一種模擬除法器的設(shè)計及仿真驗證CMOS工藝

 本文設(shè)計了一種模擬除法器，在分析討論其工作原理的基礎(chǔ)上，采用CSMC0.5umCMOS工藝，對電路進行了Cadence Spectre 模擬仿真，仿真結(jié)果驗證了理論分析。

1 電路的設(shè)計與分析

圖1 CCII 電路結(jié)構(gòu)

模擬除法器由單電源+5V供電，主要由兩部分電路構(gòu)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 組成一個差分放大器，放大器的輸出經(jīng)過晶體管M8 傳輸?shù)結(jié)端，而晶體管M1 和M2構(gòu)成的電流鏡則是差分放大器的有源負載。假設(shè)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)，該電流通過電流鏡M9與M10 的作用復(fù)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(fù)制到Z端口，由于電流I16 跟隨電流I7 變化，因此電流iz 流動為反方向，即iz=-iy 。

由此，可以看出CCII 電路可以實現(xiàn)：

第二部分電壓電流轉(zhuǎn)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(qū)，M26-M29 工作在線性區(qū)。忽略體效應(yīng)，則漏電流Id：

圖2 電壓電流轉(zhuǎn)換電路

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

將等式(3)-(6)按照泰勒級數(shù)展開，如(7)式所示，將其在(0，0)點二階展開：

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