具有大乘法因子的新CMOS可控阻抗乘数

抽象的

提出了一种采用CMOS技术的新型紧凑可控阻抗乘法器。该设计是基于跨线性原理，在亚阈值区域使用mosfet。阻抗的值将仅用偏置电流来控制。可以根据需要放大或缩小阻抗。采用Tanner Tspice 0.18中的BSIM3V3 MOS模型进行仿真，验证了所提设计的功能μ.m TSMC CMOS工艺技术。仿真结果表明，提出的设计是正常的，从0.1到100倍的倍数可调。文中还介绍了所提出的乘法器在低通滤波器和高通滤波器设计中的应用。

1.介绍

电容乘法器电路是许多非常大规模集成（VLSI）模拟电路的有用构建块，特别是对于有源RC滤波器和振荡器设计以及寄生元件的取消。生物医学应用的信号处理是使用非常低频滤波器的区域之一[1-11.]。在这种过滤器中，需要大的时间常数，这意味着需要大的值电容器和/或电阻。然而，在集成电路设计中，由于芯片上所需的大面积和大功耗，实现这种大的时间常数不会接受。更可行的解决方案是使用小物理电容或电阻，使用简单的电路进行缩放。开放文献中发表了许多阻抗缩放电路[2-9.]。在 [2那3.]，基于操作的跨导放大器（OTA）可调-Multiplier是开发的。该设计仅适用于电容缩放，它使用三个OTA，其中使用OTAS的偏置电流进行乘法因子。阻抗缩放器呈现在[4.那5.]使用MOSFET。这将需要芯片上的一个小区域。然而，缩放因子由所使用的晶体管的纵横比控制。这意味着，一旦制造，就无法控制缩放因子。该设计在[6.]除了外部电阻外，还使用了三个电流控制的电流放大器。报告了使用电流输送机的通用常规功能模拟器7.]。在这种设计中，使用三个CCII。此外，外部电阻用于控制乘法因子。在 [8.基于当前输送机的- 和-开发了乘法器电路。的值和由另外两个电阻控制。在 [9.提出了一种增强型接地电容乘法器。本设计采用指数电流缩放差分放大器。在 [10.那11.]电流输送机和双重 -使用电流输送机。

在本文中，提出了一种新的阻抗刻度器。该设计可以缩放和缩小电容和电阻。

2.提出了阻抗乘数

建议设计的框图如图所示1．它由电流放大器，电压缓冲器和要缩放的阻抗组成．参照图1，电压源看到的等效阻抗是（谁）给的 放大器输出由 在哪里是放大器的增益。如果电流放大器的输入阻抗与，则电流通过阻抗可以近似 结合（1），（2）， 和 （3.)，等效阻抗为 所提出的设计的电路图如图所示2．四个MOSFET M1-M4形成具有调节级联输入的转换环，以降低串联的输入阻抗．mosfet偏压在亚阈值区域，这将提供高输出阻抗，从而提高低角频率。所有偏置电流均采用简单电流镜设计。所用的缓冲器是一个双mosfet缓冲器，如图所示3.．

参照图2，将KVL应用于转折循环产量 NMOS工作亚阈值的漏极电流由 在哪里为饱和电流，是污水因子，还有是热电压。

对于MOSFET以亚阈值模式操作，必须满足以下条件： 从(6.），栅极到源极电压由 结合（5.） 和 （8.），很容易写 等同的阻抗在终端看到如果施加交流电压源和交流电流，可以获得可以获得和都包含在分析中。因此,(9.）可以重写为 或者 在哪里．

如果,然后．

参照图2，节点的阻抗是（谁）给的 自从远远大于漏极的阻抗,然后， 和 （12.)可以写成 这是显而易见的从(13.）电路实现可调谐阻抗刻度器，使用控制参数进行调谐．如果然后由电容器代替 从（14.)，即实现电容倍增器。

如果然后是由电阻替换的 等式（15.）实现可以由控制变量调整的可调电阻．电阻可以根据需要缩放或下降。

3.仿真结果

在0.18中使用Tanner Tspice对所提出的电路进行了仿真μ.M TSMC CMOS技术和BSIM3V3 MOSFET模型。为了证明该概念，电路配置为低通滤波器并且可以向上和向下缩放的电容为5 PF。晶体管纵横比为7/2，缓冲器的偏置电流设置为= 1μ.一个和= 0.2 μ.答：电路由±0.75 V.偏置电流运行，当前， 和从0.1到100扫描。建议设计和理论的模拟结果的图表如图所示4.．

从阴谋中可以明显看出，提议的乘数工作得很好。5 pF电容放大到500 pF和降低到0.5 pF。

因为它从图中出现4.理想情况和所提出的设计之间存在偏差。这种偏差是由于（12.）我们假设节点处的输入阻抗比，以及缓冲电路的输出阻抗。

所提出的设计可用于10 Hz至7 KHz的频率范围，如图所示5.．

模拟所提出的电路以进行瞬态分析。将100mV幅度和5kHz频率的输入信号应用于理想和模拟电路的输入。理想和模拟设计的输出电压如图所示6.．很明显，所提出的电路正常运行。

将所提出的设计的性能与以前公布的作品进行比较，并且总结在表格中1．从表中可以看出，所提出的设计在可控性、芯片面积和频率范围方面优于所有的设计，其下限为10hz，这使其在甚低频应用中具有吸引力，如甚低频滤波器。

4.不理想的分析

图中所示的错误4.通过小信号分析研究了。图中的小信号等效电路1如图所示7.．由于这种设计适用于低频应用，因此不包括寄生电容。

使用常规分析，在节点处看到的等效阻抗是（谁）给的 比较(16.） 和 （13.），控制变量是（谁）给的 等式（16.)，仿真结果与Tanner仿真结果一致。这证实了分析的正确性。

为了使设计人员轻松使用（16.），简化如下进行：

亚阈值MOSFET的跨导和输出导纳如下所示:;然后使用常规分析，(17.）可以减少到 从（18.）第二项是错误的来源，它将是偏置电流的函数．如果偏置电流，则可以最小化错误增加。

4.1。稳定性分析

提出的电路设计用于低频应用，使用mosfet工作在亚阈值模式。因此，寄生电容不会影响电路的稳定性。使用(16.）更换对于电容，只有一个极: 但．

等式（19.)可以写成 从（19.），杆取决于乘法因子和．

5.应用程序

所提出的设计用于设计RC低通滤波器，截止频率为31.8Hz。所提出的设计中使用的参数是= 5 PF，= 10兆电阻，偏置电流，以及乘法因子．从图中所示的仿真结果可以明显看出8.使用提议设计的过滤器-Multiplier在具有无源RC低通滤波器的频率响应中处于密切协议。显而易见的是，所提出的设计将在诸如生物医学电路和系统之类的低频应用中正常工作。

将该设计作为电阻乘法器应用于截止频率可控的RC高通滤波器的设计中。所用电容为5pf，待缩放电阻为10meg，偏置电流为= 100 na。控制参数是、0.5和0.9。仿真结果如图所示9.表明所提出的设计与增益和相移中的被动RC高通滤波器密切一致。

六，结论

开发了一种新的简单和紧凑的阻抗乘数。该设计没有被动元素。乘法因子在0.1至100的范围内可控，与先前报道的设计相比大。所提出的电路可用于缩放电容或电阻。我们认为，开发的设计将是一个优秀的建筑块，用于集成电路设计，适用于需要大的时间常数的应用。

利益冲突

作者宣布他没有利益冲突。

致谢

本研究是KFUPM项目资助的研究工作的部分成果。在131066年。

参考

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