一种基于动态阈值NMOS的1．2V CMOS模拟乘法器

由于动态阈值NMOS晶体管M1～M4均满足VDS≥VGS-VTH(N)，即M1～M4均工作在饱和区，但是必须考虑gmbs的影响。图3所示的低压低功耗CMOS模拟乘法器的等效小信号等效电路如图4所示，条件是栅驱动信号VinA+和VinA-是暂时固定的，其中只表示了M1和M2晶体管，此时动态阈值NMOS的跨导为gmbs，而实际的动态阈值NMOS会>gmbs。由图4，也可以直接获得M3和M4的小信号等效电路。联立M1～M4的等效电路可知，文中低压CMOS模拟乘法器的最小转换增益如式(9)所示，即实际转换增益大于式(9)。由图4所示的小信号等效电路，文中低压CMOS模拟乘法器的最小频带宽度如式(5)所示。

3 设计结果与讨论
基于CSMC 0．6 μm DPDM CMOS工艺的BSIM3V3 Spice模型，采用Hspice对图3所示的低压CMOS模拟乘法器进行了仿真。图5为1．2 V电源电压条件下的模拟乘法器的时域特性，输入信号VinA的频率为5 MHz，信号峰峰值为1．0 V，而输入信号VinB的频率为100 MHz，信号峰峰值为0.5 V，输出信号Vout的峰峰值为0．35 V。为分析输出信号Vout的谐波特性，直接对图5中的Vout曲线直接进行快速傅里叶变换，获得如图6所示的谐波特性曲线，一次谐波和三次谐波的差值为40 dB，表明了低压CMOS模拟乘法器具有优秀的线性度。图7为低压CMOS模拟乘法器的频率特性，输出信号的频带宽度为375 MHz，如果用于RF混频器，则IF带宽为375 MHz。1．2 V CMOS模拟乘法器的平均电源电流约30 μA，即动态功耗约为36 μW，证实了低功耗特性。

文献基于0．35μm CMOS工艺，提出一种1．5 V CMOS模拟乘法器，输出信号带宽为719 MHz，动态功耗为47μW，即电源电流约为31μA，晶体管个数为6，且需要额外的偏置电路。文献的偏置电路功耗大于CMOS模拟乘法器本身的功耗。在1．5V电源电压条件下约为70μA。与文献的仿真设计结果比较，文中输出信号带宽小于文献的带宽，主要是由于0．6 μm CMOS工艺限制。文中模拟乘法器的功耗要小于文献，并不需要额外的偏置电路，设计方便。

4 结束语
采用动态阈值NMOS晶体管作为两路输入信号的输入晶体管，采用4个动态阈值NMOS和2个有源电阻实现了一种低压低功耗CMOS模拟乘法器电路，节省了输入晶体管数目，节省了偏置晶体管和偏置电路，实现低压低功耗的目的。基于CSMC 0．6 μm DPDM CMOS工艺，1．2 V模拟乘法器的输入信号VinA的频率为5 MHz，信号峰峰值为1．0 V，而输入信号VinB的频率为100 MHz，信号峰峰值为0．5 V，则输出信号Vout的峰峰值为0．35 V，一次谐波和三次谐波的差值为40 dB。1．2 V模拟乘法器输出信号的频带宽度为375 MHz，平均电源电流约为30 μA，即动态功耗约为36μW，能直接应用于低功耗通信集成电路的设计。