la literatura soviética, los multiplicadores según el esquema de Gilbert se llamaban multiplicadores con normalización de corriente [4] , multiplicadores en divisores de corriente controlados por corriente [5] ; el primer microcircuito soviético de este tipo, 525PS1, se anunció en 1979 [6] [4] . En los libros de texto modernos en inglés, el concepto de la celda de Gilbert se interpreta de manera amplia y se transfiere erróneamente al conocido núcleo multiplicador "antes de Gilbert" en tres etapas diferenciales [7] .
| Multiplicador de voltaje de tres etapas diferenciales (Howard Jones, 1963). Se aplica un voltaje modulado a las bases de las etapas diferenciales superiores y un voltaje modulado a las bases de las etapas diferenciales inferiores. |
Un diagrama simplificado de una celda de Gilbert independiente de beta. La versión original y más avanzada del esquema, que, sin embargo, no se convirtió en masa. |
Un diagrama simplificado de una célula de Gilbert dependiente de beta. A pesar de la imperfección técnica (dependencia de la ganancia actual), gracias a la capacidad de fabricación y la facilidad de uso, esta versión particular entró en producción en masa. |
En la década de 1960, comenzó la transición de los circuitos de transistores discretos a los circuitos integrados (CI) monolíticos . La integración de todos los componentes del circuito en un solo chip hizo posible poner en práctica circuitos que no funcionaban en un diseño discreto, incluido un circuito multiplicador de cuatro cuadrantes en tres etapas diferenciales con salidas cruzadas. Fue inventado en 1963 por Howard Jones de Honeywell (patente estadounidense 3241078) [7] . Dichos circuitos se producían en masa (por ejemplo, 526PS1 [8] ), pero no eran adecuados para un uso masivo . Debido al bajo nivel permitido de voltajes de entrada, comparable al voltaje de polarización cero del amplificador operacional [9] , era sensible a la variación de temperatura, requería un ajuste preciso del cero y tenía un alto nivel de ruido [10] . El factor de multiplicación era proporcional al cuadrado de la temperatura absoluta [9] . En 1968, el técnico de Tektronix , Barry Gilbert , propuso una solución: cambiar del control de voltaje al control de corriente :
Los problemas de este tipo de multiplicador pueden resolverse en su mayoría mediante el uso de convertidores de diodos de voltajes de entrada a corrientes. Un circuito completamente impulsado por corriente se vuelve lineal (al menos teóricamente) y virtualmente independiente de los efectos de la temperatura.
Texto original (inglés)[ mostrarocultar] Sin embargo, el problema con este tipo de multiplicador se puede superar en gran medida mediante el uso de diodos como convertidores de corriente-voltaje para las entradas base, lo que hace que el circuito esté completamente controlado por la corriente, teóricamente lineal y sustancialmente libre de los efectos de la temperatura [10] .Gilbert demostró que aunque su circuito seguía siendo sensible a los desequilibrios en los parámetros de los transistores individuales , su comportamiento dependía poco de la ganancia típica de los transistores y la resistencia óhmica de sus uniones pn , dada por el proceso de fabricación [11] . En este sentido, el primer circuito de celdas de Gilbert era beta-independiente [12] : la distorsión introducida por los diodos de entrada (V1 y V2 en el circuito) compensaba la distorsión introducida por los transistores de etapa diferencial [13] .
En la práctica, la orientación de V1 y V2, exitosa desde el punto de vista de las distorsiones, resultó inconveniente tanto en la producción como en la aplicación práctica [12] . Por lo tanto, en la segunda versión de su multiplicador, Gilbert movió V1 y V2 "hacia arriba" (hacia el riel de alimentación positiva); esto simplificó tanto la topología del IC como su enlace con el equipo real, ya que ahora ambos canales de entrada estaban controlados por corrientes en el misma dirección [12] . Al mismo tiempo, el ruido, la distorsión y la deriva de temperatura de los parámetros aumentaron, y la dependencia de la ganancia de corriente se triplicó (el circuito se volvió dependiente de beta ) [12] . Fue este esquema el que fue patentado por Gilbert y Tektronix en 1972 (solicitud con fecha de prioridad del 13 de abril de 1970) [14] y fue sobre esta base que se diseñaron casi todos los multiplicadores seriales (incluido el Motorola MC1495 masivo [15] y su Análogo soviético 525PS1 [4] ) — la funcionalidad resultó ser más importante [12] . Al ser nodos funcionalmente simples e inacabados, estos circuitos integrados tenían treinta o más componentes internos; por ejemplo, el MC1495 tiene dieciséis transistores activos, cuatro transistores conectados a diodos (incluidos V1, V2) y diez resistencias de dos valores [15] .
El control de corriente fue un gran inconveniente [16] y, por lo tanto, se lanzaron circuitos integrados más complejos con control de voltaje y estabilización de etapa de entrada (525PS2 - 27 transistores activos, 34 resistencias [17] ). El desarrollo del circuito de Gilbert fue un multiplicador analógico universal (UAPS, un ejemplo es AD633 [18] ), en el que se agregó un cuarto, llamado Z - diffcascade al circuito de retroalimentación de la señal de salida, que compensa la no linealidad de la celda base. [19] .
Centrándose en el análisis de las propiedades de los circuitos cerrados formados por uniones de emisores V1, V2 y etapas diferenciales, Gilbert llegó al concepto de circuitos translineales y derivó el principio de translinealidad (publicado por primera vez en 1975 [21] ) [22] .
La mayoría de los libros de texto modernos de ingeniería de circuitos en inglés (por ejemplo, Drentea [23] , Razavi [24] ) llaman a la "célula de Gilbert" no un invento de Gilbert, sino el multiplicador de Howard Jones que lo precedió, controlado no por corrientes, sino por voltajes [ 7] . El propio Gilbert señaló repetidamente la falacia de esta opinión, pero muchos años de engaño resultaron ser más fuertes [7] .