一種模擬除法器的設計及仿真驗證

發(fā)布時(shí)間:2014-12-15 11:39    發(fā)布者:designapp

        模擬除法器是一種能實(shí)現兩個(gè)模擬量相除的電子器件。目前不僅應用于模擬運算方面,而且已擴展到無(wú)線(xiàn)通訊、電視廣播、人工神經(jīng)網(wǎng)路、機器人控制技術(shù)等領(lǐng)域。此外,模擬除法器在模糊控制和測量?jì)x表中也是非常重要的器件。
本文設計了一種模擬除法器,在分析討論其工作原理的基礎上,采用CSMC0.5umCMOS工藝,對電路進(jìn)行了Cadence Spectre 模擬仿真,仿真結果驗證了理論分析。
1 電路的設計與分析


圖1 CCII 電路結構


模擬除法器由單電源+5V供電,主要由兩部分電路構成。第一部分為第二代電流傳輸器CCII,圖1 為CMOS CII電路。晶體管M3和M4 組成一個(gè)差分放大器,放大器的輸出經(jīng)過(guò)晶體管M8 傳輸到Y端,而晶體管M1 和M2構成的電流鏡則是差分放大器的有源負載。假設晶體管M1 與M2、M3 與M4、M9與M10 是匹配的,晶體管M5、M6、M7 和M11 組成偏置電流鏡,分別為三個(gè)支路提供偏置電流,且I7=I11。晶體管M1、M2 組成的電流鏡迫使晶體管M3 和M4的漏源電流相等,于是有Vgs3=Vgs4,又晶體管M3 與M4 為源極耦合對,所以晶體管M3 與M4的柵壓相等,即Vx=Vy。晶體管M8作為源極跟隨器,在Y 端提供了低的輸出阻抗。如果Vy>0,且R是Y 端電阻,則從Y 端流出的電流為iy=Vy/R,晶體管M8 的漏極電流為(I7+iy),該電流通過(guò)電流鏡M9與M10 的作用復制到Z端。因為I11=I7,所以Z端流出電流與Y 端的電流相等,即iz=iy。
晶體管M12-M17組成交叉耦合電流鏡將電流(I7+iy)復制到Z端口,由于電流I16 跟隨電流I7 變化,因此電流iz 流動(dòng)為反方向,即iz=-iy 。
由此,可以看出CCII 電路可以實(shí)現:




第二部分電壓電流轉換電路如圖2 所示,晶體管M20、M21 提供恒定且相等的電流源。晶體管M22-M25 工作在飽和區,M26-M29 工作在線(xiàn)性區。忽略體效應,則漏電流Id:





圖2 電壓電流轉換電路


圖2 中虛線(xiàn)部分電路可分為四個(gè)支路,由晶體管對(M22,M26)(M23,M28)(M24,M29)(M25,M27)構成。電壓V1、V2為輸入信號。根據方程式(2a)和(2b),我們可以得到四個(gè)支路的電流與電壓的關(guān)系式:



將等式(3)-(6)按照泰勒級數展開(kāi),如(7)式所示,將其在(0,0)點(diǎn)二階展開(kāi):



并對其路徑積分之后,總的差分輸出電流:



于是有,定義差分輸入V=V1-V2



而差分輸入電流:



由方程式(9)、(10)、(11)和(1)有






       
2 電路仿真結果
模擬除法器的整體電路如圖3 所示:


圖3 除法器的整體電路圖

整個(gè)電路采用CSMC的0.5um CMOS工藝設計,經(jīng)過(guò)CadenceSpectre仿真,結果表明,在單電源+5V供電情況下,輸入V從0V到2V變化,對輸入Vx從1V-2V 進(jìn)行DC掃描,掃描步長(cháng)為200mV,所得直流特性曲線(xiàn)如圖4 所示;當輸入Vx 為1V 時(shí),輸出Vo 與V 的關(guān)系,為Vo∝1/V ,圖5(a)為輸入V為頻率20KHz 的三角波,圖5(b)中的曲線(xiàn)為輸出電壓Vo 。圖6為除法器的頻率響應(Vx=2V, V=0.2V),它的-3dB 帶寬大約是60MHz?傮w電路的靜態(tài)電流不到0.9mA,靜態(tài)功耗小于4.5mW。


圖4 直流傳輸特性曲線(xiàn)圖



圖5(a) V 端輸入信號



圖5(b) Vo 輸出瞬態(tài)響應



圖6 頻率特性

3 結語(yǔ)
本文設計了一個(gè)模擬除法器,很好地實(shí)現了兩個(gè)電壓之間的相除,具有較好的頻率特性、較低的靜態(tài)功耗等特點(diǎn)。


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