新型低功耗两级运算放大器设计方案

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1. 引言 随着IC设计集成度和复杂度日益增加,如何进行低功耗设计已成为了一个必须解决的问题。目前实现低压模拟电路的方法主要有三种:亚阈值,衬底

  1. 引言

  随着IC设计集成度和复杂度日益增加,如何进行低功耗设计已成为了一个必须解决的问题。目前实现低压模拟电路的方法主要有三种:亚阈值,衬底驱动和浮栅设计。采用亚阈值特性实现的低功耗电路主要是利用了MOS 晶体管在进入亚阈值区域时漏极电流不是马上消失,而是与栅控电压呈一个指数关系,每当电压下降80mV时,电流下降一个数量级,从而使功耗变小。但由于亚阈值电路的电流驱动能力较小,只适合部分电路设计。实现低功耗,主要是降低电源电压,但是受亚阈值导通的特性影响,标准CMOS 工艺中的阈值电压不会比深亚微米工艺的阈值电压有较大的下降,因此电路工作电压的降低将受到阈值电压的限制。

  采用衬底驱动是解决阈值电压受限的重要途径,根据漏电流公式:

  

  看出当VDS为常数时,ID主要受VBS得控制,于是在衬底端加信号能有效地避开阈值电压的限制,可以用非常小的信号加在衬底端和源端就可以用来调制漏电流,所以这种技术也可以用来实现低功耗。但是对于N(P)阱工艺,只能实现衬底驱动P(N)MOS管,严重限制了它的应用。

  准浮栅技术由于与标准CMOS兼容并且性能优越,因此很多人预言,它将成为未来几年低功耗模拟电路设计的新方向。

  2. 浮栅和准浮栅技术

  浮栅技术[5] 最开始是用于存储器应用中,熟悉的EPROM,E^2PROM,FLASH 存储器都广泛地采用了浮栅技术。近年来,浮栅技术也被用于了模拟电路中。浮栅的工作原理是:一端与电气连接,也就是我们传统意义上的栅极,还有一个是没有引外线的,它被完全包裹在一层SIO2 介质里面,是浮空的,所以称为浮栅。

  

  图1 浮栅晶体管的结构及电气符号

  它是利用了浮栅上是否存储电荷或存储电荷的多少来改变MOS 管的阈值电压,实际上是一个电压加权处理的过程。浮栅晶体管的一个最显著的特点是浮栅与其他端的电绝缘非常良好,在一般条件下,浮栅晶体管能将电荷保存达几年之久,而损失的电荷量小于2%。通过改变浮栅电荷,改变其等效阈值电压,从而实现所需要的功能。但由于它不能与标准CMOS工艺兼容,所以限制了它的应用。因此,Jaime Ramire-Angulo[1] 等人提出了基于浮栅技术的准浮栅技术。

  准浮栅MOS管的结构同浮栅晶体管的结构类似,所不同的是他们的初始电荷方式不同,准浮栅NMOS(PMOS)晶体管是通过一个阻值非常大的上(下)拉电阻直接把浮栅接到电源VDD(GND)上,解决了它的初始问题。但是在集成电路工艺中,做一个阻值非常大的电阻是不太可能的,因为它电阻的值会随诸多因素变化,精确它的值就不太可能,而且大阻值的电阻会占用大量的芯片面积,也是不经济的。所以在COMS 工艺中可以用一个MOS管来代替电阻,将一个二极管连接的工作在截止区的MOS 晶体管来等效为一个阻值非常大的电阻。图2 所示了一个两输入准浮栅NMOS 晶体管。

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