［解鸿国 颜菱］

新型高线性CMOS可编程电流模放大器设计

［解鸿国 颜菱］

针对传统CMOS电流乘除法器存在线性度不高、工作频率低等缺点，提出了一种以平方根电路、平方/除法器电路为核心的基于MOS管跨导线性原理的新型高频高线性CMOS电流模乘/除法器，并在此基础上提出一种新型高频高线性CMOS可编程电流模放大器，在TSMC 0.35μmCMOS集成工艺下进行HSPICE仿真测试表明：该乘除法器电路在3V电源电压下，-3dB带宽可达到35.1 MHz，非线性误差为0.85%。提出的电流模放大器电路，与传统的电流放大器相比线性度提高了 ，精度提高了，并且采用了相对更先进的0.35μmCMOS工艺，可节约芯片面积。

平方根电路 平方/除法器电路 乘法器/除法器 放大器

解鸿国

2012年毕业于广西师范大学电路与系统专业，国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心助理研究员， 硕士，研究方向为自动控制以及集成电路设计及其应用。

颜菱

2012年毕业于中科院，国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心助理研究员，硕士。

随着电流模放大器的发展，CMOS电流模放大器的研究和开发已逐渐成为主流趋势。1975年，英国学者Barrie Gilbert基于三极管的环路提出了跨导线性电路原理。1991年，由Seevinck 和Wiegerink 提出了MOS管的跨导线性原理。近年来一些基于MOS管跨导线性原理而设计的CMOS电流模式乘法器已见于报道［1～7］。文献［4］中Cruz-Blas等人设计出一种基于简单的电压到电流转换器单元的乘/除法器，该电路带宽有限，仅为5.5MHz，限制了其使用范围。文献［5］中Tanno等学者提出一种基于MOS管饱和区平方律特性设计而成的电流乘法器，该电路要求提供5V的电源电压，电路的功耗大、线性度不好、工作频率也不高。文献［6］中Gravati等人采用弱反型区MOS管的跨导线性环路设计了一种电流乘法器，该电路带宽仅有200kHz，输出电流信号范围也很窄，使用范围受到了限制。文献［7］中Lopez-Martin等学者设计了一种基于电压跨导线性环路的电流模式乘/除法器，该电路工作电压较高、功耗大、带宽较窄。本文针对传统的CMOS电流乘法器存在线性度不高、工作频率低等缺点，提出一种以平方根、平方/除法器电路为核心的基于跨导线性原理而设计的新型高频高线性CMOS电流模乘/除法器，并基于提出的新型高频高线性CMOS电流模乘/除法器电路提出一种可编程电流放大器电路，该电路可用于模拟调制器、分相器、滤波器［8］等。对于集成电路设计工程师来说，它可以作为一个非常有用的基本模块电路。

1　电路工作原理

1.1电流模乘/除法器电路

由平方根和平方/除法器电路组成的乘/除法器电路原理框图如图1所示［1，2］。其中Ix和Iy是平方根电路的输入电流，平方根电路的输出表达式如下：

将电流Isr作为平方/除法器电路的一个输入，再加一个输入电流Iw，则输出电流如公式（2）所示，

这样通过平方根电路和平方/除法电路级联实现输出电流Iout由3个输入电流Ix、Iy和Iw的乘、除法关系来表达。

图1　乘/除法器电路的简化框图

为了实现乘/除法器电路，必须首先设计平方根和平方/除法器电路。平方根和平方/除法器电路可以由层叠的电压跨导线性环路（VTL）作为基本电路去实现［3］。如图2所示为平方根单元电路。

图2　平方根单元

对于图2，假定MOS管M1和M2的宽长比满足β1=β2=β，M3和M4的宽长比满足β3=β4=2β，这里的β是MOS管的跨导参数，由电压跨导线性环路（VTL）原理可得，

忽略MOS管的二阶效应，工作在饱和区的MOS管的漏电流ID为：

将式（4）计算得到VGS，代入式（3），假定每个MOS管的阈值电压VTH都是一样的，则：

将（5）式两边分别平方，可以得到新的等式如下：

由图2可以看出，MOS管M3和M4的漏电流是一样的，即I3=I4。

在图2的输出端使用KCL定律，并结合（6）式，就可以得到下面的等式，

公式（7）表明了图2所示电路实现了电流模平方根功能。因而，如果I1和I2是输入电流，输出电流是I5的副本，就可以得到平方根电路。图2电路的逆运算过程即为平方/除法器电路。

1.2提出的电流模乘/除法器电路

根据图1所示的整体电路设计原理，以图2的平方根单元电路及其逆运算电路平方/除法器单元电路为基础，进行电路设计，实现了电流模式的平方根电路（图3）和电流模式的平方/除法器电路（图4），再将图3和图4电路连接起来，最终实现了电流模式的乘/除法器电路，如图5所示。在图5所示电路中，其中平方根电路是由MOS晶体管Ma1-a18组成的，输入电流信号Ix从MOS管Ma12的漏端加入，Iy从MOS 管Ma7的漏端加入，实现了输入电流信号Ix和Iy的平方根运算，得到了这一部分的输出电流信号个电流信号作为了平方/除法器电路的一个输入信号。平方/除法器电路是由MOS晶体管Mb1-b18组成的，输入电流信号Iw通过MOS管Mb12的漏端加入，实现了电流信与电流信号Iw的平方、除法运算，最终电流信号通过MOS管Mb8的漏端输出，得到了输出电流信号Iout，最终实现了电流信号的乘除法运算功能，即Iout=IxIy/Iw，由上述提出的CMOS电流乘除法器电路的输出电流，如果把Ix作为输入信号电流Iin，Iy和Iw分别用IA和IB表示，则有新的输出电流表达式，通过调节电流

IA和IB的大小，即可以实现可编程电流放大器，实现了增益可电调谐的电流放大器。

图3　电流模平方根电路

图4　电流模平方/除法器电路

图5　提出的电流模乘/除法器电路

2　仿真结果

为了验证提出的电路的正确性，采用TSMC0.35µmCMOS（level 49）集成工艺，对提出的乘/除法器电路进行HSPICE仿真分析。仿真电源电压为3V。当电流Ix、Iy和Iw分别偏置为2µA 、2µA 和8µA时，电源的总静态功耗为202.68µW 。

在图5电路中，采用HSPICE进行仿真，当电流Iy和Iw分别取10µA 和5µA ，即IA是IB的两倍时，输入电流Iin从0到20µA扫描变化。经过仿真，得到的信号波形如图6所示。由仿真波形可以观察到，电路实现了电流放大器的功能。经分析，输入电流Iin在4～16µA变化时，输出信号的线性度较好。因此，输出电流Iout是随着输入电流Iin成比例变化的，并且还与电流IA和IB之间的比例有关。

图6　电流放大器的直流传输特性

3　结语

本文提出了一种以平方根电路、平方/除法器电路为核心电路，基于跨导线性原理而设计的新型CMOS电流模乘/除法器电路。该电路在电路拓扑结构和元件参数保持不变的情况下，通过对输入、输出信号的选择，可以实现电流模式乘/除法器以及可编程的电流放大器，HSPICE仿真结果表明：与传统的电流模式乘/除法器相比，该电路具有线性度好、带宽宽、精度高、功耗低等优点。提出的可编程放大器电路可用于模拟调制器、分相器、滤波器等。因此，本文提出的放大器器电路可以作为一个基本的设计模块，在CMOS电流模式电路中得到应用。

1 Lopez-Martin A J，Carlosena A. Design of MOS-translinear multiplier/dividers in analog VLSI［J］.VLSIDesign Journal，2000，11（4）：321-329

2 Lopez-Martin A J，Carlosena A. A versatile 1.5V currentmode CMOS analog multiplier/divider circuit［C］//The 15th

3 European Conference on Circuit Theory and Design. Espoo，Finland：IEEE Press， 2001：89-92

4 Lopez-Martin A J，Carlosena A. Systematic design of companding systems by component substitution［J］.Analog Integrated Circuits and Signal Processing，2001，28：91-106. De La Cruz-Blas C A，Lopez-Martin A J，Carlosena A. 1.5V four-quadrant CMOS current multiplier/divider［J］.Electronics Letters，2003，39（5）：434-436

5 Tanno K， Ishizuka O， Tang Z. Four-quadrant CMOS currentmode multiplier independent of device parameters［J］.IEEE Trans.Circuits Syst.II，Exp.Briefs，2000，47（5）：473-477

6 Gravati M，Valle M，Ferri G，et al. A novel current-mode very low-power analog CMOS four quadrantmultiplier［C］// Proceedings of the 31st European Solid-State Circuits Conference.Grenoble，France：IEEE Press ，2005：495-498

7 Lopez-Martin A J， Carlosena A. Current-mode multiplier/ divider circuits based on the MOS translinear principle［J］. Analog Integr. Circuits Signal Process，2001，28（3）：265-268

8 宋树祥.奇数阶电流模式全通滤波器综合设计［J］.广西师范大学学报：自然科学版，2011，29（3）： 9-13

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.06.012

（2016-03-20）