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基于CMOS工藝下的Gillbert單元乘法器的研究

電子設(shè)計 ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設(shè)計 ? 2019-05-31 08:20 ? 次閱讀
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引言

集成電路系統(tǒng)中,模擬乘法器在信號調(diào)制解調(diào)、鑒相、頻率轉(zhuǎn)換、自動增益控制和功率因數(shù)校正控制等許多方面有著非常廣泛的應(yīng)用。實現(xiàn)模擬乘法器的方法有很多,按采用的工藝不同,可以分為三極管乘法器和CMOS乘法器。

CMOS模擬乘法器的工作原理有三種:基于MOS管在飽和區(qū)工作時的平方法則,這種模擬乘法器性能好,但結(jié)構(gòu)復雜;基于MOS管在線性區(qū)工作時的電流電壓法則,這種模擬乘法器比較適宜低壓運用;采用Gillbert單元實現(xiàn)的模擬乘法器。本文詳細分析了采用Gillbert單元實現(xiàn)的模擬乘法器的原理,對其進行了改進,使它能擁有更低的工作電壓和更大的輸入范圍。

基本電路原理

簡單的Gillbert單元CMOS模擬乘法器如圖1所示,圖中M1管給乘法器提供偏置電流ISS。忽略MOS管的溝道長度調(diào)制效應(yīng),工作在飽和區(qū)的MOS管電流都可以寫成:

基于CMOS工藝下的Gillbert單元乘法器的研究

若M2、M3的寬長比相同,設(shè)為(w/1)2,由Vx=VGS3-VGS2可得:

基于CMOS工藝下的Gillbert單元乘法器的研究

若M4、M5、M6、M7這四個管子的寬長比相同,設(shè)為(w/1)4,則可以得到:

基于CMOS工藝下的Gillbert單元乘法器的研究

由VGS4-VCS5=Vy得:

基于CMOS工藝下的Gillbert單元乘法器的研究

從而有:

基于CMOS工藝下的Gillbert單元乘法器的研究

同理可得:

基于CMOS工藝下的Gillbert單元乘法器的研究

所以:

基于CMOS工藝下的Gillbert單元乘法器的研究

基于CMOS工藝下的Gillbert單元乘法器的研究

基于CMOS工藝下的Gillbert單元乘法器的研究

如此就實現(xiàn)了乘法功能。

如果要使圖1中的乘法器正常工作,那么至少要保證所有的管子都處在飽和工作區(qū),因此電源電壓至少需要:

基于CMOS工藝下的Gillbert單元乘法器的研究

式中在電源的飽和壓降。如果要實現(xiàn)兩個大電電壓較低的情況下,電路不能正常工作,因此需要對它進行改進,降低乘法器的工作電壓。

如圖2所示,將輸入電壓Vx產(chǎn)生的電流通過M4、M5鏡像到M6、M7管。把M2、M3的寬長比設(shè)成相等,用(w/1)2,3來表示;把M8、M9、M10、M11的寬長比設(shè)成相等,用(w/1)8,9來表示;把M4、M5、M6、M7的寬長比設(shè)成相等??傻茫?/p>

基于CMOS工藝下的Gillbert單元乘法器的研究

與圖1中的電路相比,圖2的模擬乘法器工作所需要的電源電壓比圖1少一個飽和壓降,所以能在更低的電源電壓下工作。與圖1相似,如果圖2的電路要正常工作,那么

基于CMOS工藝下的Gillbert單元乘法器的研究

的飽和壓降。如果要實現(xiàn)兩個大電壓信號的相乘,該輸入范圍是遠遠不夠的。因此,本文在乘法器的輸入端加入了一個有源衰減電路,以增大電路的輸入范圍。

NMOS有源衰減電路如圖3(a)所示,它提供Vx的輸入;PMOS有源衰減電路如圖3(b)所示,提供Vy的輸入。兩個電路的原理相同,以圖3(a)中的NMOS電路為例,設(shè)A點輸入電壓VA,M2處在飽和區(qū),VB

基于CMOS工藝下的Gillbert單元乘法器的研究

M5、M6作為電平位移電路,為乘法器的輸入端提供電壓偏置。由(11)式可得:

基于CMOS工藝下的Gillbert單元乘法器的研究

通過調(diào)整M1、M2的寬長比可以調(diào)節(jié)Vout與Vin的比值,改變它的輸入范圍。

仿真結(jié)果

基于上華0.6μm CMOS工藝,電路采用Cadence Spectre仿真器進行了仿真模擬。乘法器使用3V電源電壓時,仿真結(jié)果顯示,當輸入電壓在0~2V之間變化時,輸出基本上與輸入成線性變化。也就是說,采用3V電源電壓時,乘法器的兩個輸入電壓能夠達到2V而不產(chǎn)生明顯線性失真。這驗證了本文設(shè)計的正確性。

結(jié)語

本文分析了CMOS工藝下的Gillbert單元乘法器,對這種乘法器做了改進,降低了乘法器工作所需要的電源電壓,擴大了乘法器的輸入范圍。


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