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模擬除法器是一種能實現(xiàn)兩個模擬量相除的電子器件。目前不僅應(yīng)用于模擬運算方面，而且已擴展到無線通訊、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儀表中也是非常重要的器件。 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(fù)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 2 電路仿真結(jié)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 整個電路采用CSMC的0.5um CMOS工藝設(shè)計，經(jīng)過CadenceSpectre仿真，結(jié)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 進行DC掃描，掃描步長為200mV，所得直流特性曲線如圖4 所示;當(dāng)輸入Vx 為1V 時，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)中的曲線為輸出電壓Vo 。圖6為除法器的頻率響應(yīng)(Vx=2V, V=0.2V)，它的-3dB 帶寬大約是60MHz。總體電路的靜態(tài)電流不到0.9mA，靜態(tài)功耗小于4.5mW。 圖4 直流傳輸特性曲線圖 圖5(a) V 端輸入信號 圖5(b) Vo 輸出瞬態(tài)響應(yīng) 圖6 頻率特性 3 結(jié)語 本文設(shè)計了一個模擬除法器，很好地實現(xiàn)了兩個電壓之間的相除，具有較好的頻率特性、較低的靜態(tài)功耗等特點。 |
