一種高頻四象限電流乘法器電路設(shè)計
0引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/186356.htm四象限模擬乘法器是模擬信號處理系統(tǒng)中的基本的組成單元,它被廣泛地應用于調(diào)制與解調(diào)、檢波、頻率變換、自動增益控制、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等許多模擬信號處理電路中。已有一些CMOS四象限電流乘法器被提出,歸納起來,它們的設(shè)計方法可以分成2類;開關(guān)電容方法和連續(xù)時間方法?;陂_關(guān)電容方法的乘法器設(shè)計方案,存在一些問題,諸如時鐘饋通現(xiàn)象,帶寬有限信號和頻譜混疊等。此外,要求精準的時鐘和更大的芯片面積。很多乘法器是基于連續(xù)時間方案而設(shè)計的。目前,有3種方案可以實現(xiàn)連續(xù)時間模擬乘法器。第1種方法是使用工作在飽和區(qū)或亞閾值區(qū)的MOS管的線性跨導原理去實現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點就是電路的功耗低,但是電路的動態(tài)范圍非常小,運算速度也慢。第2種方法是基于使用工作在飽和區(qū)的MOS管平方律特性的電流模平方根電路和平方電路去實現(xiàn)。但是,這種方案實現(xiàn)的乘法器的功耗大,這類乘法器要求所有的輸入信號都需要加偏置電流,從而使MOS管工作在飽和區(qū)。最后一種方案是采用AB類的電流模單元電路。它不需要給輸入信號加偏置電流。AB類的CMOS電流乘法器已經(jīng)見于報道。文獻提到的電路由2個AB類的電流模單元相互交叉連接組成。它的改進型電路使用了電流傳輸器(CCII),在文獻中提到了,這種改進型電路進一步減小了輸入阻抗。該電路允許提供更大的柵源電壓,同時電路的精度很大地提高了。但是在他們的設(shè)計中,輸出電流不會是真正的乘法實現(xiàn)。另外,由于PMOS管的載流子的低移動性,電路的頻率響應大大地受到了限制。
一種不依賴于MOS管參數(shù)的電流乘法器在文獻中被提到了。這種電流乘法器的優(yōu)點是盡管輸入電流在變化,輸入電阻仍然保持常數(shù)。然而這種電路要求提供5V的供電電壓,限制了其在高供電電壓系統(tǒng)中的應用。而且該電路的工作頻率相當?shù)?,功耗高。文獻中提到了一種低壓CMOS電流乘法器。該電路是由所有MOS管都工作在飽和區(qū)的2個電流鏡背對背連接組成。雖然這種背對背的電流鏡結(jié)構(gòu),組合在一起,增加了帶寬,但由于PMOS管的速度低,這種電路仍然不能工作在高頻電路中。文獻中提到了一種高頻電流乘法器。該電路是由4個二次單元電路組成。這種二次單元是由3個偏置工作在飽和區(qū)的NMOS管組成的。這種對稱結(jié)構(gòu)帶來了較低的諧波失真。但是這種電路存在襯底效應,因此不能工作在特別高的頻率,它的-3dB帶寬只有41MHz。
本文提出了一種高頻四象限電流乘法器。該乘法器電路結(jié)構(gòu)對稱。提出的乘法器電路工作在±1.18V的電源電壓下。由于從輸人端到地的低寄生電容,該電路可以工作在高頻條件下,實驗測得它的-3dB帶寬可以達到1.741GHz。
1電路工作原理
本文提出的這種電流乘法器是基于圖1所示的基本的單元電路而設(shè)計成的。圖1所示的電路,輸出電流Iout和輸入電流Iin是二次函數(shù)的關(guān)系。這種二次單元電路是由MN、MP和MC組成的。其中MN和MP是偏置工作在三極管區(qū),MC是工作在飽和區(qū)。如果MN和MP有相同的跨導因子(kP=μPCOXWP/LP=kN=μNCOXWN/LN=k),從圖1可以很容易得到輸入電壓Vin和輸出電流的Iout的表達式如下:
很顯然,二次單元電路帶來了輸出電流和MOS管漏極電流的二次函數(shù)的關(guān)系。在圖2中顯示了提出的四象限電流乘法器電路。圖2中用到的電流模減法器電路如圖3所示。這里用到的減法器不同于文獻中的電壓減法電路。圖2電路是由4個二次單元電路構(gòu)成。該乘法器的輸入電流是輸入電流IX和IY的和與差。通過使用由式(2)所得到的輸出電流和輸入電流的二次關(guān)系,可以得到MOS管MC1,MC2,MC3和MC4的漏極電流的表達式如下:
從圖2可以看出,由于IO1是IC1和IC2的和,而IO2是IC3和IC4的和,因此可以推導出IO1和IO2表達式如下:
這種四象限乘法器的輸出電流Iout是IO1和IO2的差,由如下表達式給出:
可以看到在公式(9)中,輸出電流IOUT等于電流IX和IY的乘積,伴有一個由跨導因子K和依賴于電源的參數(shù)a決定的乘法增益因子。很顯然,可以通過調(diào)節(jié)跨導參數(shù)k和參數(shù)a,來調(diào)節(jié)乘法器的增益。參數(shù)k和MOS管的尺寸直接相關(guān)。減小跨導參數(shù)k或MOS管的尺寸,帶來了較高的增益和較低的功耗,同時由于與MOS管相關(guān)的較小的寄生電容的作用,使得電路的速度也改進了。但是,減小參數(shù)k,仍需慎重考慮。因為較小的跨導參數(shù)k會帶來較低的線性度和較小的靜態(tài)電流,而這會降低輸入電流的范圍。相反,大的參數(shù)值k會帶來較大的靜態(tài)電流,因此會有較大的電流輸入范圍。但是這就會增加電路的總功耗。顯然,參數(shù)k的選擇要求最佳化。當然,也可以通過調(diào)節(jié)電源依賴因子a來調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)電路的增益。a的大小直接決定了電路的功耗和輸人工作電流的范圍。
2電路仿真結(jié)果
對圖2所示乘法器的性能使用Hspice仿真軟件進行仿真驗證,其中MOS晶體管模型參數(shù)由標準的0.35μmCMOS工藝提供。所有NMOS管和PMOS管的閾值電壓分別為0.53~0.69V。MOS管的寬長比設(shè)置如下:M1P~M4P,60μm/0.7μm,MIN~M4N,20μm/0.7μm,MC1~MC4,25μm/0.7μm,M5~M8,25μm/0.7μm。電源電壓為±1.18V。圖4顯示了電流乘法器電路在輸入電流IY在-20~20μA范圍內(nèi)變化時的直流傳輸特性曲線。在圖4中,從右下到右上的5條曲線分別是輸入電流IX為-20μA,-10μA,0μA,10μA和20μA時的輸出電流Iout隨輸入電流IY變化的直流傳輸特性曲線。
圖5顯示了提出的乘法器電路的頻率響應曲線。在仿真過程中,輸入電流IX為正弦信號電流,同時輸入電流IY保持為10μA。由圖5可以看到,電路的電流標準分貝增益隨頻率變化,所設(shè)計的乘法器電路展示出了良好的頻率特性,得到的-3dB帶寬為1.741GHz,遠遠超過了文獻中提到的(413MHz)。這是由于電路中從輸入端到地的寄生電容減小的緣故。整個電路的功耗為1.18mW。
3結(jié)語
本文提出了一種低壓高頻四象限電流乘法器電路。該乘法器電路的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單而且對稱。電路可以工作在高頻條件下(f-3dB=1.741GHz),整個電路的功耗為1.18mW。
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