一种基于动态阈值NMOS的1．2V CMOS模拟乘法器

摘要 分析了以动态阈值NMOS晶体管作为输入信号的输入晶体管，利用4个动态阈值NMOS和2个有源电阻设计和实现的一种1．2 V低功耗CMOS模拟乘法器电路。该电路具有节省输入晶体管数目、偏置晶体管和偏置电路，以及性能指标优良的特点。其主要参数指标达到：一、三次谐波差值40 dB，输出信号频带宽度375 MHz，平均电源电流约30μA，动态功耗约36μW。可直接应用于低功耗通信集成电路设计。
关键词 模拟乘法器；动态阈值晶体管；低压；低功耗；金属氧化物半导体

    随着便携式电子产品的不断发展，以及各国对节能的严格要求，低功耗集成电路及电子系统已经成为技术发展的方向之一，而低电源电压是实现低功耗最直接有效的方法，其中CMOS模拟集成电路的低压低功耗设计是实现低压低功耗集成电路的难点。模拟乘法器作为模拟电路中最基本的电路之一，在自适应滤波器、频率倍增器、各种调制解调器等电子系统中具有广泛的应用。传统的模拟乘法器—般采用Gilbert结构实现，由于电源到地的通路上至少有3～4个晶体管，没有办法实现低压低功耗，必须采用新的电路结构实现。
    采用动态阈值NMOS晶体管作为两路输入信号的输入晶体管，节省了输入晶体管和偏置晶体管的数目，实现了低压低功耗的目的。文中首先对动态阈值NMOS晶体管的特性进行了系统分析，包括跨导、频率特性等，再提出了一种基于动态阈值NMOS晶体管的1．2 V CMOS模拟乘法器，并进行了性能分析，采用Hspice进行了各种参数的仿真，对仿真结果进行了比较分析和讨论。

1 动态阈值NMOS晶体管
    所提出的动态阈值NMOS晶体管的工艺基础是传统标准双阱CMOS工艺或P阱CMOS工艺，其特点是两个输入信号同时加到NMOS的栅极(G)和衬底(B)端，即输入电压为VGS和VBS，不需要引入特殊的工艺步骤。当NMOS的VBS=0时，就是常用的准恒定阈值电压增强型NMOS晶体管，如果VGS和VBS同时在变化，而VBS的变化直接会影响VTH(N)变化。式(1)是当VGS一定时，NMOS阈值电压VTH(N)与VBS的关系，表明当VBS增大时，VTH(N)会随之减小，所以动态阈值是实现CMOS模拟电路低压化的理想技术之一。
   
    其中，VTH0(N)是VBS=0时的NMOS阈值电压，φF为表面电动势，γ为体效应因子。
    当动态阈值NMOS晶体管满足VDS≥VGS-VTH(N)时，即晶体管工作在饱和区，IDS与VGS、VBS之间的关系如式(2)所示。
   
    基于CSMC 0．6 μm DPDM CMOS工艺的BSIM3V3 Spice模型，采用Hspice进行仿真，以验证动态阈值NMOS晶体管的V-I特性。图1为不同VBS条件下的VDS～IDS关系曲线VGS=1．2 V，自下而上5条曲线所对应的VBS分别为0 V、0．3 V、0．6 V、0．9 V和1．2 V，表明在相同VDS条件下IDS随着VBS的不断增大而增大。图2为不同VGS条件下的VBS～IDS关系曲线VDS=1．2 V，自下而上7条曲线所对应的VGS分别为0 V、0．2 V、0．4 V、0．6 V、0．8 V、1．0 V和1．2 V，其中VGS为0 V、0．2 V、0．4 V的3条曲线由于IDS数值太小，已与横坐标几乎重合，图2表明在相同VBS条件下IDS随着VGS的不断增大而增大。

    将式(2)分别对VBS和VGS求偏导，即可以得到
   
    由于体效应因子γ的值较小，所以gmbs<gm，但VBS的增加，则可以增加gmbs。[!--empirenews.page--]
    当VBS=VGS时，也就是NMOS晶体管的栅极和衬底端短接在一起，同时作为同一个信号的输入端，此时对VBS求偏导，即可以得到
   
    所以动态阈值NMOS晶体管的跨导是随着VBS和VGS的变化而变化的，数值要<gm且>gmbs。
    当动态阈值NMOS的VGS固定时，则可以看作衬底驱动NMOS，其特征频率为
   
    其中，η=gmbs／gm，VBS=0时的典型值为0．2～0．4，Cb,是P阱与源端间的电容，而Cbsub是P阱与N衬底间的电容。在3 μm CMOS工艺下，当衬底驱动MOSFET工作于饱和区时，式(5)可近似为
   
    随着CMOS工艺的发展，如果Gox增加S倍，而Cbsub只增加了S1/2倍，阱和衬底的掺杂浓度提高了S倍，则式(6)变为
   
    在标准深亚微米CMOS工艺中，衬底驱动NMOS的截止频率也不会比栅驱动NMOS的截止频率小很多，而动态阈值NMOS的截止频率则在衬底驱动NMOS的截止频率和栅驱动NMOS的截止频率之间，所以动态阈值NMOS不会牺牲太多的频率特性。
    栅驱动NMOS与动态阈值NMOS的沟道噪声电流相似，如果把沟道噪声电流归因于输入，则动态阈值和栅驱动下的增益因子有所不同。同时，动态阈值NMOS的阱电阻也会造成额外的热噪声。动态阈值NMOS的均方根噪声电压为
   
    其中，N为交叉NMOS结构中栅的个数；Rgi为第i个栅沟道的有效串联阱电阻；Rgi为第i个栅的栅与金属间电阻。
    式(8)中前两项为动态阈值NMOS由衬底端引起的白噪声和闪烁噪声，后两项描述了由阱与金属间、栅与金属间电阻所引起的白噪声。由于后两项有N-2系数，因此可以利用交叉CMOS结构即一个MOSFET采用多个栅来降低栅电阻所产生的噪声影响。为将衬底端所引起的噪声最小化，动态阈值NMOS的版图应该多用阱接触，而且接触应该尽量接近每个栅，以最小化衬底端电阻的噪声影响。

2 低压低功耗CMOS模拟乘法器
    基于提出的动态阈值NMOS晶体管，对传统的Gilbert CMOS模拟乘法器进行了改进，提出如图3所示的低压低功耗CMOS模拟乘法器电路，其中负载电阻ReqA和ReqB是采用PMOS有源电阻实现，其电阻值约为200～100 000 Ω，主要考虑两个负载电阻的匹配性，文中等效电阻值约为50 kΩ。4个动态阈值NMOS晶体管M1～M4为模拟乘法器的核心部分，两路差分输入信号VinA和VinB的同相、反相信号分别从4个动态阈值NMOS的栅极和衬底端输入，即M1，和M4的栅极作为VinA+的输入端，M1和M2的衬底端则作为VinB+输入端，M2和M3的栅极作为VinA-的输入端，M3和M4的衬底端作为VinB-的输入端。采用动态阈值NMOS的最大优势是大大减小了传统模拟乘法器的晶体管个数，与传统的Gilbert模拟乘法器比较，晶体管个数有传统的7个NMOS晶体管减少为4个NMOS，从电源到地电压之间的饱和NMOS由传统3个Gilbert模拟乘法器的减少为1个，从而大大降低对电源电压的要求，并实现低功耗。

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    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。