使用超低電壓 MOSFET 陣列進(jìn)行設(shè)計，第五部分EPAD MOSFET 開關(guān)

EPAD MOSFET 在以適當(dāng)?shù)臇艠O電壓開啟時充當(dāng)開關(guān)，其中在漏極和源極端子之間形成導(dǎo)電通道。源極端子作為輸入，漏極端子作為輸出。開關(guān)的導(dǎo)通電阻取決于由柵極電壓控制的溝道導(dǎo)通電流。在這種情況下，如果使用增強(qiáng)型器件，則可以通過柵極端子上的正偏置電壓打開開關(guān)，信號從源極傳播到漏極端子。信號本質(zhì)上可以是數(shù)字的或模擬的，只要用戶考慮相對于開關(guān)通道導(dǎo)通電阻的輸入和輸出阻抗水平。

可以通過將柵極接地或?qū)艠O電壓設(shè)置為低于閾值電壓 0.4V 或更低來關(guān)閉開關(guān)。導(dǎo)通時，開關(guān)可以傳遞高達(dá)柵極電壓減去 Vgs(th) 的信號電壓。當(dāng)使用 EPAD MOSFET 陣列系列應(yīng)用時，EPAD MOSFET 開關(guān)的最小工作電壓受關(guān)斷狀態(tài)漏電流的限制。在這種情況下，使用前面提到的亞閾值特性，模擬或數(shù)字開關(guān)可以在 0.4V 至 0.2V 范圍內(nèi)的最小電源下運(yùn)行。

EPAD MOSFET 常開開關(guān)

常開開關(guān)是指當(dāng)柵極處于接地電壓或不存在電源電壓時通常已經(jīng)打開的開關(guān)。此功能類似于常閉 FORM B (NC) 繼電器，當(dāng)繼電器線圈未通電時，觸點(diǎn)已經(jīng)閉合，并且需要電壓源為繼電器線圈通電以打開觸點(diǎn)。耗盡型 EPAD MOSFET 是自然常開器件，當(dāng)柵極上存在 0.0V 偏置時，傳導(dǎo)通道已經(jīng)存在。當(dāng) Vds 處于低電平時，所得導(dǎo)電通道的行為類似于電阻器。

但是，請注意，由于柵極的高輸入阻抗，柵極電壓可能會“浮動”到非零值。在實(shí)際電路中，希望將柵極接地、將固定電阻器連接到柵極或以其他方式控制柵極可用的電壓。

B 型繼電器和 EPAD MOSFET 陣列系列之間的主要區(qū)別在于 EPAD MOSFET 具有更高的導(dǎo)通電阻并在低電壓 (<10v) 在使用零閾值 MOSFET 作為開關(guān)的情況下，信號可以通過適當(dāng)?shù)碾娐放渲脧?V+ 軌傳遞到 0.0V 軌。但是，除非可將相對于源極電壓的負(fù)電壓施加到柵極以關(guān)閉 EPAD MOSFET，否則無法關(guān)閉常開開關(guān)。

重新安排電路配置，零閾值MOSFET也可以用作高側(cè)開關(guān)，它可以通過接近或處于V+電位的高電平信號。要打開這樣的開關(guān)，將柵極連接到 V+ (Vg = V+)。假設(shè) V+ 至少為 +0.4V，將柵極接地將關(guān)閉此開關(guān)。

同樣，其他耗盡型 EPAD MOSFET 也可以用作高側(cè)開關(guān)或常開開關(guān)，每個開關(guān)都有相應(yīng)的常開導(dǎo)通電阻值和相應(yīng)的關(guān)斷電壓?？梢栽谒璧膶?dǎo)通電阻與調(diào)制和/或打開和關(guān)閉開關(guān)所需的柵極電壓之間進(jìn)行權(quán)衡。

EPAD MOSFET 電流源和電流鏡

顯示了一個基本的電流源。許多使用傳統(tǒng) MOSFET 的電流源設(shè)計可以使用 EPAD MOSFET 系列來實(shí)現(xiàn)。下面提出兩個值得討論的特殊注意事項(xiàng)。

首先，通過使用低閾值增強(qiáng)型 EPAD MOSFET，例如 ALD110902(Vgs(th)= 0.20V 的雙版本)，電流源開始在非常低的輸出電壓下運(yùn)行。這種低輸出電壓擴(kuò)展了電流源的有用輸出電壓范圍。輸出可以在較早的電壓下開始提供(吸收)電流，從而擴(kuò)大電流源的有用信號范圍。此外，如果電流來自低電平電流源，則輸出電壓可以一直擴(kuò)展到接近地電位。

其次，通過使用零閾值 MOSFET，例如 ALD110900(雙通道，Vgs(th)=0.00V)，電流源可以在零電源電壓下開始運(yùn)行，其中 V+ = 0.0V。借助控制或調(diào)制電壓，該電流源可配置為常開電流源，在輸出端以 0.0V 開始吸電流，但也可通過外部施加的控制信號進(jìn)行調(diào)制或關(guān)斷。

低壓 EPAD MOSFET 振蕩器

另一個廣泛使用的電路功能是 RC 振蕩器，顯示了一個低壓 EPAD MOSFET RC 振蕩器。在該電路中，U1A、U1B 和 U1C 與反饋電阻和電容網(wǎng)絡(luò) R4、Cosc 和 R5 構(gòu)成基本的三級振蕩器。振蕩器工作在幾赫茲到千赫茲的低頻范圍內(nèi)。使用 U1D 作為輸出緩沖級對輸出進(jìn)行分接和緩沖。輸出級的電源由 Vl 提供。V1 可以是 V+ 或不同的值，具體取決于所需的輸出高電平。如果 V1 處于不同的電壓電平，則輸出緩沖器也充當(dāng)電平轉(zhuǎn)換器。

使用低閾值增強(qiáng)型 EPAD MOSFET，例如 ALD110802(Vgs(th)= 0.20V 的四通道)，該振蕩器的一個示例在低于 0.2V 的電源電壓和低于 70nW 的功率下運(yùn)行。

超低電壓和毫微功耗 EPAD MOSFET 差分放大器

模擬設(shè)計中使用的關(guān)鍵電路之一是差分放大器電路。上一節(jié)中提到了使用 EPAD MOSFET 反相器的簡單反相放大器。顯示了使用 EPAD MOSFET 的基本極低工作電壓差分放大器。可以設(shè)計使用各種低壓 EPAD MOSFET 或零閾值 EPAD MOSFET 的這種基本差分放大器的不同版本，以降低工作電壓或最大限度地減少功耗。一個示例是采用 EPAD MOSFET 設(shè)計的差分放大器，該放大器在 0.2V 的超電源電壓下運(yùn)行且功耗僅為 570 nW(納瓦)。

這個基本的差分放大器由 3 個匹配對組成。U5 和 U6 是配對的，通過偏置電阻 Rb 連接到 V+。該匹配對的目的是為輸入差分對 U3 和 U4 提供偏置。U1 和 U2 偏置在亞閾值區(qū)域，用作有源負(fù)載。該電路配置適用于許多不同的匹配對 Vgs(th) 組合，以及 V+、Rb 和輸入/輸出范圍的各種組合。

差分放大器關(guān)鍵電路性能的權(quán)衡包括以下參數(shù)：

· V+ 標(biāo)稱值(具有最大和最小目標(biāo)值)

· 功耗目標(biāo)

· 輸入電壓范圍

· 輸出電壓范圍

· 輸出驅(qū)動特性

· 操作頻率

· 噪音表現(xiàn)

· 失調(diào)電壓

這個基本的差分放大器雖然看起來不是很復(fù)雜，但它在亞閾值區(qū)域操作 EPAD MOSFET 器件是非常規(guī)的。因此，需要從不同的角度看待這些 EPAD MOSFET 晶體管如何在電路中偏置和使用。使用 EPAD MOSFET 陣列系列的不同成員，可以將各種可能的性能與每個不同的電路配置相關(guān)聯(lián)。

出于說明目的，此差分放大器的主要目標(biāo)集中在以直流或接近直流運(yùn)行的超低電壓和超低功率版本。實(shí)現(xiàn)的一些關(guān)鍵規(guī)格示例：

示例 A. 使用的產(chǎn)品：ALD110800、ALD110902

單級：V+ = 0.5V，Rb = 275KOhm，I+ = 1.9μA，Pd = 960 nW，增益 = 24

雙級：V+ = 0.5V，Rb = 275KOhm，I+ = 2.8μA，Pd = 1.4 μW，增益 = 525

示例 B. 使用的產(chǎn)品：ALD110800、ALD110900

單級：V+ = 0.2V，Rb = 184KOhm，I+ = 2.8μA，Pd = 574 nW，增益 = 20

雙級：V+ = 0.2V，Rb = 184KOhm，I+ = 4.8μA Pd = 960 nW，增益 = 238

結(jié)論

本白皮書向讀者提供有關(guān)如何使用此 EPAD MOSFET 陣列系列實(shí)現(xiàn)有用電路的理解和一些基本概念。對于經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計人員來說，這里提到的 EPAD MOSFET 是傳統(tǒng)增強(qiáng)型 MOSFET 的自然延伸，并且所有基于教科書的理論和方程式仍然適用，因此有很多熟悉之處。

很多以前用過的電路，在這里也可以很自然地延伸和應(yīng)用。由于電壓和電流范圍向下限的擴(kuò)展以及精確的閾值電壓，新思維和重新審視許多舊電路及其相關(guān)設(shè)計配置問題可能是合適的。

EPAD MOSFET 陣列系列的超低電壓和 NanoPower 特性以及它們?nèi)绾卧陔娐吩O(shè)計中進(jìn)行偏置和使用可以使具有新穎電源的新產(chǎn)品成為可能。過去設(shè)計的許多電路現(xiàn)在可以自然地擴(kuò)展到新的范圍并與 ALD EPAD MOSFET 一起使用。這些產(chǎn)品系列開始為電路拓?fù)涮峁┛赡苄?，這些電路拓?fù)浞浅Ｐ路f，在某些情況下甚至是革命性的。