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

MOS管在模拟电路中的应用。

图2.2.4给出了一个多输入的FG MOS管电路结构模型。由图可见，FG MOS管的浮栅类似于传统MOS管的栅极，但是浮栅电压V_FG不是被直接控制，而是通过电容耦合由控制栅极决定。



如果是两输入结构的FGMOS管，其中的一个栅极被称为偏置栅极，加上较高的直流偏置电压V B；另一个加上信号则被称为信号栅极，则MOS管的等效阈值电压为



式中，k 1 =C G1 /C TOPAL，k₂=C_G2/C_TOPAL，其中C_G1、C_G2分 别是浮栅和控制栅间的电容，C TOPAL则是图2.2.4中所示电容总和。FG MOS管的一个突出优点是浮栅和其它节点的电隔离十分理想，所以电荷能够稳定存在，甚至能长达数年。适当改变浮栅上的静电荷数量，即选择适当的k 1和k 2值，由式（2.2.33）可知，控制栅极上的等效阈值电压可以降低，从而得到一个低V_TH的MOS管，可用于低压模拟电路中。

明 显地，这项技术需要制作浮栅，工艺较为复杂，常规工艺下无法实现；另外，FG MOS管的输出阻抗较低，因此也只适合用于低增益电路结构。事实上，FG MOS技术应用于低压模拟电路的设计，还正处于实验阶段，如FG CMOS模拟微调（trimming）电路、神经网络元件、乘法器、D/A转换器和放大器等。

4体驱动MOS管技术

体 驱动或衬底驱动MOS管（Bulk-driven or Body-driven MOSFET）技术是由A. Guzinski等于1987年首次提出的，起初是用作OPA差分输入级中的有源元件，目的是降低g m以提高线性度。为了满足低电源电压要求，文献[72]利用体驱动MOS管的耗尽特性，设计了一个具有rail-to-rail共模输入范围的1V运放。 体驱动技术只能用于阱内的MOS管，如图2.2.5所示，可以等效为一个结型场效应管。



传统MOS管中，漏电流I_D受到栅源电压V_GS控制；阱源电压也会影响I_D，但只是一个寄生效应，可用体跨导g_mb表征。但是如图2.2.5所示，如果将V_GS固定为一个能使MOS管导通的直流偏压V_B，信号施加在阱（也被称为体栅极）上时，将得到一个类似于JFET.具体地讲，就是利用衬偏效应调节MOS管的阈值电压V_TH，从而达到控制电流I_D变化的目的。

体驱动MOS管应用于低压模拟电路设计，主要基于以下优点：

第 一，它作为一个耗尽型器件工作，所加的偏压可为负、零或是一个很小的正值。这对于电路中器件的阈值电压V TH将不再有特殊要求，在低压下电压摆幅也可以提高，因此工作电压也几乎可以下降到极限（对于V TH≈0.8V的器件，最小的工作电压甚至可为0.9V）。第二，基于较大的电压开/关比，可利用常规的前栅极来调节体驱动MOS管。

当然，体驱动MOS管还有一些缺点不容忽略：首先，从本质上，体驱动管的体跨导g mb低于常规MOS管的g_m（g_mb/ g_m值 通常在0.2～0.4），因此GBW低，频率响应低，相应放大器的输入噪声也比常规放大器的高；其次，体驱动管的极性与制造工艺密切相关，如在P阱工艺 中，只能制得N型体驱动MOS管，所以一般不适合用作CMOS电路结构；再者，在不同的阱中制作体驱动MOS管，必须将阱隔离；还有，寄生BJT容易导 通，易产生闩锁（latch-up）效应。

5方案比上面提出的有望在低压场合获得应用的低功耗技术，并不是可以无条件的选择使用，还要根 据设计要求及所用工艺条件来判别，表2.1列出了这几种技术的性能比较。实际的模拟电路设计中，可以选择其中一种合适的方案进行功耗优化；甚至还可以根据 应用特点，将几种方案有机组合运用。



2.3数模混合电路的低功耗设计

鉴于越来越多的混合信号系统的出现，将数字电路和模拟电路分开考虑的低功耗设计也受到了挑战。可以预见的是，如果将混合信号电路作为一个整体，在按传统方法对数字和模拟部分分别进行功耗优化后，再进行统一的功耗管理，难度将更大，但功耗优化的效果也将更明显。

从 前面的讨论可知，在静态下数字电路所消耗的功率较小，但是模拟电路为了实现正常的性能需要足够大的工作电流，具有相对高的静态功耗。混合信号系统中，如果 控制暂时不工作、也不影响整个系统输出的模拟电路模块，通过牺牲一定的性能来换取功耗的降低，则整个系统的静态功耗将显著减小。这种控制信号可以分为两 种：一种是外加的数字信号，可以人为地控制模拟电路的工作；另一种则是由内部数字模块产生，并可以自动控制。显然，后者更简单灵活。图2.3.1给出了混 合信号系统中，由内部数字信号控制模拟电路降低功耗的拓朴图。



从 图2.3.1可以看出，和传统的混合信号电路相比，系统中仅仅增加了一个控制信号产生电路（Control Signal Generator）和一个开关（Switch），结构简单。电路工作原理如下：利用数字模块中的内部信号产生一个控制信号，并通过一个开关电路有效地控 制不需要工作的模拟电路模块。图2.3.1的另一个优点是电路兼容性好，即可以在不改变原有系统的情况下，增加一些开关和控制信号实现低功耗。更突出的 是，原先将模拟电路和数字电路中分开考虑的功耗优化方法仍然适用。

图2.3.1所示的功耗优化是数模混合信号系统的动态功耗管理，可以通过不同的途径实现。一种是可以借鉴数字电路中的门控时钟技术。对于时钟控制的硬件单元，将其响应不影响性能的电路工作频率降低，将能够节省电路功耗。

由 于这种门控时钟技术是一种很普遍的数字电路功耗管理方法，所以应用于模拟电路中难度并不大，但是它也只适用于动态模拟电路。还要强调的是，时钟门控不能消 除功耗，如果是本地时钟门控或者时钟产生电路一直是工作的，那么时钟电路仍然有动态功耗，而且即使时钟信号全部暂停，也不能避免泄漏电流所产生的功耗。因 此，如果要达到最小功耗的目标，用这种门控时钟的方法不一定能实现。另一种方法是，将处于空闲状态的电路电源简单关断，理论上则能够彻底消除电路的功耗。 这种方法适用面宽，如果采用内部数字信号则实现相对简单，并且对数字电路和模拟电路都有效。但是，这种方法需要重点解决以下问题：