閑聊低電壓模擬芯片設計技巧

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-10-31 18:23:12 816

低電壓模擬電路設計技術的核心是要在盡可能低的電源電壓下，實現高效的模擬信號處理。這種設計思路主要受到移動設備、植入式醫療設備等應用場景的需求驅動。由于這些設備的空間和能量資源有限，工程師們需要找到能夠在低電壓（如3V以下）下高效工作的電路設計方法。

1. 技術選擇與工藝背景

低電壓設計首先受到半導體工藝的限制。在標準的CMOS工藝中，晶體管的閾值電壓不會隨工藝尺寸縮小而成比例降低，這使得在低電壓下工作變得具有挑戰性。多閾值工藝、BiCMOS以及SOI（硅絕緣）技術可以在一定程度上克服這些限制，但通常成本較高。簡單地說，如果工藝選擇得當，工程師可以在低電壓下實現較好的電路性能，但需要權衡成本和復雜性。

2. 全區一體化晶體管模型

通常，晶體管在不同的偏置電壓下會呈現弱反型、強反型等不同的工作區域，每個區域都有不同的特性。例如，弱反型區域適合低功耗設計，但頻率響應較差，而強反型則能提供較好的速度，但耗電量較大。因此，工程師們開發了“一體化模型”，這個模型可以在所有工作區間內提供連續的性能指標，從而幫助設計工程師更輕松地優化電路性能，在功耗、頻率響應和面積之間找到最佳平衡。

3. 降低電源需求的電路策略

在低電壓環境中，傳統的級聯結構由于“電壓余量”不足而難以實現。級聯結構類似于“高樓”，通過“堆疊”晶體管來提高輸出阻抗，但在低電壓下無法疊加。相反，工程師們采用“水平擴展”的策略，用更簡單的非級聯結構來實現高增益。這有點像在地面上建多層平房，而不是高樓，這樣既節省電壓余量，又確保電路穩定。

4. 全差分和平衡結構

在低電壓設計中，全差分或平衡電路結構被廣泛應用，因為它們具有更好的抗共模干擾（CMRR）和電源抑制比（PSRR），并且能夠擴大信號擺幅。可以把它比作“橋梁的兩邊各行車道”的設計，電流可以更高效、更平穩地流過橋梁，避免了單邊行車帶來的干擾和不穩定。

5. 低電壓下的關鍵構建模塊

低電壓設計的核心模塊包括電流鏡、差分對和Class AB輸出結構等，它們是低電壓電路的基礎單元。例如，電流鏡在低電壓下需要創新設計以保證穩定的輸出，而差分對則用于提高信號的線性度。這些基礎模塊就像樂高積木，通過不同的拼接組合，可以實現各種功能復雜的電路。

6. 特殊晶體管技術

在低電壓下，傳統晶體管的驅動電壓不足以有效工作，因此采用了兩種特殊技術——體驅動和浮柵技術：

體驅動MOSFET：它通過將信號輸入到晶體管的襯底（bulk）而不是柵極（gate），類似于給房間增加另一個門，提升了低電壓下的性能，但同時降低了增益和頻率響應。

浮柵MOSFET：這種結構可以在多個輸入端與浮動的柵極之間建立電容耦合，實現有效的信號控制，類似于用“遙控器”調節晶體管的工作狀態，以節省電源電壓需求。

7. 多級頻率補償

低電壓多級放大器通常需要特別的頻率補償策略，以確保電路的穩定性。由于多級電路中會出現多個頻率極點，這些極點可能導致系統不穩定，因此通過巧妙地調節極點和零點的位置，使電路在閉環狀態下保持穩定。可以把頻率補償想象成一個多層過濾系統，逐級去除不必要的噪聲，使信號清晰、穩定地傳遞到輸出端。

8. 動態范圍的挑戰

在低電壓環境中，由于信號擺幅和電源電壓都減小，電路的動態范圍會下降。工程師們通過改進電路設計，努力確保信號的最大擺幅在給定的噪聲限制內。這有點類似于減少音量限制下，力求在不失真的前提下獲得最大的音質。

9. 低電壓開關電容電路

在低電壓下實現開關電容電路也非常具有挑戰性，尤其是在信號路徑中驅動關鍵開關時。常用的解決方案包括使用低閾值MOS器件、時鐘電壓倍增或開關運放技術，但它們各有局限，例如成本較高、頻率響應受限等。

小結一下，低電壓模擬電路設計是一個在電壓、功耗、頻率響應和面積等多個維度上取得平衡的過程。工程師們通過創新設計方法，例如一體化晶體管模型、體驅動和浮柵技術、多級頻率補償等，不斷克服低電壓環境中的種種挑戰。

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