模擬乘法器
單元以及工作原理
　　該模擬乘法器以線性化壓控源耦對(duì)為結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了CMOS四象限模擬乘法器。電路基本結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。

　　假定M1~M6具有完全相同的幾何尺寸和溝道參數(shù)，即K=mnCox(W/L)1=mnCox(W/L)2=mnCox(W/L)3=mnCox(W/L)4=mnCox(W/L)5=mnCox(W/L)6，尾電流源由Vbias電壓偏置提供飽和電流偏置。且所有的NMOS管子都處在飽和工作區(qū)，并忽略管子正常工作時(shí)的二級(jí)效應(yīng)。則有：

　　若存在另外一組同樣結(jié)構(gòu)的電路，設(shè)這兩組電流輸出分別為IO1和IO2，Vb節(jié)點(diǎn)共用，即Vb1=Vb2，讓其構(gòu)成減法電路，則：

　　從上式可以看出， IO由Vc1—Vc2、Vd和兩個(gè)電壓乘積的線性控制?？紤]到控制的方便并保證所有管子工作在飽和區(qū)，令Vc2=0，VG2=0，則IO1-IO2d=KVCVG1，這樣就實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)相乘的運(yùn)算。

有源衰減器和偏置電路
　　該結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，其輸入電壓VX和輸出電壓V1均為平衡差動(dòng)信號(hào)，其中M10和M12、M11和M13構(gòu)成兩管的有源衰減器；M8和M9分別以I1和I2為電流源的源極跟隨器，主要完成信號(hào)的傳輸以及電平位移，并提供負(fù)載合適的偏置。
設(shè)M10、M11工作處于線性區(qū)， M12、M13工作在飽和區(qū)。忽略二級(jí)效應(yīng)溝道調(diào)制和體效應(yīng)，經(jīng)公式推導(dǎo)，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)有如下關(guān)系：
　　其中，可以看出F即為衰減系數(shù)并可以通過(guò)調(diào)整M10、M12的寬長(zhǎng)比得到合適的F值。

　　要保證電路正常工作需要提供穩(wěn)定的偏置，圖3給出了偏置電壓Vbias。設(shè)M14~M17都工作在飽和區(qū)，M14和M15完全相同且(L/W)16＞(L/W)17。忽略所有MOS管的二級(jí)效應(yīng)，由于M14和M15的鏡像作用，流過(guò)M14和M15管子的電流相等。

　　可以看出，在所有管子處于飽和狀態(tài)時(shí)，輸出電流與電源電壓無(wú)關(guān)，表現(xiàn)出對(duì)電源較強(qiáng)的抑制，Vbias可以通過(guò)M17很容易形成電流鏡像，構(gòu)成偏置電路。

CMOS模擬乘法器電路結(jié)構(gòu)
　　電路中，M1~M8構(gòu)成VY+、VY-的輸入衰減器并實(shí)現(xiàn)電平位移，M23~M30構(gòu)成VX+、Vx-的輸入衰減器并實(shí)現(xiàn)電平位移；M9~M14構(gòu)成個(gè)線性壓控源耦對(duì)，M15~M20構(gòu)成第二個(gè)線性壓控源耦對(duì)；M21，M22分別提供源耦對(duì)的偏置電流。在電路工作中的輸出電流IO通過(guò)電阻R1、R2形成電壓雙端信號(hào)輸出。

模擬乘法器仿真結(jié)果

　　VY從-4V~+4V,步長(zhǎng)為1V，對(duì)VX進(jìn)行步長(zhǎng)為0.05V的DC掃描。從其直流特性曲線可以看出其線性輸入范圍為±4V，在±4V輸入范圍內(nèi)，非線性誤差小于0.8%，乘法器運(yùn)算誤差小于1%；當(dāng)輸入范圍為±3V，非線性誤差小于0.4%，運(yùn)算誤差小于0.6%；隨著輸入范圍縮小，非線性誤差更小，運(yùn)算誤差也隨之減小?！?BR>
　　輸入端VY、VX分別為500Hz的正弦波和輸入范圍為0~+4V的調(diào)幅三角波信號(hào)；下圖為經(jīng)過(guò)模擬乘法器乘法運(yùn)算后的輸出時(shí)域波形圖，其調(diào)制后的波形與輸入有著較好的線性度。

　　VX、VY均為3.5V(DC)時(shí)對(duì)VY端的AC掃描。從其頻率特性曲線可以看出-3dB帶寬為8.76MHz。

單端輸出的運(yùn)算電路設(shè)計(jì)
　　由于R1和R2輸出端為電流IO引起的電壓變化，要將電流輸出轉(zhuǎn)化成電壓輸出，需要一個(gè)實(shí)現(xiàn)減法的電路，由兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的。

　　可以根據(jù)實(shí)際要求調(diào)節(jié)比例電阻Rf1和Rf2的比值，對(duì)模擬乘法器的輸出電壓進(jìn)行倍增，可以在滿足輸出幅值的情況下進(jìn)一步縮小線性范圍，從而提高輸出與輸入的線性度。

結(jié)語(yǔ)
　　該文提出了一種以模擬乘法器為電路的輸出信號(hào)與控制電壓成高線性度的集成電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了管極電路的原理分析和電路仿真，并實(shí)現(xiàn)了單端控制，單端輸出電路的控制電路設(shè)計(jì)。采用驪山微電子公司3mm P阱工藝模型參數(shù)庫(kù)對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行Pspice模擬仿真，研究顯示該電路輸入線性范圍寬，輸出線性度高，值得參考和進(jìn)一步研究?！?/P>