锂离子电池管理芯片的研究及其低功耗设计 — 模拟电路的低功耗设计方法

2.2.2模拟电路的低功耗设计方法

1弱反型区/亚阈值区电路

传统的模拟电路中，MOS管工作在强反型区也意味着需要更多的功耗，在低功耗设计中可以将工作区域进行拓展，以求得功耗和面积之间的平衡。其中，研究得较多 的是MOS管工作在亚阈值区（Sub-threshold Region）或弱反型（Weak I nversion，WI）区的电路。当增强型MOS管在低于阈值电压工作时，沟道漏电流并不为零，而是存在一个亚阈值电流，此时器件处于弱反型状态。

首先，来推导MOS管的弱反型电流模型。通常，偏置在弱反型的MOS管中，漏电流I_D主要由扩散电流决定，它和PN结中少子的热激发相关，因此电流值也和衬底温度密切有关。此时，I_D可以用端电压的形式导出：



其中，可令为耗尽层电容，在现代CMOS工艺中，k的值在0.6到0.8之间，通常取k=0.7，n为亚阈值因子。可以看出，I_D与沟道电压呈指数关系。在式（2.2.21）和（2.2.22）中，有



其中，V T0为本征阈值电压。在式（2.2.22）中，定义



从上式知，I_D0以指数形式依赖于V_G，设计中很难控制。所以，要将MOS管偏置在弱反型区，通常采用固定的漏电流I D而不是固定的栅压V_G。

接下来，讨论弱反型MOS管的饱和电压特性。当V_DS>4U_T或5U_T时，由式（2.2.21）得



可认为在弱反型区的饱和电压为



在常温下，式（2.2.26）中规范的V_DS（sat）约为100mV，因此在极低的电源电压下，即使采用cascaded结构，弱反型区电路仍然能够获得足够的摆幅，并且功耗极低。

而由漏电流方程，很容易推导出弱反型区MOS管的跨导为



由 式（2.2.27）知，和工作在强反型区的MOS管不同，弱反型MOS管的跨导只与工作电流成线性关系。在给定的容性负载下，跨导直接影响着器件的最小噪 声、驱动能力和带宽，所以可以使MOS管工作在弱反型区，来获得给定电流下的跨导最大值。这些优点，在低电压低功耗设计中非常具有吸引力。

但是将MOS管偏置在弱反型区，需要较高的W/L，则意味着较大的电容、较大的器件面积。另外，亚阈值电路中还有一些实际问题需要考虑。

一是噪声对电路功耗有限制。如图2.2.3所示的带有源负载的OPA中，输入级工作在弱反型区时，由于g_m =I/（nU_T）则由式（2.2.9）和式（2.2.13）决定的DR GBW值将与V_GS-V_TH无关。因此，作为跟随器时，OPA所需要的最小功耗满足



另外，还需要考虑精度对功耗的影响。MOS管工作在弱反型区，gm/I_D值较大，式（2.2.16）则变为



式（2.2.29）可以看出，由于弱反型MOS管有较大的电流失配，并不适合用在电流信号电路如电流镜中，但在电压信号处理电路如差分对中，失调达到最小，仅由阈值电压失配决定，即能实现最佳精度。

考虑到单端输入，工作在弱反型区的器件，增益带宽积为



式（2.2.31）给出了弱反型区器件的功耗-速度-精度的关系式，同样在更复杂的电路形式中，上式仍然适用。

2电流模式电路

电 流模式（Current-mode circuit）CMOS电路自1983年首次提出后，日益受到重视。所谓的电流模式电路，是指选用电流而不是电压为电路中的信号变量，并通过处理电流变 量来决定电路的性能，即前面提到的电流信号处理电路。和电压模式电路相反，电流信号源具有高输出阻抗，所以要求负载阻抗低，电路中关键节点阻抗低。在低压 低功耗应用中，电流模式电路的这些特点有广阔的应用前景。

首先，可以在保证性能的前提下，通过进一步降低电源电压来实现低功耗。

不管是连续时间系统还是离散时间系统中，电流、电压模式电路中与动态范围相关的功耗满足下式



式（2.2.32）中可见，为了维持同样的DR*GBW值，当电源电压降低时，电压模式电路中需要消耗比电流模式电路更多的功率。另外，电流模式电路的电压摆幅低，这都说明了在低功耗设计中，电流模式电路更容易满足低电压要求。

其次，电流模式电路更容易满足速度的要求。如式（2.2.18）说明，器件的工作速度、带宽与节点电容成反比，而电流模式电路的低电容节点保证了有更快的充放电速度，因此有望能够在高频高速场合中获得应用。

最后，电流模式电路显然更容易实现基于电流信号的运算。模拟电路中许多基本的运算功能，如加、减、乘、积分等，用电流模式电路实现要比电压模式电路简单。比如，在一个低阻抗节点就可以完成电流信号的加或减运算。

3浮栅技术

浮栅（Floating Gate，FG）技术是另一个用于减轻模拟电路对电源电压要求的方法。几十年来，FG MOS管被用在数字EPROM或EEPROM中，近年来有一些文献介绍了FG