一種基于動(dòng)態(tài)閾值NMOS的1．2V CMOS模擬乘法器

摘要 分析了以動(dòng)態(tài)閾值NMOS晶體管作為輸入信號(hào)的輸入晶體管，利用4個(gè)動(dòng)態(tài)閾值NMOS和2個(gè)有源電阻設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的一種1．2 V低功耗CMOS模擬乘法器電路。該電路具有節(jié)省輸入晶體管數(shù)目、偏置晶體管和偏置電路，以及性能指標(biāo)優(yōu)良的特點(diǎn)。其主要參數(shù)指標(biāo)達(dá)到：一、三次諧波差值40 dB，輸出信號(hào)頻帶寬度375 MHz，平均電源電流約30μA，動(dòng)態(tài)功耗約36μW?？芍苯討?yīng)用于低功耗通信集成電路設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞 模擬乘法器；動(dòng)態(tài)閾值晶體管；低壓；低功耗；金屬氧化物半導(dǎo)體

    隨著便攜式電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展，以及各國對(duì)節(jié)能的嚴(yán)格要求，低功耗集成電路及電子系統(tǒng)已經(jīng)成為技術(shù)發(fā)展的方向之一，而低電源電壓是實(shí)現(xiàn)低功耗最直接有效的方法，其中CMOS模擬集成電路的低壓低功耗設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)低壓低功耗集成電路的難點(diǎn)。模擬乘法器作為模擬電路中最基本的電路之一，在自適應(yīng)濾波器、頻率倍增器、各種調(diào)制解調(diào)器等電子系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的模擬乘法器—般采用Gilbert結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，由于電源到地的通路上至少有3～4個(gè)晶體管，沒有辦法實(shí)現(xiàn)低壓低功耗，必須采用新的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
    采用動(dòng)態(tài)閾值NMOS晶體管作為兩路輸入信號(hào)的輸入晶體管，節(jié)省了輸入晶體管和偏置晶體管的數(shù)目，實(shí)現(xiàn)了低壓低功耗的目的。文中首先對(duì)動(dòng)態(tài)閾值NMOS晶體管的特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，包括跨導(dǎo)、頻率特性等，再提出了一種基于動(dòng)態(tài)閾值NMOS晶體管的1．2 V CMOS模擬乘法器，并進(jìn)行了性能分析，采用Hspice進(jìn)行了各種參數(shù)的仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了比較分析和討論。

1 動(dòng)態(tài)閾值NMOS晶體管
    所提出的動(dòng)態(tài)閾值NMOS晶體管的工藝基礎(chǔ)是傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)雙阱CMOS工藝或P阱CMOS工藝，其特點(diǎn)是兩個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)加到NMOS的柵極(G)和襯底(B)端，即輸入電壓為VGS和VBS，不需要引入特殊的工藝步驟。當(dāng)NMOS的VBS=0時(shí)，就是常用的準(zhǔn)恒定閾值電壓增強(qiáng)型NMOS晶體管，如果VGS和VBS同時(shí)在變化，而VBS的變化直接會(huì)影響VTH(N)變化。式(1)是當(dāng)VGS一定時(shí)，NMOS閾值電壓VTH(N)與VBS的關(guān)系，表明當(dāng)VBS增大時(shí)，VTH(N)會(huì)隨之減小，所以動(dòng)態(tài)閾值是實(shí)現(xiàn)CMOS模擬電路低壓化的理想技術(shù)之一。
   
    其中，VTH0(N)是VBS=0時(shí)的NMOS閾值電壓，φF為表面電動(dòng)勢，γ為體效應(yīng)因子。
    當(dāng)動(dòng)態(tài)閾值NMOS晶體管滿足VDS≥VGS-VTH(N)時(shí)，即晶體管工作在飽和區(qū)，IDS與VGS、VBS之間的關(guān)系如式(2)所示。
   
    基于CSMC 0．6 μm DPDM CMOS工藝的BSIM3V3 Spice模型，采用Hspice進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證動(dòng)態(tài)閾值NMOS晶體管的V-I特性。圖1為不同VBS條件下的VDS～I(xiàn)DS關(guān)系曲線VGS=1．2 V，自下而上5條曲線所對(duì)應(yīng)的VBS分別為0 V、0．3 V、0．6 V、0．9 V和1．2 V，表明在相同VDS條件下IDS隨著VBS的不斷增大而增大。圖2為不同VGS條件下的VBS～I(xiàn)DS關(guān)系曲線VDS=1．2 V，自下而上7條曲線所對(duì)應(yīng)的VGS分別為0 V、0．2 V、0．4 V、0．6 V、0．8 V、1．0 V和1．2 V，其中VGS為0 V、0．2 V、0．4 V的3條曲線由于IDS數(shù)值太小，已與橫坐標(biāo)幾乎重合，圖2表明在相同VBS條件下IDS隨著VGS的不斷增大而增大。

    將式(2)分別對(duì)VBS和VGS求偏導(dǎo)，即可以得到
   
    由于體效應(yīng)因子γ的值較小，所以gmbs<gm，但VBS的增加，則可以增加gmbs。[!--empirenews.page--]
    當(dāng)VBS=VGS時(shí)，也就是NMOS晶體管的柵極和襯底端短接在一起，同時(shí)作為同一個(gè)信號(hào)的輸入端，此時(shí)對(duì)VBS求偏導(dǎo)，即可以得到
   
    所以動(dòng)態(tài)閾值NMOS晶體管的跨導(dǎo)是隨著VBS和VGS的變化而變化的，數(shù)值要<gm且>gmbs。
    當(dāng)動(dòng)態(tài)閾值NMOS的VGS固定時(shí)，則可以看作襯底驅(qū)動(dòng)NMOS，其特征頻率為
   
    其中，η=gmbs／gm，VBS=0時(shí)的典型值為0．2～0．4，Cb,是P阱與源端間的電容，而Cbsub是P阱與N襯底間的電容。在3 μm CMOS工藝下，當(dāng)襯底驅(qū)動(dòng)MOSFET工作于飽和區(qū)時(shí)，式(5)可近似為
   
    隨著CMOS工藝的發(fā)展，如果Gox增加S倍，而Cbsub只增加了S1/2倍，阱和襯底的摻雜濃度提高了S倍，則式(6)變?yōu)?br />    
    在標(biāo)準(zhǔn)深亞微米CMOS工藝中，襯底驅(qū)動(dòng)NMOS的截止頻率也不會(huì)比柵驅(qū)動(dòng)NMOS的截止頻率小很多，而動(dòng)態(tài)閾值NMOS的截止頻率則在襯底驅(qū)動(dòng)NMOS的截止頻率和柵驅(qū)動(dòng)NMOS的截止頻率之間，所以動(dòng)態(tài)閾值NMOS不會(huì)犧牲太多的頻率特性。
    柵驅(qū)動(dòng)NMOS與動(dòng)態(tài)閾值NMOS的溝道噪聲電流相似，如果把溝道噪聲電流歸因于輸入，則動(dòng)態(tài)閾值和柵驅(qū)動(dòng)下的增益因子有所不同。同時(shí)，動(dòng)態(tài)閾值NMOS的阱電阻也會(huì)造成額外的熱噪聲。動(dòng)態(tài)閾值NMOS的均方根噪聲電壓為
   
    其中，N為交叉NMOS結(jié)構(gòu)中柵的個(gè)數(shù)；Rgi為第i個(gè)柵溝道的有效串聯(lián)阱電阻；Rgi為第i個(gè)柵的柵與金屬間電阻。
    式(8)中前兩項(xiàng)為動(dòng)態(tài)閾值NMOS由襯底端引起的白噪聲和閃爍噪聲，后兩項(xiàng)描述了由阱與金屬間、柵與金屬間電阻所引起的白噪聲。由于后兩項(xiàng)有N-2系數(shù)，因此可以利用交叉CMOS結(jié)構(gòu)即一個(gè)MOSFET采用多個(gè)柵來降低柵電阻所產(chǎn)生的噪聲影響。為將襯底端所引起的噪聲最小化，動(dòng)態(tài)閾值NMOS的版圖應(yīng)該多用阱接觸，而且接觸應(yīng)該盡量接近每個(gè)柵，以最小化襯底端電阻的噪聲影響。

2 低壓低功耗CMOS模擬乘法器
    基于提出的動(dòng)態(tài)閾值NMOS晶體管，對(duì)傳統(tǒng)的Gilbert CMOS模擬乘法器進(jìn)行了改進(jìn)，提出如圖3所示的低壓低功耗CMOS模擬乘法器電路，其中負(fù)載電阻ReqA和ReqB是采用PMOS有源電阻實(shí)現(xiàn)，其電阻值約為200～100 000 Ω，主要考慮兩個(gè)負(fù)載電阻的匹配性，文中等效電阻值約為50 kΩ。4個(gè)動(dòng)態(tài)閾值NMOS晶體管M1～M4為模擬乘法器的核心部分，兩路差分輸入信號(hào)VinA和VinB的同相、反相信號(hào)分別從4個(gè)動(dòng)態(tài)閾值NMOS的柵極和襯底端輸入，即M1，和M4的柵極作為VinA+的輸入端，M1和M2的襯底端則作為VinB+輸入端，M2和M3的柵極作為VinA-的輸入端，M3和M4的襯底端作為VinB-的輸入端。采用動(dòng)態(tài)閾值NMOS的最大優(yōu)勢是大大減小了傳統(tǒng)模擬乘法器的晶體管個(gè)數(shù)，與傳統(tǒng)的Gilbert模擬乘法器比較，晶體管個(gè)數(shù)有傳統(tǒng)的7個(gè)NMOS晶體管減少為4個(gè)NMOS，從電源到地電壓之間的飽和NMOS由傳統(tǒng)3個(gè)Gilbert模擬乘法器的減少為1個(gè)，從而大大降低對(duì)電源電壓的要求，并實(shí)現(xiàn)低功耗。

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    由于動(dòng)態(tài)閾值NMOS晶體管M1～M4均滿足VDS≥VGS-VTH(N)，即M1～M4均工作在飽和區(qū)，但是必須考慮gmbs的影響。圖3所示的低壓低功耗CMOS模擬乘法器的等效小信號(hào)等效電路如圖4所示，條件是柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)VinA+和VinA-是暫時(shí)固定的，其中只表示了M1和M2晶體管，此時(shí)動(dòng)態(tài)閾值NMOS的跨導(dǎo)為gmbs，而實(shí)際的動(dòng)態(tài)閾值NMOS會(huì)>gmbs。由圖4，也可以直接獲得M3和M4的小信號(hào)等效電路。聯(lián)立M1～M4的等效電路可知，文中低壓CMOS模擬乘法器的最小轉(zhuǎn)換增益如式(9)所示，即實(shí)際轉(zhuǎn)換增益大于式(9)。由圖4所示的小信號(hào)等效電路，文中低壓CMOS模擬乘法器的最小頻帶寬度如式(5)所示。
   

3 設(shè)計(jì)結(jié)果與討論
    基于CSMC 0．6 μm DPDM CMOS工藝的BSIM3V3 Spice模型，采用Hspice對(duì)圖3所示的低壓CMOS模擬乘法器進(jìn)行了仿真。圖5為1．2 V電源電壓條件下的模擬乘法器的時(shí)域特性，輸入信號(hào)VinA的頻率為5 MHz，信號(hào)峰峰值為1．0 V，而輸入信號(hào)VinB的頻率為100 MHz，信號(hào)峰峰值為0.5 V，輸出信號(hào)Vout的峰峰值為0．35 V。為分析輸出信號(hào)Vout的諧波特性，直接對(duì)圖5中的Vout曲線直接進(jìn)行快速傅里葉變換，獲得如圖6所示的諧波特性曲線，一次諧波和三次諧波的差值為40 dB，表明了低壓CMOS模擬乘法器具有優(yōu)秀的線性度。圖7為低壓CMOS模擬乘法器的頻率特性，輸出信號(hào)的頻帶寬度為375 MHz，如果用于RF混頻器，則IF帶寬為375 MHz。1．2 V CMOS模擬乘法器的平均電源電流約30 μA，即動(dòng)態(tài)功耗約為36 μW，證實(shí)了低功耗特性。

    文獻(xiàn)基于0．35μm CMOS工藝，提出一種1．5 V CMOS模擬乘法器，輸出信號(hào)帶寬為719 MHz，動(dòng)態(tài)功耗為47μW，即電源電流約為31μA，晶體管個(gè)數(shù)為6，且需要額外的偏置電路。文獻(xiàn)的偏置電路功耗大于CMOS模擬乘法器本身的功耗。在1．5V電源電壓條件下約為70μA。與文獻(xiàn)的仿真設(shè)計(jì)結(jié)果比較，文中輸出信號(hào)帶寬小于文獻(xiàn)的帶寬，主要是由于0．6 μm CMOS工藝限制。文中模擬乘法器的功耗要小于文獻(xiàn)，并不需要額外的偏置電路，設(shè)計(jì)方便。

4 結(jié)束語
    采用動(dòng)態(tài)閾值NMOS晶體管作為兩路輸入信號(hào)的輸入晶體管，采用4個(gè)動(dòng)態(tài)閾值NMOS和2個(gè)有源電阻實(shí)現(xiàn)了一種低壓低功耗CMOS模擬乘法器電路，節(jié)省了輸入晶體管數(shù)目，節(jié)省了偏置晶體管和偏置電路，實(shí)現(xiàn)低壓低功耗的目的?；贑SMC 0．6 μm DPDM CMOS工藝，1．2 V模擬乘法器的輸入信號(hào)VinA的頻率為5 MHz，信號(hào)峰峰值為1．0 V，而輸入信號(hào)VinB的頻率為100 MHz，信號(hào)峰峰值為0．5 V，則輸出信號(hào)Vout的峰峰值為0．35 V，一次諧波和三次諧波的差值為40 dB。1．2 V模擬乘法器輸出信號(hào)的頻帶寬度為375 MHz，平均電源電流約為30 μA，即動(dòng)態(tài)功耗約為36μW，能直接應(yīng)用于低功耗通信集成電路的設(shè)計(jì)。