CN101090267A - 高线性度宽输入范围可变增益单象限cmos乘法器 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种高线性度宽输入范围可变增益单象限CMOS乘法器，属于模拟集成电路领域。该乘法器包括用于接收第一输入电压，输出第一电流的第一级电压－电流转换电路、用于接收第一电流，输出中间级电压的第一级电流－电压转换电路、用于接收中间级电压得到输出电流的第二级电压－电流转换电路、用于将输出电流转换为输出电压的第二级电流－电压转换电路以及增益控制电路。本发明的有益效果在于可以保证乘法器的高线性度，减少乘法器的总谐波失真，同时扩大了输入电压的范围。增益控制电路实现了增益可调，使得输入电压在85V～265V范围内，***能保持很好的稳定性。本发明采用CMOS工艺，工艺兼容性好，节约成本，更好地满足了集成电路产业化生产的需要。
Description
技术领域
本发明涉及乘法器，具体涉及一种具有高线性度、宽输入范围、可变增益的单象限CMOS乘法器。
背景技术
乘法器主要用在功率因数校正(Power Factor Correction缩写PFC)电路中，它是PFC电路的核心。乘法器完成的功能可以用如下公式表示：C＝K·A×B。其中A为经桥式整流之后得到的AC电压的分压；B为输出电压的反馈信号，用以保持输出电压恒定；K为乘法器的增益；C为乘法器的输出，作为PWM比较器的比较电平，用来控制PWM模块输出信号的频率以及占空比。
为了减少乘法器的总谐波失真(Total Harmonic Distortion缩写THD)，要求C/A的线性度很高，即C要紧随A的变化而变化。现有技术中，绝大多数集成模拟乘法器均采用著名的Gilbert乘法单元，但Gilbert单元的线性输入范围比较窄，传统乘法器只能接受0～1V左右的输入，限制了乘法器的使用。传统集成模拟乘法器采用Bipolar工艺，工艺兼容性较差，成本高，难以满足集成电路产业化生产的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种采用CMOS工艺的单象限模拟乘法器，该乘法器具有高线性度和宽输入范围，并且增益可调。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高线性度宽输入范围可变增益单象限CMOS乘法器，其特征在于该乘法器包括第一级和第二级电压-电流转换电路、第一级和第二级电流-电压转换电路和一增益控制电路，其中，
第一级电压-电流转换电路接收第一输入电压，输出第一电流；
第一级电流-电压转换电路接收第一电流，输出中间级电压；
第二级电压-电流转换电路接收中间级电压，转换为第一支路电流和第二支路电流，两条支路电流受第二电流偏置，两条支路电流的差值经双端到单端转换电路得到输出电流；
第二级电流-电压转换电路的输出电流转换为输出电压；
增益控制电路通过第二输入电压的大小对第二电流的大小进行控制。
所述第一级电压-电流转换电路包括第一运算跨导放大器，其反相输入端接地，正相输入端接收所述第一输入电压，输出端输出第一电流。
所述第一级电流-电压转换电路包括第一、第二、第三和第四场效应管，第一、第二场效应管的漏极和栅极都与一电压源连接，第一、第二场效应管的源极分别连接第三、第四场效应管的漏极，第三场效应管的漏极和栅极相连接收第一电流，第三、第四场效应管的栅极相连，源极均接地，构成电流镜，所述中间级电压的正、负极分别取自第一、第二场效应管的源极。
所述第二级电压-电流转换电路包括构成差分对管的第五场效应管和第六场效应管，第六、第五场效应管的栅极分别与所述中间级电压的正、负极连接，所述第一、第二支路电流分别为流经第五、第六场效应管的电流，第五、第六场效应管的源极相连形成两支路电流的汇结端，两支路电流受第二电流偏置。
所述第二级电压-电流转换电路还包括一双端到单端转换电路，所述双端到单端转换电路包括第七、第八场效应管构成的电流镜，第七、第八场效应管的漏极分别与第五、第六场效应管的漏极连接，所述双端到单端转换电路还包括第九、第十场效应管构成的电流镜，第九场效应管的漏极连接第六场效应管的漏极，将第二支路电流和第一支路电流的差值电流镜像给第十场效应管，得到输出电流。
所述第二级电流-电压转换电路包括一电阻，电阻的一端接地，另一端与所述双端到单端转换电路的输出端连接，接收输出电流转换为输出电压。
所述增益控制电路包括第二、第三运算跨导放大器，两个运算跨导放大器的正相输入端接收输出电压的反馈电压，两个运算跨导放大器的输出端与所述两条支路电流的汇结端连接提供第二电流，第二、第三运算跨导放大器的反相输入端分别输入第一参考电压和第二参考电压。
所述第一参考电压为2.5V，所述第二参考电压为3.15V。
所述反馈电压与第一参考电压的差提供第二输入电压。
所述第一输入电压为交流输入经桥式整流后的分压。
本发明一种高线性度宽输入范围可变增益单象限CMOS乘法器，总的工作原理是通过V→I→V→I→V的一系列转换，实现乘法器的功能，将乘法器的第一输入电压和第二输入电压相乘输出。
第一级电压-电流转换电路、第一级电流-电压转换电路、第二级电压-电流转换电路和第二级电流-电压转换电路是乘法器的核心。第一级电压-电流转换电路通过第一运算跨导放大器将第一输入电压和地GND之间的差值转化为第一电流，第一级电流-电压转换电路将第一电流转换为中间级电压，中间级电压从第一、第二场效应管的源极双端输出。第二级电压-电流转换电路中，第六、第五场效应管的栅极分别连接中间级电压的正、负极，用于接收中间级电压，并转换为流经第五场效应管的第一支路电流和流经第六场效应管的第二支路电流，第五场效应管的源极和第六场效应管的源极连接形成两支路电流的汇结端，两支流电流受第二电流偏置。两支路电流通过双端到单端转换电路得到乘法器的输出电流。第二级电流-电压转换电路接收该输出电流，通过一电阻转换输出乘法器的输出电压。第二电流的大小由增益控制电路控制，而乘法器的增益是由第二电流控制的，随第二电流的变化而变化。增益控制电路中第二、第三运算跨导放大器的输出端连接在一起，并与第一支路电流和第二支路电流的汇结端连接，提供用于偏置的第二电流。第二、第三运算跨导放大器的正相输入端接收输出电压的反馈电压，反相输入端分别输入第一参考电压2.5V和第二参考电压3.15V。当反馈电压小于2.5V时，两个运算跨导放大器的输出端都没有电流，第二电流为0，乘法器不工作。当反馈电压大于2.5V小于3.15V的时候，只有第二运算跨导放大器的输出端有电流产生，第二电流等于该输出端产生的电流。当反馈电压大于3.15V时，第二、第三运算跨导放大器的输出端都有电流产生，第二电流等于两输出端产生的电流之和。因此，乘法器的增益受反馈电压大小影响，当反馈电压在3.15V上下变化时，乘法器的增益分别为不同的值。
本发明的有益效果在于，通过对第一级电压-电流转换电路、第一级电流-电压转换电路、第二级电压-电流转换电路的设置，可以保证乘法器输出电压和第一输入电压之间的高线性度，减少乘法器的总谐波失真，同时扩大了输入电压的范围，输入电压可以在0～3V之间选择。增益控制电路控制第二电流的大小，实现增益可调，使得输入电压在85V～265V范围内，***能保持很好的稳定性。。
本发明采用CMOS工艺，工艺兼容性好，电路结构简单紧凑，节省面积，节约成本，降低功耗，更好地满足了集成电路产业化生产的需要。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的阐述。
图1为本发明具体实施例的电路结构图；
图2为图1中双端到单端转换电路的局部电路结构图。
具体实施方式
如图1所示，一种高线性度宽输入范围可变增益单象限CMOS乘法器，包括第一级电压-电流转换电路1、第一级电流-电压转换电路2、第二级电压-电流转换电路3、第二级电流-电压转换电路4和增益控制电路5。
第一级电压-电流转换电路1包括第一运算跨导放大器OTA1。第一运算跨导放大器OTA1的正相输入端接收第一输入电压Multin，反相输入端接地GND，输出端输出第一电流I1。
第一级电流-电压转换电路2包括第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3和第四场效应管M4。四个场效应管均采用NMOS管。第一场效应管M1和第二场效应管M2的栅极和漏极都连接到电压源VCC上，第一场效应管M1和第二场效应管M2的源极分别连接第三场效应管M3和第四场效应管M4的漏极，第三场效应管M3的栅极和漏极连接，同时还与第四场效应管M4的栅极连接，第三场效应管M3和第四场效应管M4的源极接地GND，两个场效应管构成电流镜。第三场效应管M3的漏极与第一运算跨导放大器OTA1的输出端连接，接收第一电流I1。中间级电压ΔV从第一场效应管M1和第二场效应管M2的源极输出。第一场效应管M1和第二场效应管M2具有相同的参数，相当于两个等值电阻。由于第三场效应管M3和第四场效应管M4构成电流镜，而第二场效应管M2和第四场效应管M4在同一电路上，当第三场效应管M3和第四场效应管M4具有相同的长宽比等参数时，流过第二场效应管M2、第三场效应管M3和第四场效应管M4的电流相等。根据基尔霍夫电流定理可以得到流过第一场效应管M1的电流为流过第三场效应管M3的电流和第一电流I1的差值，比流过第二场效应管M2的电流小，因此第一场效应管M1源极的电位比第二场效应管M2源极的电位高，所以第一场效应管M1的源极对应中间级电压ΔV的正极，第二场效应管M2的源极对应中间级电压ΔV的负极。
第二级电压-电流转换电路3包括由第五场效应管M5和第六场效应管M6构成的差分对管和双端到单端转换电路，两个场效应管采用NMOS管。第五场效应管M5和第六场效应管M6的栅极分别与第二场效应管M2和第一场效应管M1的源极连接，即分别与中间级电压ΔV的负极、正极连接，用于接收中间级电压ΔV。第五场效应管M5和第六场效应管M6的漏极作为双端到单端转换电路的两输入端，流过第五场效应管M5和第六场效应管M6的电流分别为第一支路电流I5和第二支路电流I6，第五场效应管M5和第六场效应管M6的源极连接，形成两支路电流的汇结端A，两支路电流受第二电流I2偏置。
双端到单端转换电路的电路结构如图2所示，该电路包括由第七场效应管M7和第八场效应管M8构成的电流镜，两个场效应管采用PMOS管，它们的源极与电压源VCC连接，漏极分别与第五场效应管M5和第六场效应管M6的漏极连接。该双端到单端转换电路还包括第九场效应管M9和第十场效应管M10构成的电流镜。第九场效应管M9和第十场效应管M10采用PMOS管，它们的源极与电压源VCC连接。第九场效应管M9的漏极连接第八场效应管M8的漏极。由于第六场效应管M6栅极的电压比第五场效应管M5栅极的电压高，流过第六场效应管M6的电流即第二支路电流I6比流过第五场效应管M5的电流即第一支路电流I5大。而第五场效应管M5和第七场效应管M7在同一电路上，第五场效应管M5的电流即第一支路电流I5通过第七场效应管M7镜像给第八场效应管M8，使第八场效应管M8上的电流小于第六场效应管M6的电流，它们的差值电流即第二支路电流I6和第一支路电流I5的差值电流经第九场效应管M9镜像到第十场效应管M10，得到乘法器的输出电流。
第二级电流-电压转换电路4包括电阻R，电阻R的一端接地GND，另一端连接第十场效应管M10的漏极，接收乘法器的输出电流，并转换为乘法器的输出电压Multout。
增益控制电路5用于控制第二电流I2的大小，从而控制乘法器的增益。该电路包括第二运算跨导放大器OTA2和第三运算跨导放大器OTA3。第二运算跨导放大器OTA2的正相输入端接收输出电压的反馈电压Vaout，其反相输入端接收第一参考电压2.5V。第三运算跨导放大器OTA3的正相输入端接收输出电压的反馈电压Vaout，其反相输入端接收第二参考电压3.15V。第二运算跨导放大器OTA2和第三运算跨导放大器OTA3的输出端连接在一起，并与第一支路电流I5和第二支路电流I6的汇结端A连接，提供第二电流I2作为偏置。当反馈电压Vaout大于第一参考电压2.5V小于第二参考电压3.15V时，第二运算跨导放大器OTA2的输出端产生电流I2a，第三运算跨导放大器OTA3的输出端没有电流，此时第二电流I2等于电流I2a；当反馈电压Vaout大于第二参考电压3.15V时，第二运算跨导放大器OTA2的输出端产生电流I2a，第三运算跨导放大器OTA3的输出端产生电流I2b，此时第二电流I2等于电流I2a和电流I2b之和；当反馈电压Vaout小于第一参考电压2.5V时，第二运算跨导放大器OTA2的输出端和第三运算跨导放大器OTA3的输出端均没有电流，此时第二电流I2等于0，乘法器不工作。由此可见，乘法器的增益受反馈电压Vaout的影响，当反馈电压Vaout在3.15V上下变化时，乘法器具有不同的增益。乘法器总的输出为：
Multout＝K·Multin·(Vaout-2.5V)
其中，Multout表示乘法器的输出电压；K表示乘法器的增益，该增益由I2控制，随I2的变化而变化；Multin表示乘法器的第一输入电压，第一输入电压为交流输入经桥式整流后得到的分压；(Vaout-2.5V)构成乘法器的第二输入电压。
Claims (10)
1.一种高线性度宽输入范围可变增益单象限CMOS乘法器，其特征在于该乘法器包括第一级和第二级电压-电流转换电路、第一级和第二级电流-电压转换电路和一增益控制电路，其中，
第一级电压-电流转换电路接收第一输入电压，输出第一电流；
第一级电流-电压转换电路接收第一电流，输出中间级电压；
第二级电压-电流转换电路接收中间级电压，转换为第一支路电流和第二支路电流，两条支路电流受第二电流偏置，两条支路电流的差值经双端到单端转换电路得到输出电流；
第二级电流-电压转换电路的输出电流转换为输出电压；
增益控制电路通过第二输入电压的大小对第二电流的大小进行控制。
2.如权利要求1所述的高线性度宽输入范围可变增益单象限CMOS乘法器，其特征在于所述第一级电压-电流转换电路包括第一运算跨导放大器，其反相输入端接地，正相输入端接收所述第一输入电压，输出端输出第一电流。
3.如权利要求1所述的高线性度宽输入范围可变增益单象限CMOS乘法器，其特征在于所述第一级电流-电压转换电路包括第一、第二、第三和第四场效应管，第一、第二场效应管的漏极和栅极都与一电压源连接，第一、第二场效应管的源极分别连接第三、第四场效应管的漏极，第三场效应管的漏极和栅极相连接收第一电流，第三、第四场效应管的栅极相连，源极均接地，构成电流镜，所述中间级电压的正、负极分别取自第一、第二场效应管的源极。
4. 如权利要求1所述的高线性度宽输入范围可变增益单象限CMOS乘法器，其特征在于所述第二级电压-电流转换电路包括构成差分对管的第五场效应管和第六场效应管，第六、第五场效应管的栅极分别与所述中间级电压的正、负极连接，所述第一、第二支路电流分别为流经第五、第六场效应管的电流，第五、第六场效应管的源极相连形成两支路电流的汇结端，两支路电流受第二电流偏置。
5.如权利要求4所述的高线性度宽输入范围可变增益单象限CMOS乘法器，其特征在于所述第二级电压-电流转换电路还包括一双端到单端转换电路，所述双端到单端转换电路包括第七、第八场效应管构成的电流镜，第七、第八场效应管的漏极分别与第五、第六场效应管的漏极连接，所述双端到单端转换电路还包括第九、第十场效应管构成的电流镜，第九场效应管的漏极连接第六场效应管的漏极，将第二支路电流和第一支路电流的差值电流镜像给第十场效应管，得到输出电流。
6.如权利要求1所述的高线性度宽输入范围可变增益单象限CMOS乘法器，其特征在于所述第二级电流-电压转换电路包括一电阻，电阻的一端接地，另一端与所述双端到单端转换电路的输出端连接，接收输出电流转换为输出电压。
7.如权利要求1所述的高线性度宽输入范围可变增益单象限CMOS乘法器，其特征在于所述增益控制电路包括第二、第三运算跨导放大器，两个运算跨导放大器的正相输入端接收输出电压的反馈电压，两个运算跨导放大器的输出端与所述两条支路电流的汇结端连接提供第二电流，第二、第三运算跨导放大器的反相输入端分别输入第一参考电压和第二参考电压。
8.如权利要求7所述的高线性度宽输入范围可变增益单象限CMOS乘法器，其特征在于所述第一参考电压为2.5V，所述第二参考电压为3.15V。
9.如权利要求7所述的高线性度宽输入范围可变增益单象限CMOS乘法器，其特征在于所述反馈电压与第一参考电压的差提供第二输入电压。
10.如权利要求1所述的高线性度宽输入范围可变增益单象限CMOS乘法器，其特征在于所述第一输入电压为交流输入经桥式整流后的分压。
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