鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設(shè)計 — 數(shù)模混合電路的低功耗設(shè)計方法(二)

2.2模擬電路的低功耗設(shè)計

2.2.1模擬電路低功耗的限制條件

如前所述，在數(shù)字電路低功耗設(shè)計中，降低電源電壓是等比例降低工藝中最常采用也是最有效的辦法。但由于實際系統(tǒng)通常采用通用的數(shù)字電路工藝，而數(shù)字電路優(yōu)化功耗的方案并沒有考慮到對模擬電路功能的影響。對模擬電路而言，電源電壓的降低對動態(tài)范圍（Dynamic Range，DR）和功耗反而不利。

1基本限制條件

模擬信號電路所消耗的功率是為了維持信號能量超過基本的熱噪聲，達到給定的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）。圖2.2.1給出了一個典型的模擬信號處理電路示意圖，它可以是一個放大器、濾波器、振蕩器等。電路總的功率為



式中，I_DD為流過電源電壓V DD的電流，V_PP是V_DD在電容C端產(chǎn)生的輸出電壓峰-峰值，ƒ為頻率。



式（2.2.1）可知，當(dāng)V_PP接近V_DD時，功率將有一個最小值?？紤]到信噪比表達式



式中，k為玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10^－23J/K），T為絕對溫度。由式（2.2.1）和（2.2.2），可以得到



由式（2.2.3）可以看出，在給定的溫度下，模擬電路所消耗的功率由電路工作頻率（或給定的帶寬）、信噪比、電源電壓與信號峰-峰值之比所決定。顯然，rail-to-rail（即V PP =V DD）電路的功耗最低，為



式（2.2.4）可以看出，在模擬電路中，在信噪比每增加10dB，最小功率的絕對值要增大十倍，而在數(shù)字電路中，要實現(xiàn)高信噪比，所犧牲的功耗遠遠低于模擬電路。還可以看出，式（2.2.4）表示的模擬電路低功耗基本限制條件是一個通用方程，它僅僅給出了功耗與信噪比、速度的關(guān)系，而對電壓擺幅、電路結(jié)構(gòu)、有源電路產(chǎn)生的噪聲沒有任何限制條件。對于給定的精度、增益和線性度，設(shè)計者總是希望得到一定的動態(tài)范圍和速度，顯然，僅僅用式（2.2.4）無法對不同的方案得出有用的比較結(jié)果。因此，設(shè)計面向應(yīng)用的低壓低功耗模擬電路之前，必須對實際局限性有較深入的認識，比如噪聲和精度。

2實際限制條件

1）與噪聲相關(guān)的功耗

基于噪聲對模擬系統(tǒng)的性能有極大的影響，功耗優(yōu)化必須考慮到電路中器件的噪聲。如圖2.2.2所示，在低頻下，MOS管的噪聲模型可分成兩個相互獨立的隨機噪聲：一個是熱噪聲，可用漏源間的電流源表征，另一個是閃爍（或稱1/ƒ）噪聲，可用與柵極串聯(lián)的電壓源表示。



定義熱噪聲的噪聲功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）為S_I，有

式中，G_TH表征晶體管熱噪聲電導(dǎo)，其大小與MOS管的工作區(qū)域有關(guān)。通常，可將熱噪聲電導(dǎo)變換為一個柵極熱噪聲電阻，即有



式中，g_m為器件跨導(dǎo)。

而閃爍噪聲的噪聲功率譜密度S_V，1/ƒ為



式中，ρ在給定的溫度下是與工藝相關(guān)的常數(shù)。

在飽和區(qū)，通?？蓪嵩肼暫烷W爍噪聲統(tǒng)一為柵極的總噪聲，此時可用一個與頻率有關(guān)的噪聲電阻定義：



結(jié)合式（2.2.6）和（2.2.8）可見，在給定的頻率下，當(dāng)跨導(dǎo)增加時，總輸入噪聲將下降，此時總噪聲主要由1/ƒ噪聲決定；而增大柵極面積時，總輸入相關(guān)噪聲將主要由熱噪聲組成。

電壓信號處理電路中，可以用較常見的運算放大器（OperationalAmplifier，OPA）為例，來討論噪聲對電路功耗的影響。圖2.2.3給出了具有有源負載的OPA結(jié)構(gòu)，其中，C_L為輸出端負載電容。



OPA的增益帶寬（Gain Bandwidth，GBW）為



輸入電壓的噪聲功率譜密度為



式中，NEF代表過剩噪聲因子（Noise Excess Factor， NEF），為了降低噪聲，輸入對的跨導(dǎo)必須遠大于有源負載的跨導(dǎo)，此時NEF接近1.利用噪聲帶寬的方法可以求得輸出噪聲功率，在跟隨器結(jié)構(gòu)中，增益G=1，則輸出端的動態(tài)范圍DR可以表示為



式中，分別為PMOS和NMOS的飽和電壓。將式（2.2.9）和（2.2.10）代入，則有



由式（2.2.12）可見，降低電源電壓將使輸出端的DR急劇下降。當(dāng)g_m =2I/（V_GS -V_TH）時，由式（2.2.9）和（2.2.12），得

在飽和區(qū)，最小的V_GS -V_TH值為2nU_T（其中U T =kT/q為熱電壓，室溫下為26mV，n為亞閾值因子），而且在時，則由式（2.2.13）可得



式（2.2.14）給出了在給定的動態(tài)范圍、增益和增益帶寬條件下，OPA電路所需要的最小的功耗。它給出了所有重要的設(shè)計參數(shù)間的約束關(guān)系，對電路設(shè)計有著重要的指導(dǎo)意義。

2）與精度相關(guān)的功耗

模擬電路低功耗設(shè)計中，尤其是高速應(yīng)用場合，必須要考慮精度。而在速度-功耗-精度的約束條件中，最重要的是器件參數(shù)的失配。解決失配的方法有失調(diào)補償或是自調(diào)零（Auto-zero）技術(shù)。但這些補償技術(shù)需要校準(zhǔn)過程，在校準(zhǔn)期間要中斷系統(tǒng)的正常工作，將電路模塊的失調(diào)電壓取樣后動態(tài)地放在存儲器中。這將降低電路工作速度、增加額外的芯片面積以提供校準(zhǔn)（Calibration）和復(fù)制（replica）電路。在許多高速低功耗電路中，系統(tǒng)通常不允許被中斷，或者所需的連續(xù)工作時間太長，不能保證失調(diào)能及時被糾正。因此，通常認為精度完全是由工藝的匹配性能所決定，典型地，如在高速AD或在DA轉(zhuǎn)換器中，位的精度和晶體管的匹配成正比。

通常，兩個理想晶體管間的失配用兩個參數(shù)來表征，一個是閾值電壓失配V T₀≡V_T01 -V_T02，用標(biāo)準(zhǔn)偏差σ_VT來表示；另一個是電流增益系數(shù)β失配△β/β=（β₁ -β₂）/β，用標(biāo)準(zhǔn)偏差σβ來表示。它們普遍滿足下式：



式中，A_VT0、A_β是與工藝相關(guān)的常數(shù)。

當(dāng)晶體管為電壓偏置時，器件的柵壓相同而電流是變量；對于具有相同電流偏置的兩個器件（如差分對），電壓將相關(guān)變化。根據(jù)獨立的失調(diào)分布，可以推出這種相關(guān)變化的分布：

MOS管工作在強反型時，式（2.2.16）變?yōu)?br />


由式（2.2.17）可以看出，當(dāng)變量為電流時，增加?xùn)膨?qū)動電壓可以提高精度。

這也證明了在電流模式電路中，為了達到最佳精度，必須將器件偏置在深飽和區(qū)。

與之相反的是，在電壓模式電路中，為減小失調(diào)電壓，必須盡可能地降低V_ov的值（令V_ov =V_GS-V_TH），通?？蓪⒋酥翟O(shè)置在強反型邊緣。

式（2.2.17）還可以看出，要提高電路精度，就需要大尺寸的器件，但與此同時，電路節(jié)點的負載電容也增加，為維持給定的速度，就需要更大的功耗。對于單端輸入，工作在強反型飽和區(qū)的器件，增益帶寬由下式?jīng)Q定



對于給定的V ov，定義式（2.2.17）中的電流精度為1/Acurracy²=[σ(△I_D)/I_D]^₂，電路所消耗的功率為P=IV_DD，則結(jié)合式（2.2.18），得到



式（2.2.20）給出的功耗-速度-精度的關(guān)系式，它表明在給定的電源電壓下，功耗與電路精度的平方成正比，即意味著提高精度和提高速度相比，要付出更大的功耗代價。對于許多更加復(fù)雜的電路，如電流信號處理電路、差分對和運放等電壓信號處理電路，甚至是多級電路中，式（2.2.20）仍然適用。