低压低功耗模拟集成电路设计技术研讨 兰蕾

低压低功耗模拟集成电路设计技术研讨兰蕾

发表时间：2018-01-26T17:14:11.060Z 来源：《电力设备》2017年第27期作者：兰蕾

[导读] 摘要：科学技术伴随社会发展而在不断加快发展步伐，特别是在电路设计上正在逐步创新，促使低压低功能模拟集成电路设计应用取得了相对较好的效果，但是从某种角度而言，由于受到多种因素的限制，致使电路设计存在诸多漏洞，本文针对低压低功耗模拟集成电路设计技术进行了简要研讨。

（西安微电子技术研究所陕西西安 710061）

摘要：科学技术伴随社会发展而在不断加快发展步伐，特别是在电路设计上正在逐步创新，促使低压低功能模拟集成电路设计应用取得了相对较好的效果，但是从某种角度而言，由于受到多种因素的限制，致使电路设计存在诸多漏洞，本文针对低压低功耗模拟集成电路设计技术进行了简要研讨。

关键词：低压；低功耗；模拟集成电路；设计技术

智能传感器是具有多样化模拟、数字信息处理功能的传感器节点。智能传感器系统主要包括传感器、模拟前端电路、电源管理电路以及数字信号处理电路等部分，具有采集、处理、交换、传输信息的能力，是传感器与集成电路芯片相结合的产物。低功耗模拟/数字集成电路设计方法和技术的发展，使得智能传感器系统有别于传统的传感器和感知节点，主要包括以下几方面。

1智能传感器系统功能分析

1.1传感器功能多样化

在智能传感器系统中包含有多种类的传感器节点，这些传感器节点可将温湿度、压力、加速度等物理量转换为电压、电流等电信号。

1.2智能传感器系统具有较高信噪比

传感器的微弱信号经过模拟前端电路进行信号放大、滤波、数字化后，再经过数字处理器进行处理。后级数字处理器具有多样化的编程能力，极大地提高了传感器信号的信噪比。

1.3智能传感器系统有效改善了传感器节点传输性能

传感器与集成电路集成于同一芯片上，对于传感器的零漂、温漂可以通过自动校准单元定期自动校准，也可以采用适当的反馈方式改善传感器的频率响应特性。

1.4智能传感器系统应用时间大大增加，节能特点突出

智能传感器系统通过低电压集成电路设计技术、新的低功耗拓扑电路结构以及电源管理技术，降低了系统的功率消耗，在海量传感器节点应用场景中极大地降低了能源消耗。在智能传感器中，模拟前端通常只占据5%～30%的面积，但却消耗了50%～60%的整体功耗。自1990年代以来，随着CMOS晶体管特征尺寸的持续缩小，芯片密度和工作频率相应增加，功耗已成为模拟前端电路设计中除速度、面积之外需要重点考虑的第三维度。与数字集成电路直接降低电源电压的低功耗设计方式不同，模拟前端电路的低功耗设计面临着诸多挑战。例如，在以电池供电的智能传感器系统中，数字电路的供电电压已经低至1V，甚至低至0.5V。这样的低电压情况往往造成模拟前端电路动态范围以及性能的严重下降，迫使设计者不得不采用更加复杂的电路拓扑结构以满足系统需要。因此，如何在低电压、低功耗的设计环境中实现较高性能的模拟前端电路，就成为了研究领域和工业界面临的最大挑战。

2低压低功耗模拟集成电路设计面临的问题

主要包括温度传感器、带隙基准源、低压差线性稳压器、可变增益放大器、模数转换器、时钟产生电路和高精度参考源电路等部分。根据模拟集成电路功耗设计理论，模拟前端功耗遵循以下公式：P＝8KT×SNP×f×Vcc/Vpp（1）

其中，K为热电压，T为绝对温度，SNP为模拟前端输出信噪比，f为模拟前端信号工作频率，Vcc为系统电源电压，Vpp为模拟前端输出信号摆幅。由（1）式可引出3个低压低功耗模拟前端设计思路：①在低电压下，系统信噪比随之恶化，要满足系统信噪比需求，在输出信号下降的同时，只有通过降低系统噪底来维持与高电压时相同的信噪比，因此就必须在系统中引入低噪声设计技术；②在一个模拟前端中存在多个电路模块，可以通过优化各模块的工作频率，获得较低的功率耗散；③在低电压下，最大限度地提高输出信号摆幅达到轨至轨的输出，获得最小电源输出摆幅比。

智能传感器模拟前端结构实际设计中，模拟前端的功耗不仅由（1）式决定，还受到诸如寄生电容、电流使用效率、附加噪声源和MOS管跨导电流比的限制，具体影响有以下几方面。①与数字电路中的负载电容类似，在模拟前端节点处出现的寄生电容往往会引起功耗的上升。此外，补偿电容和负载电容的存在也会增大一定带宽情况下模拟前端的功耗，只有当电容的存在能将噪声功率谱降低更多的量（通过减小噪声带宽实现），这些电容才对功耗优化有益。②偏置电路中的电流对模拟前端通路中的信号处理没有直接贡献，因此应当尽量减小。然而，不足的偏置电流又会引起噪声功率的增加，从而使系统功耗等比例上升。有时虽然可以通过电流镜等比例放大来消减偏置电流，但偏置电流中的噪声也会等比例增加。③根据（1）式，在模拟前端通路中，如果某一节点的电源摆幅比较大，即该节点的信号摆幅不是轨至轨的幅度，就会引起功耗的增加。因此，应该在信号通路中保持信号的满摆幅传输。④额外的噪声源也会增大模拟前端的功耗，特别是在智能传感器系统中，由于处理的信号频率较低，低频1/f噪声的影响非常显著。此外，来自电源线、芯片管脚和MOS衬底的噪声、串扰都是重要的噪声源。⑤当节点寄生电容导致负载电容增加时，为了获得需要的带宽，MOS器件电流增加，进入强反型区。而工作在强反型区的MOS晶体管具有较小的跨导电流比，导致功耗增大。⑥在版图设计中，为了保证好的匹配性而增加MOS管、电阻、电容等器件的面积，从而在电路中引入更多的寄生电容，增大了功耗。⑦开关电容电路的时钟频率至少为信号频率的两倍，甚至更高，该时钟本身就会消耗大量的功耗。⑧由于目前代工厂提供的模型中，关于极低电流工作的MOS管模型参数精度不足，且最差漏电流参数也较为欠缺，所以极低功耗电路仿真验证结果的可信度难以使设计人员放心地进行极低功耗设计。

3智能传感器模拟前端设计方法

3.1系统级设计

多电源电压设计在模拟前端中将模块性能进行划分，将高电源电压和低电源电压分别应用于主要性能模块和次要性能模块，这也称为电源岛技术。由于采用不同的电源电压，在不同模块中信号摆幅也有区别。因此，需要加入电平移位电路，实现各模块之间的最大信号传输。多阈值电压晶体管设计待机漏电流是模拟前端功耗的一个重要来源，在低电压设计环境里尤为突出。在漏电流较大的电路模块中，采