一種基于動(dòng)態(tài)閾值NMOS的1．2V CMOS模擬乘法器
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
由于動(dòng)態(tài)閾值NMOS晶體管M1～M4均滿足VDS≥VGS-VTH(N)，即M1～M4均工作在飽和區(qū)，但是必須考慮gmbs的影響。圖3所示的低壓低功耗CMOS模擬乘法器的等效小信號(hào)等效電路如圖4所示，條件是柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)VinA+和VinA-是暫時(shí)固定的，其中只表示了M1和M2晶體管，此時(shí)動(dòng)態(tài)閾值NMOS的跨導(dǎo)為gmbs，而實(shí)際的動(dòng)態(tài)閾值NMOS會(huì)>gmbs。由圖4，也可以直接獲得M3和M4的小信號(hào)等效電路。聯(lián)立M1～M4的等效電路可知，文中低壓CMOS模擬乘法器的最小轉(zhuǎn)換增益如式(9)所示，即實(shí)際轉(zhuǎn)換增益大于式(9)。由圖4所示的小信號(hào)等效電路，文中低壓CMOS模擬乘法器的最小頻帶寬度如式(5)所示。
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/178303.htm
3 設(shè)計(jì)結(jié)果與討論
基于CSMC 0．6 μm DPDM CMOS工藝的BSIM3V3 Spice模型，采用Hspice對(duì)圖3所示的低壓CMOS模擬乘法器進(jìn)行了仿真。圖5為1．2 V電源電壓條件下的模擬乘法器的時(shí)域特性，輸入信號(hào)VinA的頻率為5 MHz，信號(hào)峰峰值為1．0 V，而輸入信號(hào)VinB的頻率為100 MHz，信號(hào)峰峰值為0.5 V，輸出信號(hào)Vout的峰峰值為0．35 V。為分析輸出信號(hào)Vout的諧波特性，直接對(duì)圖5中的Vout曲線直接進(jìn)行快速傅里葉變換，獲得如圖6所示的諧波特性曲線，一次諧波和三次諧波的差值為40 dB，表明了低壓CMOS模擬乘法器具有優(yōu)秀的線性度。圖7為低壓CMOS模擬乘法器的頻率特性，輸出信號(hào)的頻帶寬度為375 MHz，如果用于RF混頻器，則IF帶寬為375 MHz。1．2 V CMOS模擬乘法器的平均電源電流約30 μA，即動(dòng)態(tài)功耗約為36 μW，證實(shí)了低功耗特性。
文獻(xiàn)基于0．35μm CMOS工藝，提出一種1．5 V CMOS模擬乘法器，輸出信號(hào)帶寬為719 MHz，動(dòng)態(tài)功耗為47μW，即電源電流約為31μA，晶體管個(gè)數(shù)為6，且需要額外的偏置電路。文獻(xiàn)的偏置電路功耗大于CMOS模擬乘法器本身的功耗。在1．5V電源電壓條件下約為70μA。與文獻(xiàn)的仿真設(shè)計(jì)結(jié)果比較，文中輸出信號(hào)帶寬小于文獻(xiàn)的帶寬，主要是由于0．6 μm CMOS工藝限制。文中模擬乘法器的功耗要小于文獻(xiàn)，并不需要額外的偏置電路，設(shè)計(jì)方便。
4 結(jié)束語(yǔ)
采用動(dòng)態(tài)閾值NMOS晶體管作為兩路輸入信號(hào)的輸入晶體管，采用4個(gè)動(dòng)態(tài)閾值NMOS和2個(gè)有源電阻實(shí)現(xiàn)了一種低壓低功耗CMOS模擬乘法器電路，節(jié)省了輸入晶體管數(shù)目，節(jié)省了偏置晶體管和偏置電路，實(shí)現(xiàn)低壓低功耗的目的。基于CSMC 0．6 μm DPDM CMOS工藝，1．2 V模擬乘法器的輸入信號(hào)VinA的頻率為5 MHz，信號(hào)峰峰值為1．0 V，而輸入信號(hào)VinB的頻率為100 MHz，信號(hào)峰峰值為0．5 V，則輸出信號(hào)Vout的峰峰值為0．35 V，一次諧波和三次諧波的差值為40 dB。1．2 V模擬乘法器輸出信號(hào)的頻帶寬度為375 MHz，平均電源電流約為30 μA，即動(dòng)態(tài)功耗約為36μW，能直接應(yīng)用于低功耗通信集成電路的設(shè)計(jì)。
評(píng)論