一种基于动态阈值NMOS的12VCMOS模拟乘法器20110711

1一种基于动态阈值NMOS的1.2VCMOS模拟乘法器1程卫东2朱樟明（1西安微电子技术研究所，西安710054）（2西安电子科技大学微电子学院，西安710071）摘要：本文分析了动态阈值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1.2V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，节省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40dB，输出信号频带宽度375MHz，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；金属氧化物半导体中图分类号：TN402文献标识码：AA1.2VCMOSAnalogMultiplierBasedontheDynamicThresholdVoltageNMOSTransistorChengWeidongZhuZhangmingWangLei(1Xi’anMicroelectronicsTechnologyInstitute,Xi’an710054,China)(2SchoolofMicroelectronics,XidianUniversity,Xi’an710071,China)Abstract：ThispaperanalysisananalogmultiplierbasedondynamicthresholdvoltageNMOStransistorfortwoinputtransistor。WithfourdynamicthresholdvoltageNMOStransistorandtwoactiveresisitordesignandachieveanovel1.2VlowpowerCMOSanalogmultiplier.Thenumberofinputtransistorhasbeendecreasedandthebiasedtransistorandcircuitshavebeensaved,whiletheperformanceisappropriate.Themaincharacteristicsisthemarginbetweenthefirstorderharmoniouswaveandthethirdorderharmoniouswaveoftheoutputwaveisabout40dB,theoutputfrequencybandwidthis375MHz,andtheaveragepowersupplycurrentis30μA.Thenovelanalogmultipliercanbeappliedforthedesignoflowpowercommunicationintegratedcircuits.Keywords:Analogmultiplier,Dynamicthresholdvoltage,Lowvoltage,Lowpower,CMOS21．引言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的最直接有效的方法，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[1-5]。传统的模拟乘法器一般采用Gilbert结构实现[4,5]，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。本文采用动态阈值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。论文首先对动态阈值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1.2VCMOS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。2动态阈值NMOS晶体管本文所提出的动态阈值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。FBSFNTHNTHVVV22)(0)(（1）其中VTH0(N)是VBS=0时的NMOS阈值电压，ФF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。DSFBSFNTHGSoxnDSVVVVLWCI12222)(0（2）基于CSMC0.6μmDPDMCMOS工艺的BSIM3V3Spice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=1.2V），自下而上5条曲线所对应的VBS分别为0V、0.3V、0.6V、0.9V和1.2V，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=1.2V），自下而上7条曲线所对应的VGS分别为0V、0.2V、0.4V、0.6V、0.8V、1.0V和1.2V，其中VGS为0V、0.2V、0.4V的三条曲线由于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。3图1不同VBS条件下的VDS~IDS关系曲线（VGS=1.2V）图2不同VGS条件下的VBS~IDS关系曲线（VDS=1.2V）将式（2）分别对VBS和VGS求偏导，即可以得到BSFmmbsVgg22（3）由于体效应因子γ的值较小，所以gmbs要小于gm，但是VBS的增加则可以增加gmbs。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mbsmgbsmggg)(（4）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，数值要小于gm，但是要大于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bsubbsmbsubbsmbsdrivenBulkTCCgCCgf22)_(（5）其中mmbsgg，VBS=0时的典型值为0.2～0.4，Cbs是P阱与源端间的电容，而Cbsub是P阱与N衬底间的电容。在3μmCMOS工艺下，当衬底驱动MOSFET工作于饱和区时，公4式(5)可近似为[1])_()_(8.3drivenGateTdrivenBulkTff（6）随着CMOS工艺的发展，如果Cox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)_()_(8.3drivenGateTdrivenBulkTfSf（7）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[1]222'22118(1)11(4()())32NNnibulkbigiiimoxkTKFvkTRRfgfCWLKN(8)其中N为交叉NMOS结构中栅的个数，Rbi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)中前二项为动态阈值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。为了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。3低压低功耗CMOS模拟乘法器基于本文所提出的动态阈值NMOS晶体管，对传统的GilbertCMOS模拟乘法器进行了改进，提出了图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有源电阻实现的，其电阻值约为200~100000Ω，主要考虑两个负载电阻的匹配性，本文的等效电阻值约为50KΩ。四个动态阈值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、反相信号分别从四个动态阈值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有传统Gilbert模拟乘法器的3个较少为1个，从而大大降低了对电5源电压的要求，并实现低功耗。图3低压低功耗CMOS模拟乘法器电路图由于动态阈值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会大于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，本文的低压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，本文的低压CMOS模拟乘法器的最小频带宽度如式（5）所示。LombsVRRgA||1（9）inB+outCgb1Csb1Cbd1gmns1VBS1Cgd1Cgd2RO1RLCL图4栅驱动信号固定情况下的半边CMOS模拟乘法器小信号等效电路4设计结果与讨论基于CSMC0.6μmDPDMCMOS工艺的BSIM3V3Spice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1.2V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5MHz，信号峰峰值为1.0V，而输入信号VinB的频率为100MHz，信号峰峰值为0.5V，输出信号Vout的峰峰值为0.35V。为了分析输出信号Vout的谐波特新，直接对图5中的Vout曲线直接进行快速傅立叶变换（FFT），获得图6所示的谐波特性曲线，一次谐波和三次谐波的差值为40dB，表明了本文的低压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375MHz，如果用于RF混频器，则IF带宽为375MHz。1.2VCMOS模拟乘法器的平均电源电流约为30μA，即动态功耗约为36μW，证实了低功耗特性。6图5时域仿真特性图6时域信号的谐波特性图7频率特性文献[6]基于0.35μmCMOS工艺，提出一种1.5VCMOS模拟乘法器，输出信号带宽为7719M