一种利用NMOS差分对四象限模拟乘法器(2010年)

简介：
该设计采用了一种以NMOS差分对为基础实现的四象限模拟乘法器方案。其输出采用电压形式，并不依赖于电阻。该电路建模基于SMIC0p18um EEROM2P4MSPICE工艺模型，供电电源为单端3.3V供应。通过Spectre进行仿真分析，并得出了仿真结果。摘要作为模拟集成电路的重要组成部分，模拟乘法器在多个电路应用领域发挥重要作用。它可实现如乘法、除法、平方运算、开方运算以及非线性变换等功能。基于吉尔伯特元器件的各种模拟乘法器架构不断发展。本文提出了一种新的架构设计方案，该方案利用NMOS差分对的平方率特性来实现乘法功能。具体电路布局设计该部分阐述了基于N型金属-oxide半导体双极型对实现输入电压平方的核心电路设计。如图1所示，该电路采用了三个N型金属-oxide半导体双极管（M1、M2、M3）的组合配置，这些晶体管均运行于饱和区域，有效降低了 body effect 对电路性能的影响。其核心机制体现在通过精确的数学运算得出输出电压(V_{o})和输入电压(V_{d})之间严格的平方比例关系：输出电压等于电源电压减去阈值电压，再减去根号下（V_GS3与阈值电压之差的平方减去四分之一 drain导纳的平方）。在该范围可被简约为近似的平方关系。根据实验数据，在不同输入电压下，输出电压与理论预测的二次方程呈现显著差异。实验证明了在低幅值范围内，输出电压与输入电压之间呈良好线性对应关系。 在实现全部四象限相乘功能方面，必须搭配使用一个差分混合电路。该电路能够对两个输入信号执行线性运算，并通过图3所示的原理图具体结构进行工作：其中包含四块NMOS晶体管（M1至M4）。这种设计的关键在于建立一个明确的线性关系模型用于确定输出电压V_out与输入电压V_1和V_2之间的精确数学表达式。输出电压等于$\frac{K_1}{K_3}$乘以输入端电位差。图4详细呈现了图3所示电路在全差分模式下的具体实现方式。在这一结构中，假定所有NMOS管均为精确匹配，并且均处在其饱和状态。通过调节相应的参数设置后，则可使该电路具备所需的各种线性或非线性转换能力。本研究通过SPICE模拟软件采用SMIC工艺制造的0.18微米级EEPROM器件对目标电路进行仿真实验。仿真结果显示，在仅提供3.3伏特的单电源条件下，所述四位相式模拟乘法器在各种测试指标方面均表现优异。值得注意的是，在模拟输入信号的电平范围内（从+0.5伏特到-0.5伏特），该四位相式模拟乘法器展现出稳定可靠的直流工作状态。本研究设计了一款新型四象限模拟乘法器芯片。该方案采用电压方式替代了传统电阻元件，从而显著提升了电路性能并降低了制造成本。通过仿真分析，本方案具有良好的设计特性，同时优化了电路性能指标，并将生产成本显著降低。针对提升乘法器的线性性能及动态范围，本研究团队计划开展进一步优化工作。