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    • 1. 技术选择与工艺背景
    • 2. 全区一体化晶体管模型
    • 3. 降低电源需求的电路策略
    • 4. 全差分和平衡结构
    • 5. 低电压下的关键构建模块
    • 6. 特殊晶体管技术
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闲聊低电压模拟芯片设计技巧

10/31 12:00
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低电压模拟电路设计技术的核心是要在尽可能低的电源电压下,实现高效的模拟信号处理。这种设计思路主要受到移动设备、植入式医疗设备等应用场景的需求驱动。由于这些设备的空间和能量资源有限,工程师们需要找到能够在低电压(如3V以下)下高效工作的电路设计方法。

1. 技术选择与工艺背景

低电压设计首先受到半导体工艺的限制。在标准的CMOS工艺中,晶体管阈值电压不会随工艺尺寸缩小而成比例降低,这使得在低电压下工作变得具有挑战性。多阈值工艺、BiCMOS以及SOI(硅绝缘)技术可以在一定程度上克服这些限制,但通常成本较高。简单地说,如果工艺选择得当,工程师可以在低电压下实现较好的电路性能,但需要权衡成本和复杂性。

2. 全区一体化晶体管模型

通常,晶体管在不同的偏置电压下会呈现弱反型、强反型等不同的工作区域,每个区域都有不同的特性。例如,弱反型区域适合低功耗设计,但频率响应较差,而强反型则能提供较好的速度,但耗电量较大。因此,工程师们开发了“一体化模型”,这个模型可以在所有工作区间内提供连续的性能指标,从而帮助设计工程师更轻松地优化电路性能,在功耗、频率响应和面积之间找到最佳平衡。

3. 降低电源需求的电路策略

在低电压环境中,传统的级联结构由于“电压余量”不足而难以实现。级联结构类似于“高楼”,通过“堆叠”晶体管来提高输出阻抗,但在低电压下无法叠加。相反,工程师们采用“水平扩展”的策略,用更简单的非级联结构来实现高增益。这有点像在地面上建多层平房,而不是高楼,这样既节省电压余量,又确保电路稳定。

4. 全差分和平衡结构

在低电压设计中,全差分或平衡电路结构被广泛应用,因为它们具有更好的抗共模干扰(CMRR)和电源抑制比(PSRR),并且能够扩大信号摆幅。可以把它比作“桥梁的两边各行车道”的设计,电流可以更高效、更平稳地流过桥梁,避免了单边行车带来的干扰和不稳定。

5. 低电压下的关键构建模块

低电压设计的核心模块包括电流镜、差分对和Class AB输出结构等,它们是低电压电路的基础单元。例如,电流镜在低电压下需要创新设计以保证稳定的输出,而差分对则用于提高信号的线性度。这些基础模块就像乐高积木,通过不同的拼接组合,可以实现各种功能复杂的电路。

6. 特殊晶体管技术

在低电压下,传统晶体管的驱动电压不足以有效工作,因此采用了两种特殊技术——体驱动和浮栅技术:

体驱动MOSFET:它通过将信号输入到晶体管的衬底(bulk)而不是栅极(gate),类似于给房间增加另一个门,提升了低电压下的性能,但同时降低了增益和频率响应。

浮栅MOSFET:这种结构可以在多个输入端与浮动的栅极之间建立电容耦合,实现有效的信号控制,类似于用“遥控器”调节晶体管的工作状态,以节省电源电压需求。

7. 多级频率补偿

低电压多级放大器通常需要特别的频率补偿策略,以确保电路的稳定性。由于多级电路中会出现多个频率极点,这些极点可能导致系统不稳定,因此通过巧妙地调节极点和零点的位置,使电路在闭环状态下保持稳定。可以把频率补偿想象成一个多层过滤系统,逐级去除不必要的噪声,使信号清晰、稳定地传递到输出端。

8. 动态范围的挑战

在低电压环境中,由于信号摆幅和电源电压都减小,电路的动态范围会下降。工程师们通过改进电路设计,努力确保信号的最大摆幅在给定的噪声限制内。这有点类似于减少音量限制下,力求在不失真的前提下获得最大的音质。

9. 低电压开关电容电路

在低电压下实现开关电容电路也非常具有挑战性,尤其是在信号路径中驱动关键开关时。常用的解决方案包括使用低阈值MOS器件、时钟电压倍增或开关运放技术,但它们各有局限,例如成本较高、频率响应受限等。

小结一下,低电压模拟电路设计是一个在电压、功耗、频率响应和面积等多个维度上取得平衡的过程。工程师们通过创新设计方法,例如一体化晶体管模型、体驱动和浮栅技术、多级频率补偿等,不断克服低电压环境中的种种挑战。

参考文献:Low Voltage Analog Circuit Design Techniques: A Tutorial

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