TWM383162U - Analog multiplier - Google Patents

Description

五、新型說明： 【新型所屬之技術領域】 本創作係關於一種類比乘法器，特別是一種具有簡單架構的 類比乘法器。 【先則技術】 隨著半導體科技的不斷進步’制半導體科技所發展出的產 品遍地而生。半導_電路依據處理訊號的不同，可區分為數位 電路與類比電路。 數位電路與類比電路皆廣泛的被使用在運算裝置、通訊裝 置、或是控㈣統中。其中’乘法H是—個相當常被運用的元件。 -般而§ ’乘法器同樣也可以區分為數位乘法器以及類比乘法器。 數位乘法器的優點是能得到準確的數值，不易受到元件特性 而影響。此外，數位絲ϋ可由簡單的祕電路所構成，在設計 上較為容易。然而’數位乘法轉要配合類比/數位轉換器以及數 位/類比轉換器轉換輸出訊號或是輸入訊號。因此，整體而言，數 位乘法器的架構上較為複雜。 類比乘法器的優點為架構較為簡單。然而類比乘法器卻容易 受到每侃件參數不同而影像其準確度。然而，當類比乘法器使 用的兀件越多時，每—個元件之間的參數產生偏異的機率也就越 咼。也就是說，此類比乘法器在製程上的良率也就越低。此外， 元件越複雜通常耗電量也越高。 M383162 【新型内容】 鑑於以上的問題，本創作係提出—種類比乘法器，具有架構 簡單的特性。 此類比乘法器包括偏壓電路、位準移昇電路(Level shifter)、 乘法電路以及電流鏡。類比乘法電路用以輸入第一電壓以及第二 電壓，並輸出乘積電流。乘積電流正比於第一電壓與第二電壓的 乘積。 偏壓電路用以輸入第一電壓。位準移昇電路用以輸入第二電 壓’並將第二電壓移昇至第三電壓。乘法電路電性連接於偏壓電 路以及位準移昇電路，且乘法電路用以輸入第一電壓以及第三電 壓’並產生乘積電流。 此乘積電流在經由電流鏡鏡射後輸出。電流鏡具有主側 (Master)與僕側(Slave)。主侧接收乘法電路之乘積電流，儒侧產生 乘積電流的鏡射電流。此鏡射電流相等於乘積電流。 藉由本創作提出的類比乘法器，具有架構簡單的特性。因為 類比乘法H所需的元件較少，類比乘法器在製程上的良率可以提 高，並且製造的成本可以被有效的降低。此外，此架構簡單的類 比乘法器只需要少量的電源即可鶴，適合於電源有限的褒 置。 义 以上之關於本創作内容之綱及町之實施方式之說明係用 以示範與解釋本創作之精神與顧，並且提供本創作之專利申書主 範圍更進一步之解釋。 θ M383162 % 【實施方式】 • —町在實财式情細敘述糊叙詳細職減優點，其 内容足以餘何熟習侧技藝者了解摘作之技術内容並據以實 施，且根據本說明書所揭露之内容、申請專利翻及圖式，任何 ，習相關技藝者可輕易地理解本創作相關之目的及優點。以下之 —’X列係進步洋細5兒明本創作之觀點’但非以任何觀點限制本 創作之範疇。 _ ❼，、、、帛1 ®』’係為本創作之系統方塊®。此類比電流鏡 包括偏壓電路1〇、位準移昇電路20、乘法電路3〇以及電流鏡4〇。 偏壓電路10以及位準移昇電路20分別電性連接至乘法電路3〇。 乘法電路30電性連接至電流鏡40。電流鏡4〇鏡射輸出乘法電路 30的電流。 偏壓電路10用讀人第-電壓V1，並將輸出細定在第一 電壓VI。此偏壓電路10亦可稱為單增益緩衝放大器(咖細η 嫌 buffer amplifier)或是隔離放大器(Is〇〗ati〇n a_ifier)。 位準移昇電路20用以輸入第二電壓V2，並將第二電壓V2移 昇至第二糕V3。第三電壓V3約等於第二賴V2加上臨界電 壓 Vthp(PMOS Threshold Voltage)。 乘法電路30用以輸入第一電壓^^以及第三電屢^^並產生 乘積電k Is。此乘積電流正比於第一電虔vi與第三電愿vg減去 臨界電壓 Vthn(NM〇S Threshold Voltage)的乘積。 電流鏡40具有主側與僕側。主側接收乘法電路之乘積電流 5 M383162

Is，僕側產生乘積電流Is相等的鏡射電流Im。僕侧再將此鏡射電 流傳送予負載50。 藉由上述的架構，即可設計出一具有簡單架構的類比乘法 器。為了使本創作之實施方式更為明確，以下將針於本創作之一 實施例進行詳細之說明。 β青參照『第2圖』，係為本創作一實施例之電路圖。此電路包 括以下元件：運算放大器01、第一電晶體ρι、第二電晶體ρ2 ' 第二電晶體Ν3與第四電晶體Ρ4。此電路另包括電壓源vdd與電 流源Ibias。其中，第一電晶體P1、第二電晶體p2、第三電晶體 N3與第四電日日體P4可為金屬氧化層半導體(厘伽1 〇xHe

Semiconductor，MOS) ° 偏壓電路10係包括運算放大器〇1以及第一電晶體P1。運算 放大器01具有二個輸入端(非反向輸入端以及反向輸入端)以及一 個輸出端。第一電壓VI輸入至運算放大器〇丨的反向輸入端。輸 出糕連接至第一電晶體P1的閘極。第一電晶體pl的汲極回授至 運舁放大器〇1的非反向輸入端。此時，運算放大器οι係為一負 回授閉路系統。因此，運算放大器01的非反向輸入端的電壓與反 向輸入的電壓會趨近於相等，或是稱為虛擬短路。 更明確的說，第一電晶體P1的汲極電壓即等於第一電壓VI。 位準移昇電路20包括第二電晶體P2。第二電壓V2係輸入至 第一電晶體P2的閘極。也就是說，第二電壓V2係為第二電晶體 P2的閘極電壓。第二電晶體p2的祕連接至_小雜塵電流源 M383162

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Ibias。此時，第二電晶體P2係為導通的狀態。因偏壓電流源历^ 極小，第二電晶體P2的源極電壓約等於第二電壓V2加上臨界電 壓Vthp，也就是第三電壓V3。上述電壓之間的關係可以表示為 V3=V2+Vthp。 乘法電路30包括一第三電晶體N3。第三電晶體N3的閘極連 .接至第二電晶體P2的源極，且第三電晶體N3的汲極連接至第一 電晶體P1的及極。 鲁 當第三電晶體N3的閘極/源極電壓差(Vgs)減去臨界電壓Vthn 大於;及極/源極電壓差(Vds)時(Vgs-Vthn>Vds)，此第三電晶體N3 會操作於線性區(Linear Region)。此時’流經第三電晶體n3的乘 積電流Is正比於閘極/源極電壓差(vgs)與臨界電壓Vthn的差乘以 没極/源極電壓差(Vds)，也可以表示為is=Cx(Vgs -Vthn)xVds。其 中C為一常數。 第二電晶體N3的閘極電壓係為第三電壓V3，第三電晶體N3 ® 的汲極電壓係為第一電壓VI，且第三電晶體N3的源極電壓係為 接地’也就是零電壓。因此，閘極/源極電壓差(Vgs)即係為第三電 壓V3，汲極/源極電壓差(Vds)係為第一電壓VI。將此第一電壓 VI與第三電壓V3代入上述的關係式可得Is=Cx(V3 -Vthn)xVl。 在將V3=V2+Vthp代入上述的式子，係可以得到ls=Cx(V2+Vthp -Vthn)xVl ’ 若 Vthp 近似於 Vthn ’ 則 Is==€xV2xVl。其中符號”二，， 代表”近似於”。

由此可知，第三電晶體N3的乘積電流Is正比於第一電壓VI 7 M383162 與第二電壓V2的乘積。 為了減低輸出負賴於乘積電流18的影響，負載與乘積電流 Is之間可經由-電流鏡40相連。此電流鏡4〇可包括第一電晶體 P1與第四電晶體P4。較佳的是，第一電晶體ρι與第四電晶體p4 具有相同的製程參數(長度/寬度）。其中，第一電晶體pl係為此電 流鏡40的主侧，第四電晶體p4係為此電流鏡4〇的僕側。 第-電晶體P1的閘極與第四電晶體P4閘極相連。第一電晶 體P1的源極與第四電晶體P4源極共同連接至電壓源。因此， 第-電晶體P1的_電壓與第四電晶體P4閘極電壓相同，且第 -電晶體P1的雜電壓與第四電晶體？4源極電壓相同。當第一 電晶體P1與⑼電晶體P4操作於飽和區(SaturatiGn Regi〇n)，且 疋第-晶體P1與第四電晶體p4的製程參數相同時，第一電晶體 P1與第四電晶體P4的源極電流也會相同。也就是說，僕側的鏡 射電流相等於主侧的輸入電流。 主侧的輸入電流即為第三電晶體N3縣積電壯，因此，儒 側的鏡射電流即相等於第三電晶體N3的乘積電流is。接著，撲側 可將鏡射電流(也就是乘積電流Is)送予負載5〇。 藉由電流鏡40，第三電晶體N3的乘積電流七可順利的傳送 至負載50,同時隔離負载5〇與第三電晶體m，藉以減低負載的 變化對於第三電晶體N3造成的影響。 雖然在此實施例中，電流鏡40的架構係為由第一電晶體ρι 與第四電晶體P4所構成。然而，『第2圖』所示之電流鏡^的架 M383162

I 構，並不用以限制本創作之範圍。 舉例來說，『第2圖』所示之電流鏡40，可置換為疊接電流鏡 (cascade current mirror)40’。請參照『第3圖』，『第3圖』係為本 創作配合使用疊接電流鏡40’的電路圖。 疊接電流鏡40’可進一步的提高輸出阻抗，也就是更進一步降 低電流鏡兩端負載不平衡造成的電流差異，藉以提高電流鏡的準 確度。 • 疊接電流鏡40’除了第一電晶體P1和第四電晶體P4以外，另 包括第五電晶體P5、第六電晶體P6、第七電晶體P7、第八電晶 體P8、第九電晶體N9和第十電晶體N10。 其中，第一電晶體P1與第五電晶體P5係為串聯連接，且第 四電晶體P4與第六電晶體P6係為串聯連接。第一電晶體pi與第 五電晶體P5為主侧，第四電晶體P4與第六電晶體P6為僕側。 第一電晶體P1的閘極與第四電晶體P4的閘極相連，且第一 _ 電晶體P1的源極與第四電晶體P4的源極共同連接至電壓源 • Vdd。第五電晶體P5的閘極與第六電晶體P6的閘極相連。第七電 晶體P7、第八電晶體P8、第九電晶體N9和第十電晶體N10則是 用以提供第五電晶體P5與第六電晶體P6的閘極偏壓，以使第一 電晶體P1、第四電晶體P4、第五電晶體P5與第六電晶體P6操作 於飽和區。 當第一電晶體P1和第四電晶體P4的製程參數相同，且第五 電晶體P5與第六電晶體P6的製程參數亦相同時，流經第一電晶 9 M383162 触/第五電晶體!>5的電流會鱗於與流經細電晶體p4/第六電 晶體P6的電流。 以上所述僅為二種電流鏡的不同實施方式，然而此領域中具 有通常知識者，可㈣其他的電流鏡(比如說朗森⑽電流 鏡、韋德勒(wnder)電流鏡)之結構，亦可達成本創作之功效。 藉由本創作所提&之_乘法H，具有轉料的特性。如 『第2圖』所示’只需要少數的元件即可實現。因為此類比乘法 器所需狀件較少，所以在製程上的良率可以提高，並且製造的 成本可以被有效的降低。此外，此架構簡單的類比乘法器只需要 少量的電源即可驅動，適合運用於電源有限的裝置。 雖然本創細前述之實施·露如上，然其並_以限定本 創作。在不脫離本創作之精神和範_，所為之更動與潤飾疋均 屬本創作之專利保護細。關於本創作所界定之保護範圍請參考 所附之申請專利範圍。 月少 【圖式簡單說明】 第1圖係為本創作之系統方塊圖。 第2圖係為本創作一實施例之電路圖。 第3圖係為本創作配合使用疊接電流鏡的電路圖。 【主要元件符號說明】 10 偏壓電路 20 位準移昇電路 30 乘法電路 M383162

40 電流鏡 40， 疊接電流鏡 50 負載 VI 第一電壓 V2 第二電壓 V3 第三電壓 Vdd 電壓源 Is 乘積電流 Im 鏡射電流 Ibias 偏壓電流源 01 運算放大器 PI 第一電晶體 P2 第二電晶體 N3 第三電晶體 P4 第四電晶體 P5 第五電晶體 P6 第六電晶體 P7 第七電晶體 P8 第八電晶體 N9 第九電晶體 N10 第十電晶體 11

Claims (1)

1. M383162 /、申5肖專利範圍： L 一種類比乘法器，用以輸入一第一電壓以及一第二電壓，並輸 出一乘積電流，該類比乘法器包括： —偏壓電路，用以輸入該第一電壓； —位準移昇電路(Level Shifter)，用以輸入該第二電壓，並 將該第二電壓移昇至一第三電壓； 一乘法電路’電性連接於該偏壓電路以及該位準移昇電 路，該乘法電路用以輸入該第一電壓以及該第三電壓，並產生 該乘積電流；以及 一電流鏡，具有一主側與一僕側，該主側接收該乘法電路 之該乘積電流，賴側的輸出為該乘積電流的一鏡射： 其中，該乘積電流正比於該第一電壓乘與該第二電壓之一 乘積。 2.如請求項i所述之類比乘法器，其中該乘法電路包括一第三電 晶體，該第三電晶體的-間極連接至該位準移昇電路該第三 電晶體的一没極連接至該偏壓電路。 3. 如請求項2所述之航乘料，財频壓電路係包括一運算 放大器以及-第-電晶體，該第—電壓輸人該運算放大器的一 反向輸入端，魏算放大糾—輪_連接至該第—電晶體的 -閘極’該第-電晶體的1極回授至該運算放大器的一非反 向輸入端以及該第三電晶體的魏極，其中，該第三電晶體的 該汲極的一電壓係等於該第—電壓。 12 M383162 * · 4. 如請求項1所述之類比乘法器，其中該位準移昇電路包括一第 二電晶體，該第二電壓係為該第二電晶體的一閘極電壓，該第 三電壓係為該第二電晶體的一源極電壓，其中該第三電壓等於 該第二電壓加上一臨界電壓。 5. 如請求項1所述之類比乘法器，其中該電流鏡係為一疊接電流 鏡(cascade current mirror)。

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