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

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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ID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，ID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，ID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，ID0以指数形式依赖于VG，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VG。
               
                接下来，讨论弱反型MOS管的饱和电压特性。当VDS>4UT或5UT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VDS（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gm =I/（nUT）则由式（2.2.9）和式（2.2.13）决定的DR GBW值将与VGS-VTH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/ID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 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VFG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=CG2/CTOPAL，其中CG1、CG2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VTH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ID受到栅源电压VGS控制；阱源电压也会影响ID，但只是一个寄生效应，可用体跨导gmb表征。但是如图2.2.5所示，如果将VGS固定为一个能使MOS管导通的直流偏压VB，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VTH，从而达到控制电流ID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gm（gmb/ gm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：
                        ① 控制信号的设置。由于可以采用内部数字信号，因此需要决定是否关断电路、何时关断、关断多久，即动态功耗管理策略将是研究的重点和难点。如何将数字电路的 低功耗设计方法扩展到整个混合信号系统中，这方面文献报道较鲜见。而且，所增加的控制信号产生电路会有额外的功耗，而且其输出不能够影响电路的正常工作， 这些在设计时都需要考虑。
               
                ②开关电路的实现。开关电路可以切断电源到模拟模块，或者从模拟模块到地的电流通路。开关电路的形式有多种，在 数字电路中，可以在输入端加入锁存器，来产生使能信号；而在模拟电路中，提出了所谓系统级的电流控制方法，即设计一个系统级的电流源，在系统启动时工作， 将由它产生的电流源/沉配送给系统中的分布式电流源/沉，然后再进一步再生和扩展成为模拟电路所需要的电流源/沉。数字电路控制信号通过控制分布式电流源 /沉的开关状态，来控制模拟电路的工作与否。这种系统级电流使能控制电路，不仅增加了电路设计的复杂度和难度，还给数字控制电路提出了更高的要求，仅仅适 用于多种功耗模式的管理系统。
               
                如果采用单个MOS管充当简单的开关电路，它可以作为一个电流势垒，由数字电路控制来控制模拟电路进入不工作的状态。并且，开关管是在原有模拟电路加上的，能节省附加电路所引起的功耗，因此对于功耗模式较少的系统，单MOS控制管则是一种简便有效的方法。
               
                总之，在数模混合电路中，在将数字电路和模拟电路分别进行低功耗设计的前提下，再根据负载、电源等，由内部数字电路产生控制信号，灵活地关断不工作的模拟电路模块，将有效地节省混合信号系统功耗。
               
                2.4小结本章对数模混合电路低功耗所涉及的方法进行了讨论和研究。
               
                在 传统的低功耗设计中，均将数字电路和模拟电路分别考虑。从数字电路中基本的功耗方程出发，总结了影响电路功耗的四个主要因素；从电路设计的角度，重点讨论 了系统结构级、寄存器传输级、逻辑/门级、版图级的数字电路低功耗设计方法。对模拟电路实现低功耗的基本限制条件作了讨论；分析了设计时所遇到的实际限制 条件，并进行了数学推导，给出了噪声决定的功耗和精度决定的功耗表达式；总结了四种低压低功耗模拟电路方法，并对亚阈值电路和电流模式电路中，与噪声和精 度相关的功耗进行了数学描述，分析比较了四种方案的适用性。
               
                提出了将数字电路和模拟电路协同考虑的数模混合电路低功耗拓朴；提出了在按传统方法对两部分分别进行功耗优化后，再将数字电路的动态功耗管理技术推广到整个混合信号系统，控制关断不需要工作的模拟电路模块；并对控制信号产生电路和开关电路作了分析讨论。
               
                本章是以下各章研究的理论基础。