使用超低压 MOSFET 阵列进行电路设计-亚阈值电压操作

EPAD MOSFET 亚阈值电压操作

在阈值电压或低于阈值电压时，EPAD MOSFET 在称为亚阈值区域的工作区域中表现出关断特性。这是 EPAD MOSFET 传导通道根据施加的栅极电压快速关闭的区域。由栅电极上的栅电压引起的沟道呈指数下降，因此导致漏极电流呈指数下降。然而，通道不会随着栅极电压的降低而突然关闭，而是以每十倍电流下降约 110 mV 的固定速率下降。

因此，例如，如果 EPAD MOSFET 器件的阈值电压为 0.2V，则其漏极电流 Ids 在 Vgs = 0.2V 时为 1μA (Vds = 0.1V)。在 Vgs = 0.09V 时，Ids 降至 0.1μA。由此推断，在 Vgs = -0.02V 时，漏极电流为 0.01 μA(或 10 nA);Vgs = –0.13V 时为 1 nA;等等。

显示了 MOSFET 阵列系列的所有成员，具有适当的平行亚阈值曲线，这些曲线由产品的不同 Vgs(th) 线性调整。是 Ids 对 Vgs 的曲线，其中 Vgs 相对于 Vgs(th) 表示。这种亚阈值曲线行为适用于 EPAD MOSFET 系列的所有成员。

在电路设计人员将漏极电流定义为“零电流”时，现在可以计算和估计零电流下的 Vgs 电压。例如，如果特定设计的零电流指定为 10 nA，则该电流电平下的 Vgs 电压大约比 Vgs(th) 低 220 mV。请注意，在这个 Vgs(th) = 0.2V 的示例中，当栅极处于零伏(接地)时，其 Ids 仍徘徊在 20 nA 左右。

通过对 EPAD MOSFET 中的 Vgs(th) 进行精确控制，现在可以更轻松地在亚阈值区域偏置和操作 EPAD MOSFET。当考虑到适当的设计余量并使用适当的电路设计时，器件可以在该亚阈值区域内偏置，并在模拟模式或数字模式下运行。

在亚阈值区域运行的一些关键特性和注意事项包括：

* 非常低的工作电源电压

* 非常低的信号电压摆幅

* 涉及的工作电流水平非常低

* 超低功耗

* 输入和输出端的阻抗非常高，无需使用高阻值电阻

* 指数 I 到 V 特性

* 独特的跨导行为设备在这个操作区域。

低和超低电源电压

在 5V、3.3V 或更低电压下运行的低压系统通常需要阈值或导通电压为 1V 或更低的有源 MOSFET 器件。对于模拟设计，此阈值电压直接影响工作信号电压范围。

例如，传统 MOSFET 的阈值电压等于 0.7V +/- 0.3V。电路设计人员必须在设计中允许阈值电压的最大变化，以便在信号达到信号电压限制的下限时不会截断信号电压。通常会添加安全裕度以允许其他系统变量。

对于 1V 阈值 MOSFET 器件，所需的最小电源电压为 1.0V 或更高。电路的有用信号范围直接由所用 MOSFET 的阈值电压决定和限制。这种所谓的“死区”开销电压情况变得至关重要，因为随着电源电压的降低，阈值电压成为电源电压的大部分。最终，信号摆幅的有用范围完全被这个“死区”电压耗尽，并且电路在任何有用的信号电压摆幅下都停止工作。

一些 EPAD MOSFET 专门针对这种低电源电压情况而设计。例如，ALD110802 的开启阈值电压仅为 0.2V，根据电路偏置条件，在 1 V 电源下可以接受或产生大于 0.8V 的信号摆幅。ALD110800 零阈值 MOSFET 可以在许多电路配置中产生完整的 1V 轨到轨信号摆幅，只需 1V 电源。

超低电源电压是指低于 1V 或低于 +/- 0.5V 的电源电压。作为应用示例，加载时输出约 0.45V 的单面板太阳能电池可用于使用 EPAD MOSFET 构建有用的仪器级电路。0.45V 可用于单电源配置，或分成 +/- 0.225V 双电源。在最简单的形式中，使用 ALD110800 器件的逆变器电路只需 50mV 电源即可工作。

低功耗和“纳米功耗”操作

当电源电压降低时，给定负载电阻的功耗随着电源电压的平方而降低。因此，降低电源电压的主要好处之一就是降低功耗。尽管通常降低电源电压和功耗与降低有用的交流带宽和增加电路中的噪声密切相关，但设计人员可以为给定的电路应用做出必要的权衡，并相应地偏置电路以优化许多变量.

从前面的段落中可以看出，在低电源电压的情况下，结合适当的 EPAD MOSFET 和仔细的电路设计以最佳地偏置电路的不同分支，可以设计一个电路，以便将功耗降至以前无法达到的水平。

可以使用 EPAD MOSFET 系列的不同成员设计电路，以便将每个预期电路功能的功耗降至最低。可以构建以微瓦甚至纳瓦模式运行的电路，并且仍然提供良好的偏置和严格控制的电路功能。

在功率关键应用中，与传统电路方法相比，这种功率降低可导致功耗降低一百倍或一千倍以上。潜在的纳米功率电路可能会改变许多应用中的电源要求，并在电源管理和便携式系统设计方面取得突破。