一种高线性度的CMOS调幅电路设计

摘　要：本文设计出一种CMOS工艺调幅电路，该电路具有线性输入范围宽、线性度高的特点。文中介绍了该电路的结构，分析了电路基本工作原理，并使用仿真软件Pspice给出了电路的模拟仿真结果。

关键词：线性化压控源耦对；有源衰减器；CMOS模拟乘法器；幅度调制；正弦脉宽调制

引言

模拟信号的幅值调制在模拟信号处理中应用非常广泛，为了实现调幅的精确可控制性，本文采用±5V电源，设计出了一种以模拟乘法器为核心电路的输出信号与控制电压成高线性度的电路，并且实现了单端控制和单端输出。它在锁相环、自动增益控制、正弦脉宽调制(SPWM)、模拟运算等方面有着很好的使用和参考价值。

线性化压控源耦对是本设计电路的核心单元，要保证该电路处于正常工作状态，要求线性输入范围较小，约100mV-200mV。设计中采用有源衰减对输入信号衰减后再作为线性化压控源耦对输入信号，提高了线性输入范围，同时也保证了高线性度。另外，还使用比例减法运算电路的倍增功能，将两端输出转化为单端输出，在满足输出幅值要求时，可以进一步提高输出与输入的线性关系的精度。

模拟乘法器

核心单元以及工作原理

该模拟乘法器以线性化压控源耦对为核心结构，实现了CMOS四象限模拟乘法器。电路基本结构和工作原理如图1所示。

CMOS模拟乘法器电路结构

图4所示为核心电路模拟乘法器。电路中，M1-M8构成VY+、VY-的输入衰减器并实现电平位移，M23～M30构成Vx+、Vx-的输入衰减器并实现电平位移；M9～M14构成第一个线性压控源耦对，M15～M20构成第二个线性压控源耦对；M21M22分别提供源耦对的偏置电流。在电路工作中的输出电流I0通过电阻R1、R2形成电压双端信号输出。

模拟乘法器仿真结果

模拟乘法器的各项参数仿真如图5、图6、图7所示。

图5中，VY从-4V-+4V,步长为1V，对Vx进行步长为0．05V的DC扫描。从其直流特性曲线可以看出其线性输入范围为±4V，在±4V输入范围内，非线性误差小于0．8％，乘法器运算误差小于1％；当输入范围为±3V，非线性误差小于0．4％，运算误差小于0．6％；随着输入范围缩小，非线性误差更小，运算误差也随之减小。

图6中上图为输入端VY、Vx分别为500Hz的正弦波和输入范围为0～+4V的调幅三角波信号；下图为经过模拟乘法器乘法运算后的输出时域波形图，其调制后的波形与输入有着较好的线性度。

图7为Vx、VY，均为3．5V(DC)时对VY端的AC扫描。从其频率特性曲线可以看出－3dB带宽为8．76MHz。单端输出的运算电路设计由于R1和R2输出端为电流I0引起的电压变化，要将电流输出转化成电压输出，需要一个实现减法的电路，由两个运算放大器构成的差分比例运算电路如图8所示。

该结构由于输入端为栅极输入，所以低频阻抗非常高，其输出表达式为：

可以根据实际要求调节比例电阻Rf1和Rf2的比值，对模拟乘法器的输出电压进行倍增，可以在满足输出幅值的情况下进一步缩小线性范围，从而提高输出与输入的线性度。

结语

该文提出了一种以模拟乘法器为核心电路的输出信号与控制电压成高线性度的集成电路设计，并进行了管极电路的原理分析和电路仿真，并实现了单端控制，单端输出电路的控制电路设计。最后采用骊山微电子公司3μmP阱工艺模型参数库对电路参数进行Pspice模拟仿真，研究显示该电路输入线性范围宽，输出线性度高，值得参考和进一步研究。

注：“本文中所涉及的注解、图表、公式等请以PDF格式阅读原文。”