一种低压高线性CMOS模拟乘法器设计

摘要：提出了一种新颖的CMOS四象限模拟乘法器电路，该乘法器基于交叉耦合平方电路结构，并采用减法电路来实现。它采用0．18μm CMOS工艺，使用HSPICE软件仿真。仿真结果显示，该乘法器电路在1．8 V的电源电压下工作时，静态功耗可低至80μW，其线性输入范围达到0．3 V，-3 dB带宽可达到1 GHz，而且与先前低电压乘法器电路相比，在同样的功耗和电源电压下，具有更好的线性度。
关键词：CMOS模拟乘法器；低压；高线性；减法电路

四象限模拟乘法器是模拟信号处理系统中的重要组成单元，它被广泛地应用于锁相环、频率变换、调制与解调、自适应滤波等许多模拟信号处理电路中。目前，适应于低压工作的CMOS四象限模拟乘法器由6个级联的两输入组合结构单元(Combiner)组成，这种结构已广泛应用于射频电路中，它的NMOS管分别对源漏相接，且通过负载电阻R直接到电源。因它的输入电压可直接控制晶体管电流，因而该乘法器工作所需要的电源电压很小，其最小的电源电压是NMOS栅源电压与负载电阻上的压降之和。但是这种乘法器结构含有较多的电流支路，电阻也相对较多，一定程度上增加了版图的面积和功耗，最重要的是该结构对MOS管的匹配有严格要求，否则线性度很难保证，这样也就对制造工艺提出了较高的要求。针对这一缺点，本文提出了一种新型模拟乘法器结构，它采用减法电路来提高电路的线性度。

1 电路工作原理
1．1 设计思路
图1给出适应于低压工作的CMOS四象限模拟乘法器结构(Cornbiner)。它的输出电压为：
输出电压：

这样最终就实现了乘法运算功能。

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1．2 电路实现
式(2)与式(3)中的平方运算可以由4个工作在饱和区的NMOS管实现，平方项中的减法运算可以由减法电路实现，如图3所示。

将这种减法电路和4个工作在饱和区的NMOS管相结合，得到一种新型的CMOS四象限模拟乘法器，如图4所示。

如上述，定义图4中2个差分输入对分别为Via1=V1-V2；Vid2=V3-V4，输出端Vo1，Vo2。为了使电路工作在饱和区，最小的电源电压必须满足：

最终输出Vo，由式(6)、式(7)相减可得：

由输出式(11)可知，该乘法器的输出增益仅由负载电阻R，以及M9～M12晶体管的跨导参数决定。相比图1所示电路结构，节约4个电阻，减少了版图面积，电路结构更为简单。

2 电路仿真与分析
对图4所示乘法器使用HSpice仿真软件进行仿真，其中MOS晶体管模型参数由典型0．18 μm CMOS工艺提供。电源电压为1．8 V，仿真结果显示，在1．8 V的工作电压下，该乘法器静态功耗可低至80μW，其线性输入范围达到±0．3 V，-3 dB带宽可达到1 GHz。
为合理比较图1和图4所示两种乘法器性能，将它们静态功耗和转换增益设为一致。晶体管参数设置如下：

其中2个电路静态电源功耗均设为195μW；图1中，Vid1，Vid2的共模电平设为0．66 V；图4中，Vid1的共模电平设为0．6 V，Vid2的共模电平设为0．2 V。[p]