2.2.2模仿电路的低功耗规划办法
1弱反型区/亚阈值区电路
传统的模仿电路中，MOS管作业在强反型区也意味着需求更多的功耗，在低功耗规划中能够将作业区域进行拓宽，以求得功耗和面积之间的平衡。其间，研讨得较多 的是MOS管作业在亚阈值区（Sub-threshold Region）或弱反型（Weak I nversion，WI）区的电路。当增强型MOS管在低于阈值电压作业时，沟道漏电流并不为零，而是存在一个亚阈值电流，此刻器材处于弱反型状况。
首要，来推导MOS管的弱反型电流模型。一般，偏置在弱反型的MOS管中，漏电流ID首要由分散电流决议，它和PN结中少子的热激起相关，因而电流值也和衬底温度亲近有关。此刻，ID能够用端电压的方式导出：
其间，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，一般取k=0.7，n为亚阈值因子。能够看出，ID与沟道电压呈指数联系。在式（2.2.21）和（2.2.22）中，有
其间，V T0为本征阈值电压。在式（2.2.22）中，界说
从上式知，ID0以指数方式依赖于VG，规划中很难操控。所以，要将MOS管偏置在弱反型区，一般选用固定的漏电流I D而不是固定的栅压VG。
接下来，评论弱反型MOS管的饱满电压特性。当VDS>4UT或5UT时，由式（2.2.21）得
能够为在弱反型区的饱满电压为
在常温下，式（2.2.26）中标准的VDS（sat）约为100mV，因而在极低的电源电压下，即便选用cascaded结构，弱反型区电路依然能够取得满意的摆幅，而且功耗极低。
而由漏电流方程，很简略推导出弱反型区MOS管的跨导为
由 式（2.2.27）知，和作业在强反型区的MOS管不同，弱反型MOS管的跨导只与作业电流成线性联系。在给定的容性负载下，跨导直接影响着器材的最小噪 声、驱动才能和带宽，所以能够使MOS管作业在弱反型区，来取得给定电流下的跨导最大值。这些长处，在低电压低功耗规划中非常具有吸引力。
可是将MOS管偏置在弱反型区，需求较高的W/L，则意味着较大的电容、较大的器材面积。别的，亚阈值电路中还有一些实践问题需求考虑。
一是噪声对电路功耗有约束。如图2.2.3所示的带有源负载的OPA中，输入级作业在弱反型区时，因为gm =I/（nUT）则由式（2.2.9）和式（2.2.13）决议的DR GBW值将与VGS-VTH无关。因而，作为跟从器时，OPA所需求的最小功耗满意
别的，还需求考虑精度对功耗的影响。MOS管作业在弱反型区，gm/ID值较大，式（2.2.16）则变为
式（2.2.29）能够看出，因为弱反型MOS管有较大的电流失配，并不适宜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，失调到达最小，仅由阈值电压失配决议，即能完结最佳精度。
考虑到单端输入，作业在弱反型区的器材，增益带宽积为
式（2.2.31）给出了弱反型区器材的功耗-速度-精度的联系式，相同在更杂乱的电路方式中，上式依然适用。
2电流方式电路
电 流方式（Current-mode circuit）CMOS电路自1983年初次提出后，日益遭到重视。所谓的电流方式电路，是指选用电流而不是电压为电路中的信号变量，并经过处理电流变 量来决议电路的功用，即前面说到的电流信号处理电路。和电压方式电路相反，电流信号源具有高输出阻抗，所以要求负载阻抗低，电路中要害节点阻抗低。在低压 低功耗运用中，电流方式电路的这些特色有宽广的运用远景。
首要，能够在确保功用的前提下，经过进一步下降电源电压来完结低功耗。
不管是接连时刻体系仍是离散时刻体系中，电流、电压方式电路中与动态规模相关的功耗满意下式
式（2.2.32）中可见，为了保持相同的DR*GBW值，当电源电压下降时，电压方式电路中需求耗费比电流方式电路更多的功率。别的，电流方式电路的电压摆幅低，这都阐明晰在低功耗规划中，电流方式电路更简略满意低电压要求。
其次，电流方式电路更简略满意速度的要求。如式（2.2.18）阐明，器材的作业速度、带宽与节点电容成反比，而电流方式电路的低电容节点确保了有更快的充放电速度，因而有望能够在高频高速场合中取得运用。
最终，电流方式电路显着更简略完结依据电流信号的运算。模仿电路中许多根本的运算功用，如加、减、乘、积分等，用电流方式电路完结要比电压方式电路简略。比方，在一个低阻抗节点就能够完结电流信号的加或减运算。
3浮栅技能
浮栅（Floating Gate，FG）技能是另一个用于减轻模仿电路对电源电压要求的办法。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管在模仿电路中的运用。
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，可是浮栅电压VFG不是被直接操控，而是经过电容耦合由操控栅极决议。
假如是两输入结构的FGMOS管，其间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，其间CG1、CG2分 别是浮栅和操控栅间的电容，C TOPAL则是图2.2.4中所示%&&&&&%总和。FG MOS管的一个杰出长处是浮栅和其它节点的电阻隔非常抱负，所以电荷能够安稳存在，乃至能长达数年。恰当改动浮栅上的静电荷数量，即挑选恰当的k 1和k 2值，由式（2.2.33）可知，操控栅极上的等效阈值电压能够下降，然后得到一个低VTH的MOS管，可用于低压模仿电路中。明 显地，这项技能需求制造浮栅，工艺较为杂乱，惯例工艺下无法完结；别的，FG MOS管的输出阻抗较低，因而也只适宜用于低增益电路结构。事实上，FG MOS技能运用于低压模仿电路的规划，还正处于试验阶段，如FG CMOS模仿微调（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管技能
体 驱动或衬底驱动MOS管（Bulk-driven or Body-driven MOSFET）技能是由A. Guzinski等于1987年初次提出的，起初是用作OPA差分输入级中的有源元件，意图是下降g m以进步线性度。为了满意低电源电压要求，文献[72]运用体驱动MOS管的耗尽特性，规划了一个具有rail-to-rail共模输入规模的1V运放。 体驱动技能只能用于阱内的MOS管，如图2.2.5所示，能够等效为一个结型场效应管。
传统MOS管中，漏电流ID遭到栅源电压VGS操控；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。可是如图2.2.5所示，假如将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.详细地讲，便是运用衬偏效应调理MOS管的阈值电压VTH，然后到达操控电流ID改动的意图。
体驱动MOS管运用于低压模仿电路规划，首要依据以下长处：
第 一，它作为一个耗尽型器材作业，所加的偏压可为负、零或是一个很小的正值。这关于电路中器材的阈值电压V TH将不再有特殊要求，在低压下电压摆幅也能够进步，因而作业电压也简直能够下降到极限（关于V TH≈0.8V的器材，最小的作业电压乃至可为0.9V）。第二，依据较大的电压开/关比，可运用惯例的前栅极来调理体驱动MOS管。
当然，体驱动MOS管还有一些缺陷不容疏忽：首要，从本质上，体驱动管的体跨导g mb低于惯例MOS管的gm（gmb/ gm值 一般在0.2～0.4），因而GBW低，频率呼应低，相应放大器的输入噪声也比惯例放大器的高；其次，体驱动管的极性与制造工艺亲近相关，如在P阱工艺 中，只能制得N型体驱动MOS管，所以一般不适宜用作CMOS电路结构；再者，在不同的阱中制造体驱动MOS管，必须将阱阻隔；还有，寄生BJT简略导 通，易发生闩锁（latch-up）效应。
5计划比上面提出的有望在低压场合取得运用的低功耗技能，并不是能够无条件的挑选运用，还要根 据规划要求及所用工艺条件来判别，表2.1列出了这几种技能的功用比较。实践的模仿电路规划中，能够挑选其间一种适宜的计划进行功耗优化；乃至还能够依据 运用特色，将几种计划有机组合运用。
2.3数模混合电路的低功耗规划
鉴于越来越多的混合信号体系的呈现，将数字电路和模仿电路分隔考虑的低功耗规划也遭到了应战。能够预见的是，假如将混合信号电路作为一个全体，在按传统办法对数字和模仿部别离离进行功耗优化后，再进行一致的功耗办理，难度将更大，但功耗优化的作用也将更显着。
从 前面的评论可知，在静态下数字电路所耗费的功率较小，可是模仿电路为了完结正常的功用需求满意大的作业电流，具有相对高的静态功耗。混合信号体系中，假如 操控暂时不作业、也不影响整个体系输出的模仿电路模块，经过献身必定的功用来交换功耗的下降，则整个体系的静态功耗将明显减小。这种操控信号能够分为两 种：一种是外加的数字信号，能够人为地操控模仿电路的作业；另一种则是由内部数字模块发生，并能够自动操控。显着，后者更简略灵敏。图2.3.1给出了混 合信号体系中，由内部数字信号操控模仿电路下降功耗的拓朴图。
从 图2.3.1能够看出，和传统的混合信号电路比较，体系中只是添加了一个操控信号发生电路（Control Signal Generator）和一个开关（Switch），结构简略。电路作业原理如下：运用数字模块中的内部信号发生一个操控信号，并经过一个开关电路有用地控 制不需求作业的模仿电路模块。图2.3.1的另一个长处是电路兼容性好，即能够在不改动原有体系的情况下，添加一些开关和操控信号完结低功耗。更杰出的 是，原先将模仿电路和数字电路中分隔考虑的功耗优化办法依然适用。
图2.3.1所示的功耗优化是数模混合信号体系的动态功耗办理，能够经过不同的途径完结。一种是能够学习数字电路中的门控时钟技能。关于时钟操控的硬件单元，将其呼应不影响功用的电路作业频率下降，将能够节约电路功耗。
由 于这种门控时钟技能是一种很遍及的数字电路功耗办理办法，所以运用于模仿电路中难度并不大，可是它也只适用于动态模仿电路。还要着重的是，时钟门控不能消 除功耗，假如是本地时钟门控或许时钟发生电路一直是作业的，那么时钟电路依然有动态功耗，而且即便时钟信号悉数暂停，也不能防止走漏电流所发生的功耗。因 此，假如要到达最小功耗的方针，用这种门控时钟的办法不必定能完结。另一种办法是，将处于闲暇状况的电路电源简略关断，理论上则能够彻底消除电路的功耗。 这种办法适用面宽，假如选用内部数字信号则完结相对简略，而且对数字电路和模仿电路都有用。可是，这种办法需求要点处理以下问题：
① 操控信号的设置。因为能够选用内部数字信号，因而需求决议是否关断电路、何时关断、关断多久，即动态功耗办理战略将是研讨的要点和难点。如何将数字电路的 低功耗规划办法扩展到整个混合信号体系中，这方面文献报导较罕见。而且，所添加的操控信号发生电路会有额定的功耗，而且其输出不能够影响电路的正常作业， 这些在规划时都需求考虑。
②开关电路的完结。开关电路能够堵截电源到模仿模块，或许从模仿模块到地的电流通路。开关电路的方式有多种，在 数字电路中，能够在输入端参加锁存器，来发生使能信号；而在模仿电路中，提出了所谓体系级的电流操控办法，即规划一个体系级的电流源，在体系启动时作业， 将由它发生的电流源/沉配送给体系中的散布式电流源/沉，然后再进一步再生和扩展成为模仿电路所需求的电流源/沉。数字电路操控信号经过操控散布式电流源 /沉的开关状况，来操控模仿电路的作业与否。这种体系级电流使能操控电路，不只添加了电路规划的杂乱度和难度，还给数字操控电路提出了更高的要求，只是适 用于多种功耗方式的办理体系。
假如选用单个MOS管充任简略的开关电路，它能够作为一个电流势垒，由数字电路操控来操控模仿电路进入不作业的状况。而且，开关管是在原有模仿电路加上的，能节约附加电路所引起的功耗，因而关于功耗方式较少的体系，单MOS操控管则是一种简洁有用的办法。
总归，在数模混合电路中，在将数字电路和模仿电路别离进行低功耗规划的前提下，再依据负载、电源等，由内部数字电路发生操控信号，灵敏地关断不作业的模仿电路模块，将有用地节约混合信号体系功耗。
2.4小结本章对数模混合电路低功耗所触及的办法进行了评论和研讨。
在 传统的低功耗规划中，均将数字电路和模仿电路别离考虑。从数字电路中根本的功耗方程动身，总结了影响电路功耗的四个首要因素；从电路规划的视点，要点评论 了体系结构级、寄存器传输级、逻辑/门级、地图级的数字电路低功耗规划办法。对模仿电路完结低功耗的根本约束条件作了评论；剖析了规划时所遇到的实践约束 条件，并进行了数学推导，给出了噪声决议的功耗和精度决议的功耗表达式；总结了四种低压低功耗模仿电路办法，并对亚阈值电路和电流方式电路中，与噪声和精 度相关的功耗进行了数学描绘，剖析比较了四种计划的适用性。
提出了将数字电路和模仿电路协同考虑的数模混合电路低功耗拓朴；提出了在按传统办法对两部别离离进行功耗优化后，再将数字电路的动态功耗办理技能推广到整个混合信号体系，操控关断不需求作业的模仿电路模块；并对操控信号发生电路和开关电路作了剖析评论。
本章是以下各章研讨的理论基础。
