摘 要： 在進行低電壓低功耗模擬電路設(shè)計的眾多技術(shù)中，襯底驅(qū)動（BD）技術(shù)由于設(shè)計簡單和使用傳統(tǒng)MOS工藝實現(xiàn)的特點，而被很多的設(shè)計所采用。本文利用這一原理,在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝和±0.7 V電源電壓前提下設(shè)計低電壓低功耗標(biāo)準(zhǔn)模塊,最后在TSMC0.25 μm CMOS工藝模型下，用Spice模擬器驗證了模擬仿真結(jié)果。
關(guān)鍵詞： 襯底驅(qū)動MOS； 電流鏡； 跨導(dǎo)運算放大器； 電流差分跨導(dǎo)放大器
隨著亞微米、深亞微米技術(shù)和系統(tǒng)芯片（SOC）技術(shù)的日益成熟，功耗已經(jīng)成為模擬電路設(shè)計中首要考慮的問題，低電壓低功耗集成電路設(shè)計漸漸成為主流。因為MOS晶體管的襯底或者與源極相連，或者連接到VDD或VSS，所以經(jīng)常被用作一個三端設(shè)備。由于未來CMOS技術(shù)的閾值電壓并不會遠低于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，于是采用襯底驅(qū)動技術(shù)進行模擬電路設(shè)計就成為較好的解決方案[1]。襯底驅(qū)動技術(shù)的原理是：在柵極和源極之間加上足夠大的固定電壓,以形成反型層，輸入信號加在襯底和源極之間,這樣閾值電壓就可以減小或從信號通路上得以避開。襯底驅(qū)動MOS晶體管的原理類似于結(jié)型場效應(yīng)晶體管，也就是一個耗盡型器件，它可以工作在負(fù)、零、甚至略微正偏壓條件下[2]。由于襯底電壓影響與反型層（即導(dǎo)電溝道）相連的耗盡層厚度，通過MOS晶體管的體效應(yīng)改變襯底電壓就能調(diào)制漏極電流。
應(yīng)用襯底驅(qū)動技術(shù)建立一些基本的模擬電路標(biāo)準(zhǔn)模塊，通過舉例來說明襯底驅(qū)動技術(shù)在模擬電路設(shè)計中的使用。
1 簡單和增強型襯底驅(qū)動電流鏡
簡單的襯底驅(qū)動電流鏡結(jié)構(gòu)即本文提出的低電壓電流鏡如圖1(b)所示，這種電流鏡用襯底-漏極連接代替?zhèn)鹘y(tǒng)簡單電流鏡結(jié)構(gòu)里的柵極-漏極連接[3]。當(dāng)然，M3和M4通過襯底連接而不是柵極，而N型MOS管M3和M4的柵極應(yīng)施加一個合適的正向偏置電壓。
這種簡單襯底驅(qū)動電流鏡的缺陷是輸入輸出電流呈非線性,這是由于在柵極驅(qū)動電流鏡中輸出晶體管M4工作在飽和狀態(tài)[4]。為了解決這個問題，使用了一種替代配置,如圖1(c)。晶體管M7被作為一個二極管,連接在M5和M6這兩個晶體管的柵極和襯底之間。M7被當(dāng)做簡單的電壓源使用，當(dāng)輸入電流Iin為零時晶體管M6工作在飽和狀態(tài)而M5則不會。一旦輸入電流開始增大時，增強型襯底驅(qū)動電流鏡中晶體管M5就會比簡單襯底驅(qū)動電流鏡中的M3早進入飽和狀態(tài)，因此具有更好的線性度。由于這樣連接可以同時驅(qū)動?xùn)艠O和襯底端，流過M7的偏置電流Ibias被計入輸入Iin。為了避免在輸入電流和輸出電流之間產(chǎn)生額外的偏移，偏置電流Ibias必須遠遠小于輸入電流Iin。圖2是圖1中電流鏡模型的仿真結(jié)果，它表明襯底驅(qū)動增強型電流鏡的輸入輸出傳輸特性比簡單的襯底驅(qū)動電流鏡具有更好的線性度，其線性度幾乎和柵極驅(qū)動電流鏡一樣。從圖2中同樣可以看出簡單的襯底驅(qū)動電流鏡和增強型電流鏡的輸入電壓遠低于傳統(tǒng)的柵極驅(qū)動電流鏡。
2 襯底驅(qū)動跨導(dǎo)運算放大器
基于襯底驅(qū)動技術(shù)的跨導(dǎo)運算放大器的結(jié)構(gòu)如圖3所示,由兩級構(gòu)成[5-6],第一極由襯底驅(qū)動差分級構(gòu)成，此差分級以PMOS設(shè)備M1、M2作為輸入，電流鏡M3、M4作為主動負(fù)載；第二極是一個簡單的CMOS到相級，它以M6作為驅(qū)動管M7作為主動負(fù)載。依靠補償電容Cc和電阻Rc差分級的輸出端和輸入端連接在一起，在第二級中補償電容實際作為密勒電容使用。
通過提供足夠的柵源電壓值使場效應(yīng)管導(dǎo)通，襯底驅(qū)動MOS晶體管即以耗盡型器件的原理工作，通過施加在襯底端的輸入電壓調(diào)制流經(jīng)晶體管的電流，完成采用襯底驅(qū)動輸入晶體管的跨導(dǎo)運算放大器設(shè)計，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，仿真結(jié)果如表1所示。
3 襯底驅(qū)動電流差分跨導(dǎo)放大器
電流差分跨導(dǎo)放大器是一種新型主動型器件，是基于襯底驅(qū)動的電流差分跨導(dǎo)放大器[7]。如圖4所示，它適合設(shè)計大規(guī)模集成電路模塊。由兩個圖5所示襯底驅(qū)動電流傳輸器和一個圖3所示襯底驅(qū)動跨導(dǎo)運算放大器（雙輸出DO-跨導(dǎo)運算放大器）構(gòu)成實現(xiàn)。電流傳輸器連接作為電流差分單元，電流流入上面電流傳輸器的Z+端，電流Ip流入下面電流傳輸器的Z-端但與Z+端電流方向相反。這就解釋了電流差分跨導(dǎo)放大器流進Z端的電流是由差分電流Ip和In提供的。電路及其仿真結(jié)果如圖4和表2所示。
本文研究了襯底驅(qū)動MOS管技術(shù)和運用這一技術(shù)進行低電壓低功耗模擬電路設(shè)計的方法，并且運用這種技術(shù)設(shè)計低電壓低功耗襯底驅(qū)動跨導(dǎo)運算放大器和電流差分跨導(dǎo)放大器。這些模型要么是新型器件，例如襯底驅(qū)動電流差分跨導(dǎo)放大器，要么就是仿真結(jié)果非常理想，例如襯底驅(qū)動跨導(dǎo)運算放大器。經(jīng)過仿真分析，得出襯底驅(qū)動晶體管的優(yōu)點是：電路的功率消耗比較低；設(shè)計簡單和可接受的電路特性；能夠避開閾值電壓要求的耗盡特性；傳統(tǒng)的前端門可用于調(diào)制襯底驅(qū)動MOS晶體管。襯底驅(qū)動晶體管的缺點是：(1)其跨導(dǎo)遠小于傳統(tǒng)的柵極驅(qū)動MOS管,這可能會導(dǎo)致跨導(dǎo)運算放大器的增益帶寬乘積偏低； (2)其電極與工藝相關(guān)，一個CMOS工藝的P(N)阱，只有N(P)的溝道的襯底驅(qū)動MOS管是有效的，這可能限制了其應(yīng)用。例如一個軌對軌襯底驅(qū)動運算放大器需要雙阱CMOS工藝去實現(xiàn)，這個過程比較昂貴，需要更大的芯片面積而且它的性能匹配比單阱CMOS工藝更差；易于開啟的襯底溝道PN結(jié)，將可能導(dǎo)致閂鎖問題。
參考文獻
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