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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

作者:时间:2017-06-04来源:网络

2.2.2的低功耗设计方法

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/348230.htm

1弱反型区/亚阈值区电路

传统的中,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。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。



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