專利名稱：高線性度寬輸入范圍可變增益單象限cmos乘法器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及乘法器，具體涉及一種具有高線性度、寬輸入范圍、可變 增益的單象限CMOS乘法器。
背景技術(shù)：
乘法器主要用在功率因數(shù)校正(Power Factor Correction縮寫PFC)電路中， 它是PFC電路的核心。乘法器完成的功能可以用如下公式表示C =《dXjS。其 中A為經(jīng)橋式整流之后得到的AC電壓的分壓；B為輸出電壓的反饋信號，用 以保持輸出電壓恒定；K為乘法器的增益；C為乘法器的輸出，作為PWM比較 器的比較電平，用來控制PWM模塊輸出信號的頻率以及占空比。為了減少乘法器的總諧波失真(Total Harmonic Distortion縮寫THD)，要求 C/A的線性度很高，即C要緊隨A的變化而變化。現(xiàn)有技術(shù)中，絕大多數(shù)集成 模擬乘法器均采用著名的Gilbert乘法單元，但Gilbert單元的線性輸入范圍比較 窄，傳統(tǒng)乘法器只能接受0 1V左右的輸入，限制了乘法器的使用。傳統(tǒng)集成模 擬乘法器采用Bipolar工藝，工藝兼容性較差，成本高，難以滿足集成電路產(chǎn)業(yè) 化生產(chǎn)的要求。實(shí)用新型內(nèi)容有鑒于此，本實(shí)用新型的目的在于提供一種采用CMOS工藝的單象限模擬 乘法器，該乘法器具有高線性度和寬輸入范圍，并且增益可調(diào)。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下-一種高線性度寬輸入范圍可變增益單象限CMOS乘法器，其特征在于該乘 法器包括第一級和第二級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路、第一級和第二級電流-電壓轉(zhuǎn)換電 路和一增益控制電路，其中，第一級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路接收第一輸入電壓，輸出第一電流；第一級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路接收第一 電流，輸出中間級電壓；第二級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路接收中間級電壓，轉(zhuǎn)換為第一支路電流和第二支 路電流，兩條支路電流受第二電流偏置，兩條支路電流的差值經(jīng)雙端到單端轉(zhuǎn) 換電路得到輸出電流；第二級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓；增益控制電路通過第二輸入電壓的大小對第二電流的大小進(jìn)行控制。所述第一級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路包括第一運(yùn)算跨導(dǎo)放大器，其反相輸入端接 地，正相輸入端接收所述第一輸入電壓，輸出端輸出第一電流。所述第一級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路包括第一、第二、第三和第四場效應(yīng)管，第 一、第二場效應(yīng)管的漏極和柵極都與一電壓源連接，第一、第二場效應(yīng)管的源 極分別連接第三、第四場效應(yīng)管的漏極，第三場效應(yīng)管的漏極和柵極相連接收 第一電流，第三、第四場效應(yīng)管的柵極相連，源極均接地，構(gòu)成電流鏡，所述 中間級電壓的正、負(fù)極分別取自第一、第二場效應(yīng)管的源極。所述第二級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路包括構(gòu)成差分對管的第五場效應(yīng)管和第六場 效應(yīng)管，第六、第五場效應(yīng)管的柵極分別與所述中間級電壓的正、負(fù)極連接， 所述第一、第二支路電流分別為流經(jīng)第五、第六場效應(yīng)管的電流，第五、第六 場效應(yīng)管的源極相連形成兩支路電流的匯結(jié)端，兩支路電流受第二電流偏置。所述第二級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路還包括一雙端到單端轉(zhuǎn)換電路，所述雙端到 單端轉(zhuǎn)換電路包括第七、第八場效應(yīng)管構(gòu)成的電流鏡，第七、第八場效應(yīng)管的 漏極分別與第五、第六場效應(yīng)管的漏極連接，所述雙端到單端轉(zhuǎn)換電路還包括 第九、第十場效應(yīng)管構(gòu)成的電流鏡，第九場效應(yīng)管的漏極連接第六場效應(yīng)管的 漏極，將第二支路電流和第一支路電流的差值電流鏡像給第十場效應(yīng)管，得到 輸出電流。所述第二級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路包括一電阻，電阻的一端接地，另一端與所 述雙端到單端轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接，接收輸出電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓。所述增益控制電路包括第二、第三運(yùn)算跨導(dǎo)放大器，兩個(gè)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器 的正相輸入端接收輸出電壓的反饋電壓，兩個(gè)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的輸出端與所述 兩條支路電流的匯結(jié)端連接提供第二電流，第二、第三運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的反相 輸入端分別輸入第一參考電壓和第二參考電壓。所述第一參考電壓為2.5V，所述第二參考電壓為3.15V。 所述反饋電壓與第一參考電壓的差提供第二輸入電壓。 所述第一輸入電壓為交流輸入經(jīng)橋式整流后的分壓。 本實(shí)用新型一種高線性度寬輸入范圍可變增益單象限CMOS乘法器，總的工作原理是通過<formula>formula see original document page 6</formula>的一系列轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)乘法器的功能，將乘法 器的第一輸入電壓和第二輸入電壓相乘輸出。第一級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路、第一級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、第二級電壓-電 流轉(zhuǎn)換電路和第二級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路是乘法器的核心。第一級電壓-電流轉(zhuǎn) 換電路通過第一運(yùn)算跨導(dǎo)放大器將第一輸入電壓和地GND之間的差值轉(zhuǎn)化為 第一電流，第一級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路將第一電流轉(zhuǎn)換為中間級電壓，中間級 電壓從第一、第二場效應(yīng)管的源極雙端輸出。第二級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路中， 第六、第五場效應(yīng)管的柵極分別連接中間級電壓的正、負(fù)極，用于接收中間 級電壓，并轉(zhuǎn)換為流經(jīng)第五場效應(yīng)管的第一支路電流和流經(jīng)第六場效應(yīng)管的 第二支路電流，第五場效應(yīng)管的源極和第六場效應(yīng)管的源極連接形成兩支路 電流的匯結(jié)端，兩支流電流受第二電流偏置。兩支路電流通過雙端到單端轉(zhuǎn) 換電路得到乘法器的輸出電流。第二級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路接收該輸出電流， 通過一電阻轉(zhuǎn)換輸出乘法器的輸出電壓。第二電流的大小由增益控制電路控 制，而乘法器的增益是由第二電流控制的，隨第二電流的變化而變化。增益 控制電路中第二、第三運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的輸出端連接在一起，并與第一支路 電流和第二支路電流的匯結(jié)端連接，提供用于偏置的第二電流。第二、第三 運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的正相輸入端接收輸出電壓的反饋電壓，反相輸入端分別輸入第一參考電壓2.5V和第二參考電壓3.15V。當(dāng)反饋電壓小于2.5V時(shí)，兩個(gè)運(yùn) 算跨導(dǎo)放大器的輸出端都沒有電流，第二電流為0，乘法器不工作。當(dāng)反饋電 壓大于2.5V小于3.15V的時(shí)候，只有第二運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的輸出端有電流產(chǎn) 生，第二電流等于該輸出端產(chǎn)生的電流。當(dāng)反饋電壓大于3.15V時(shí)，第二、第 三運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的輸出端都有電流產(chǎn)生，第二電流等于兩輸出端產(chǎn)生的電 流之和。因此，乘法器的增益受反饋電壓大小影響，當(dāng)反饋電壓在3.15V上下 變化時(shí)，乘法器的增益分別為不同的值。本實(shí)用新型的有益效果在于，通過對第一級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路、第一級 電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、第二級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路的設(shè)置，可以保證乘法器輸出 電壓和第一輸入電壓之間的高線性度，減少乘法器的總諧波失真，同時(shí)擴(kuò)大 了輸入電壓的范圍，輸入電壓可以在0 3V之間選擇。增益控制電路控制第二 電流的大小，實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)，使得輸入電壓在85V 265V范圍內(nèi)，系統(tǒng)能保 持很好的穩(wěn)定性。。本實(shí)用新型采用CMOS工藝，工藝兼容性好，電路結(jié)構(gòu)簡單緊湊，節(jié)省面 積，節(jié)約成本，降低功耗，更好地滿足了集成電路產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的需要。


以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的闡述。圖1為本實(shí)用新型具體實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖；圖2為圖1中雙端到單端轉(zhuǎn)換電路的局部電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示， 一種高線性度寬輸入范圍可變增益單象限CMOS乘法器，包 括第一級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路l、第一級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路2、第二級電壓-電流 轉(zhuǎn)換電路3 、第二級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路4和增益控制電路5 。第一級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路1包括第一運(yùn)算跨導(dǎo)放大器OTAl。第一運(yùn)算跨 導(dǎo)放大器OTA1的正相輸入端接收第一輸入電壓Multin，反相輸入端接地GND， 輸出端輸出第一電流Il。第一級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路2包括第一場效應(yīng)管Ml、第二場效應(yīng)管M2、第 三場效應(yīng)管M3和第四場效應(yīng)管M4。四個(gè)場效應(yīng)管均采用NMOS管。第一場 效應(yīng)管Ml和第二場效應(yīng)管M2的柵極和漏極都連接到電壓源VCC上，第一場 效應(yīng)管Ml和第二場效應(yīng)管M2的源極分別連接第三場效應(yīng)管M3和第四場效應(yīng) 管M4的漏極，第三場效應(yīng)管M3的柵極和漏極連接，同時(shí)還與第四場效應(yīng)管 M4的柵極連接，第三場效應(yīng)管M3和第四場效應(yīng)管M4的源極接地GND，兩個(gè) 場效應(yīng)管構(gòu)成電流鏡。第三場效應(yīng)管M3的漏極與第一運(yùn)算跨導(dǎo)放大器OTA1 的輸出端連接，接收第一電流Il。中間級電壓AV從第一場效應(yīng)管M1和第二 場效應(yīng)管M2的源極輸出。第一場效應(yīng)管Ml和第二場效應(yīng)管M2具有相同的參 數(shù)，相當(dāng)于兩個(gè)等值電阻。由于第三場效應(yīng)管M3和第四場效應(yīng)管M4構(gòu)成電流 鏡，而第二場效應(yīng)管M2和第四場效應(yīng)管M4在同一電路上，當(dāng)?shù)谌龍鲂?yīng)管 M3和第四場效應(yīng)管M4具有相同的長寬比等參數(shù)時(shí)，流過第二場效應(yīng)管M2、 第三場效應(yīng)管M3和第四場效應(yīng)管M4的電流相等。根據(jù)基爾霍夫電流定理可以 得到流過第一場效應(yīng)管M1的電流為流過第三場效應(yīng)管M3的電流和第一電流Il 的差值，比流過第二場效應(yīng)管M2的電流小，因此第一場效應(yīng)管M1源極的電位 比第二場效應(yīng)管M2源極的電位高，所以第一場效應(yīng)管M1的源極對應(yīng)中間級電 壓AV的正極，第二場效應(yīng)管M2的源極對應(yīng)中間級電壓AV的負(fù)極。第二級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路3包括由第五場效應(yīng)管M5和第六場效應(yīng)管M6構(gòu)成的差分對管和雙端到單端轉(zhuǎn)換電路，兩個(gè)場效應(yīng)管采用NMOS管。第五場效應(yīng)管M5和第六場效應(yīng)管M6的柵極分別與第二場效應(yīng)管M2和第一場效應(yīng)管 Ml的源極連接，即分別與中間級電壓AV的負(fù)極、正極連接，用于接收中間級 電壓AV。第五場效應(yīng)管M5和第六場效應(yīng)管M6的漏極作為雙端到單端轉(zhuǎn)換電 路的兩輸入端，流過第五場效應(yīng)管M5和第六場效應(yīng)管M6的電流分別為第一支 路電流15和第二支路電流16，第五場效應(yīng)管M5和第六場效應(yīng)管M6的源極連 接，形成兩支路電流的匯結(jié)端A，兩支路電流受第二電流I2偏置。雙端到單端轉(zhuǎn)換電路的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，該電路包括由第七場效應(yīng)管 M7和第八場效應(yīng)管M8構(gòu)成的電流鏡，兩個(gè)場效應(yīng)管采用PMOS管，它們的源 極與電壓源VCC連接，漏極分別與第五場效應(yīng)管M5和第六場效應(yīng)管M6的漏 極連接。該雙端到單端轉(zhuǎn)換電路還包括第九場效應(yīng)管M9和第十場效應(yīng)管M10 構(gòu)成的電流鏡。第九場效應(yīng)管M9和第十場效應(yīng)管M10采用PMOS管，它們的 源極與電壓源VCC連接。第九場效應(yīng)管M9的漏極連接第八場效應(yīng)管M8的漏 極。由于第六場效應(yīng)管M6柵極的電壓比第五場效應(yīng)管M5柵極的電壓高，流過 第六場效應(yīng)管M6的電流即第二支路電流16比流過第五場效應(yīng)管M5的電流即 第一支路電流15大。而第五場效應(yīng)管M5和第七場效應(yīng)管M7在同一電路上， 第五場效應(yīng)管M5的電流即第一支路電流15通過第七場效應(yīng)管M7鏡像給第八 場效應(yīng)管M8，使第八場效應(yīng)管M8上的電流小于第六場效應(yīng)管M6的電流，它 們的差值電流即第二支路電流I6和第一支路電流I5的差值電流經(jīng)第九場效應(yīng)管 M9鏡像到第十場效應(yīng)管MIO，得到乘法器的輸出電流。第二級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路4包括電阻R，電阻R的一端接地GND，另一端 連接第十場效應(yīng)管M10的漏極，接收乘法器的輸出電流，并轉(zhuǎn)換為乘法器的輸 出電壓Multout。增益控制電路5用于控制第二電流I2的大小，從而控制乘法器的增益。該 電路包括第二運(yùn)算跨導(dǎo)放大器OTA2和第三運(yùn)算跨導(dǎo)放大器OTA3。第二運(yùn)算跨 導(dǎo)放大器OTA2的正相輸入端接收輸出電壓的反饋電壓Vaout，其反相輸入端接 收第一參考電壓2.5V。第三運(yùn)算跨導(dǎo)放大器OTA3的正相輸入端接收輸出電壓 的反饋電壓Vaout，其反相輸入端接收第二參考電壓3.15V。第二運(yùn)算跨導(dǎo)放大 器OTA2和第三運(yùn)算跨導(dǎo)放大器OTA3的輸出端連接在一起，并與第一支路電 流I5和第二支路電流I6的匯結(jié)端A連接，提供第二電流I2作為偏置。當(dāng)反饋 電壓Vaout大于第一參考電壓2.5V小于第二參考電壓3.15V時(shí)，第二運(yùn)算跨導(dǎo)放大器OTA2的輸出端產(chǎn)生電流I2a，第三運(yùn)算跨導(dǎo)放大器OTA3的輸出端沒有 電流，此時(shí)第二電流12等于電流12a;當(dāng)反饋電壓Vaout大于第二參考電壓3.15V 時(shí)，第二運(yùn)算跨導(dǎo)放大器OTA2的輸出端產(chǎn)生電流12a，第三運(yùn)算跨導(dǎo)放大器 OTA3的輸出端產(chǎn)生電流12b，此時(shí)第二電流12等于電流I2a和電流I2b之和； 當(dāng)反饋電壓Vaoiit小于第一參考電壓2.5V時(shí)，第二運(yùn)算跨導(dǎo)放大器OTA2的輸 出端和第三運(yùn)算跨導(dǎo)放大器OTA3的輸出端均沒有電流，此時(shí)第二電流I2等于 0，乘法器不工作。由此可見，乘法器的增益受反饋電壓Vaout的影響，當(dāng)反饋 電壓Vaout在3.15V上下變化時(shí)，乘法器具有不同的增益。乘法器總的輸出為其中，Multout表示乘法器的輸出電壓；K表示乘法器的增益，該增益由I2 控制，隨I2的變化而變化；Multin表示乘法器的第一輸入電壓，第一輸入電壓 為交流輸入經(jīng)橋式整流后得到的分壓；(Vaout-2.5V)構(gòu)成乘法器的第二輸入電壓。
權(quán)利要求1. 一種高線性度寬輸入范圍可變增益單象限CMOS乘法器，其特征在于該乘法器包括第一級和第二級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路、第一級和第二級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路和一增益控制電路，其中，第一級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路接收第一輸入電壓，輸出第一電流；第一級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路接收第一電流，輸出中間級電壓；第二級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路接收中間級電壓，轉(zhuǎn)換為第一支路電流和第二支路電流，兩條支路電流受第二電流偏置，兩條支路電流的差值經(jīng)雙端到單端轉(zhuǎn)換電路得到輸出電流；第二級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓；增益控制電路通過第二輸入電壓的大小對第二電流的大小進(jìn)行控制。
2. 如權(quán)利要求1所述的高線性度寬輸入范圍可變增益單象限CMOS乘法 器，其特征在于所述第一級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路包括第一運(yùn)算跨導(dǎo)放大器，其反 相輸入端接地，正相輸入端接收所述第一輸入電壓，輸出端輸出第一電流。
3. 如權(quán)利要求1所述的高線性度寬輸入范圍可變增益單象限CMOS乘法 器，其特征在于所述第一級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路包括第一、第二、第三和第四場 效應(yīng)管，第一、第二場效應(yīng)管的漏極和柵極都與一電壓源連接，第一、第二場 效應(yīng)管的源極分別連接第三、第四場效應(yīng)管的漏極，第三場效應(yīng)管的漏極和柵 極相連接收第一電流，第三、第四場效應(yīng)管的柵極相連，源極均接地，構(gòu)成電 流鏡，所述中間級電壓的正、負(fù)極分別取自第一、第二場效應(yīng)管的源極。
4. 如權(quán)利要求1所述的高線性度寬輸入范圍可變增益單象限CMOS乘法 器，其特征在于所述第二級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路包括構(gòu)成差分對管的第五場效應(yīng) 管和第六場效應(yīng)管，第六、第五場效應(yīng)管的柵極分別與所述中間級電壓的正、 負(fù)極連接，所述第一、第二支路電流分別為流經(jīng)第五、第六場效應(yīng)管的電流， 第五、第六場效應(yīng)管的源極相連形成兩支路電流的匯結(jié)端，兩支路電流受第二 電流偏置。
5. 如權(quán)利要求4所述的高線性度寬輸入范圍可變增益單象限CMOS乘法 器，其特征在于所述第二級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路還包括一雙端到單端轉(zhuǎn)換電路， 所述雙端到單端轉(zhuǎn)換電路包括第七、第八場效應(yīng)管構(gòu)成的電流鏡，第七、第八場效應(yīng)管的漏極分別與第五、第六場效應(yīng)管的漏極連接，所述雙端到單端轉(zhuǎn)換 電路還包括第九、第十場效應(yīng)管構(gòu)成的電流鏡，第九場效應(yīng)管的漏極連接第六 場效應(yīng)管的漏極，將第二支路電流和第一支路電流的差值電流鏡像給第十場效 應(yīng)管，得到輸出電流。
6. 如權(quán)利要求1所述的高線性度寬輸入范圍可變增益單象限CMOS乘法 器，其特征在于所述第二級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路包括一電阻，電阻的一端接地， 另一端與所述雙端到單端轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接，接收輸出電流轉(zhuǎn)換為輸出電 壓。
7. 如權(quán)利要求1所述的高線性度寬輸入范圍可變增益單象限CMOS乘法 器，其特征在于所述增益控制電路包括第二、第三運(yùn)算跨導(dǎo)放大器，兩個(gè)運(yùn)算 跨導(dǎo)放大器的正相輸入端接收輸出電壓的反饋電壓，兩個(gè)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的輸 出端與所述兩條支路電流的匯結(jié)端連接提供第二電流，第二、第三運(yùn)算跨導(dǎo)放 大器的反相輸入端分別輸入第一參考電壓和第二參考電壓。
8. 如權(quán)利要求7所述的高線性度寬輸入范圍可變增益單象限CMOS乘法 器，其特征在于所述第一參考電壓為2.5V，所述第二參考電壓為3.15V。
9. 如權(quán)利要求7所述的高線性度寬輸入范圍可變增益單象限CMOS乘法 器，其特征在于所述反饋電壓與第一參考電壓的差提供第二輸入電壓。
10. 如權(quán)利要求1所述的高線性度寬輸入范圍可變增益單象限CMOS乘法 器，其特征在于所述第一輸入電壓為交流輸入經(jīng)橋式整流后的分壓。
專利摘要本實(shí)用新型揭示一種高線性度寬輸入范圍可變增益單象限CMOS乘法器，屬于模擬集成電路領(lǐng)域。該乘法器包括用于接收第一輸入電壓，輸出第一電流的第一級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路、用于接收第一電流，輸出中間級電壓的第一級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、用于接收中間級電壓得到輸出電流的第二級電壓-電流轉(zhuǎn)換電路、用于將輸出電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓的第二級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路以及增益控制電路。本實(shí)用新型的有益效果在于可以保證乘法器的高線性度，減少乘法器的總諧波失真，同時(shí)擴(kuò)大了輸入電壓的范圍。增益控制電路實(shí)現(xiàn)了增益可調(diào)，使得輸入電壓在85V～265V范圍內(nèi)，系統(tǒng)能保持很好的穩(wěn)定性。本實(shí)用新型采用CMOS工藝，工藝兼容性好，節(jié)約成本，更好地滿足了集成電路產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的需要。
文檔編號H03K19/0948GK201113977SQ20072012737
公開日2008年9月10日 申請日期2007年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月14日
發(fā)明者偉 劉 申請人:綠達(dá)光電(蘇州)有限公司