闲聊低电压模拟芯片设计技巧

老虎说芯|Tiger Chip|

2024-10-31 18:23:12 819

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，晶体管的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。

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