一种宽输入范围的Gillbert模拟乘法器设计

2007-02-26 15:09:16来源: 电子设计应用 关键字:解调  鉴相  频率  功率
引言

在集成电路系统中,模拟乘法器在信号调制解调鉴相频率转换、自动增益控制功率因数校正控制等许多方面有着非常广泛的应用。实现模拟乘法器的方法有很多,按采用的工艺不同,可以分为三极管乘法器和CMOS乘法器。

CMOS模拟乘法器的工作原理有三种:基于MOS管在饱和区工作时的平方法则,这种模拟乘法器性能好,但结构复杂;基于MOS管在线性区工作时的电流电压法则,这种模拟乘法器比较适宜低压运用;采用Gillbert单元实现的模拟乘法器。本文详细分析了采用Gillbert单元实现的模拟乘法器的原理,对其进行了改进,使它能拥有更低的工作电压和更大的输入范围。

基本电路原理

简单的Gillbert单元CMOS模拟乘法器如图1所示,图中M1管给乘法器提供偏置电流ISS。忽略MOS管的沟道长度调制效应,工作在饱和区的MOS管电流都可以写成:



若M2、M3的宽长比相同,设为(w/1)2,由Vx=VGS3-VGS2可得:

若M4、M5、M6、M7这四个管子的宽长比相同,设为(w/1)4,则可以得到:

由VGS4-VCS5=Vy得:

从而有:

同理可得:

所以:




如此就实现了乘法功能。

如果要使图1中的乘法器正常工作,那么至少要保证所有的管子都处在饱和工作区,因此电源电压至少需要:

式中。在电源的饱和压降。如果要实现两个大电电压较低的情况下,电路不能正常工作,因此需要对它进行改进,降低乘法器的工作电压。

如图2所示,将输入电压Vx产生的电流通过M4、M5镜像到M6、M7管。把M2、M3的宽长比设成相等,用(w/1)2,3来表示;把M8、M9、M10、M11的宽长比设成相等,用(w/1)8,9来表示;把M4、M5、M6、M7的宽长比设成相等。可得:

与图1中的电路相比,图2的模拟乘法器工作所需要的电源电压比图1少一个饱和压降,所以能在更低的电源电压下工作。与图1相似,如果图2的电路要正常工作,那么

的饱和压降。如果要实现两个大电压信号的相乘,该输入范围是远远不够的。因此,本文在乘法器的输入端加入了一个有源衰减电路,以增大电路的输入范围。

NMOS有源衰减电路如图3(a)所示,它提供Vx的输入;PMOS有源衰减电路如图3(b)所示,提供Vy的输入。两个电路的原理相同,以图3(a)中的NMOS电路为例,设A点输入电压VA,M2处在饱和区,VB



M5、M6作为电平位移电路,为乘法器的输入端提供电压偏置。由(11)式可得:

通过调整M1、M2的宽长比可以调节Vout与Vin的比值,改变它的输入范围。

仿真结果

基于上华0.6μm CMOS工艺,电路采用Cadence Spectre仿真器进行了仿真模拟。乘法器使用3V电源电压时,仿真结果显示,当输入电压在0~2V之间变化时,输出基本上与输入成线性变化。也就是说,采用3V电源电压时,乘法器的两个输入电压能够达到2V而不产生明显线性失真。这验证了本文设计的正确性。

结语

本文分析了CMOS工艺下的Gillbert单元乘法器,对这种乘法器做了改进,降低了乘法器工作所需要的电源电压,扩大了乘法器的输入范围。

关键字:解调  鉴相  频率  功率

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