一種低壓高頻CMOS電流乘法器的設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種新穎的高頻四象限電流乘法器電路，該乘法器使用了工作在三極管區(qū)的互補(bǔ)MOS器件，并且采用了飽和區(qū)MOS管的平方律特性。該電路采用0．35μm CMOS工藝，使用HSpice軟件仿真。仿真結(jié)果顯示，該乘法器電路在±1．18V的電源電壓下工作時(shí)，靜態(tài)功耗為1．18 mW，-3 dB帶寬可達(dá)到1．741 GHz。與先前的電流乘法器電路相比，工作電壓降低了，帶寬提高了。
關(guān)鍵詞：CMOS電流乘法器；低壓；高頻；電流減法器

0 引言
四象限模擬乘法器是模擬信號(hào)處理系統(tǒng)中的基本的組成單元，它被廣泛地應(yīng)用于調(diào)制與解調(diào)、檢波、頻率變換、自動(dòng)增益控制、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等許多模擬信號(hào)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(lái)，它們的設(shè)計(jì)方法可以分成2類(lèi)；開(kāi)關(guān)電容方法和連續(xù)時(shí)間方法。基于開(kāi)關(guān)電容方法的乘法器設(shè)計(jì)方案，存在一些問(wèn)題，諸如時(shí)鐘饋通現(xiàn)象，帶寬有限信號(hào)和頻譜混疊等。此外，要求精準(zhǔn)的時(shí)鐘和更大的芯片面積。很多乘法器是基于連續(xù)時(shí)間方案而設(shè)計(jì)的。目前，有3種方案可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)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(dǎo)原理去實(shí)現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)就是電路的功耗低，但是電路的動(dòng)態(tài)范圍非常小，運(yùn)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(shí)現(xiàn)。但是，這種方案實(shí)現(xiàn)的乘法器的功耗大，這類(lèi)乘法器要求所有的輸入信號(hào)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(lèi)的電流模單元電路。它不需要給輸入信號(hào)加偏置電流。AB類(lèi)的CMOS電流乘法器已經(jīng)見(jiàn)于報(bào)道。文獻(xiàn)提到的電路由2個(gè)AB類(lèi)的電流模單元相互交叉連接組成。它的改進(jìn)型電路使用了電流傳輸器(CCII)，在文獻(xiàn)中提到了，這種改進(jìn)型電路進(jìn)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(shí)電路的精度很大地提高了。但是在他們的設(shè)計(jì)中，輸出電流不會(huì)是真正的乘法實(shí)現(xiàn)。另外，由于PMOS管的載流子的低移動(dòng)性，電路的頻率響應(yīng)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(xiàn)中被提到了。這種電流乘法器的優(yōu)點(diǎn)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5 V的供電電壓，限制了其在高供電電壓系統(tǒng)中的應(yīng)用。而且該電路的工作頻率相當(dāng)?shù)?，功耗高。文獻(xiàn)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(gè)電流鏡背對(duì)背連接組成。雖然這種背對(duì)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(xiàn)中提到了一種高頻電流乘法器。該電路是由4個(gè)二次單元電路組成。這種二次單元是由3個(gè)偏置工作在飽和區(qū)的NMOS管組成的。這種對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)帶來(lái)了較低的諧波失真。但是這種電路存在襯底效應(yīng)，因此不能工作在特別高的頻率，它的-3dB帶寬只有41 MHz。
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(duì)稱(chēng)。提出的乘法器電路工作在±1．18 V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(shí)驗(yàn)測(cè)得它的-3 dB帶寬可以達(dá)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(jì)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(dǎo)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(dá)式如下：