使用超低电压 MOSFET 阵列进行设计，第四部分EPAD MOSFET 隔离和（二极管）钳位介绍

许多电路需要将其输入和输入阻抗与输出阻抗隔离，以便输出负载不会干扰输入信号。这有时可以通过使用晶体管缓冲器或运算放大器缓冲器来实现，每种缓冲器都存在许多设计权衡。例如，使用 ALD110800 零阈值 MOSFET，可以提供这种隔离，同时提供偏置到与输入电平范围相同的电压电平的电路输出。这是零阈值 MOSFET 的基本能力。输入和输出电平也可以偏置在固定电压附近，例如 0.0V。

在没有 ALD110800 的情况下，设计输入和输出电平处于相同电平的应用程序会很麻烦，并且需要许多组件和支持电路。在单位增益模式下使用运算放大器可以完成这项工作，但也可能带来许多与使用运算放大器相关的缺点。当其中一些缺点成为严重限制时，设计人员必须考虑使用更简单的分立 MOSFET 电路，例如 EPAD MOSFET。

另一种基本电路是二极管钳位功能。对于此类应用，可以考虑使用 ALD110902 或 ALD110900 EPAD MOSFET，它们分别在 +0.20V 或 0.00V 时开始传导电流。由于这些 EPAD MOSFET 具有类似于二极管导通特性的高漏极电流与漏极电压特性，因此可以通过连接漏极和栅极端子轻松构建具有严格控制工作特性的二极管钳位电路，如图 4 所示。

EPAD MOSFET 逆变器和缓冲器

一个基本的 EPAD MOSFET 逆变器由一个电阻器或一个 MOSFET 负载和一个作为逆变器的 EPAD MOSFET 组成。通过选择具有不同 Vgs(th) 的器件，可以创建在超低电压水平、超低功率水平或两者兼有的情况下运行的逆变器。具有各种 Vgs(th) 的电压和功率电平的可能组合有无数种，选择取决于电路的任务。

在图 5A 中有几个示例来说明一些可能性。在第一个示例中，基本逆变器由仅为 200 mV 的 V+ 供电，I+(max) = 0.24 uA，假设占空比信号为 50%，平均功率约为 25 nW(纳瓦)。此基本反相器的另一个示例将 Vgs(th) 更改为 0.4V，将负载电阻更改为 44MEG Ohm，使用相同的 200 mV 电源，产生 2.3 nA 的平均电流和 0.45 nW 的功率。

使用基本反相器作为缓冲器可在输入和输出之间提供高度隔离。逆变器的输入偏置电流指定为典型值 5 pA 和最大值 30 pA。输入电压可以偏置在对输入源方便的电平。例如，如果输入源是 50 mV 峰峰值信号，以地电位为中心，则使用 ALD110800 零阈值 EPAD MOSFET 可能有助于消除输入电平移位级以及此类中间级可能增加的相关噪声和失真信号。在第二个示例中，输入是调制信号，耗尽型 EPAD MOSFET 用于帮助将输出偏置到所需的电压电平和输出阻抗。

基本缓冲器中的输出电平可以设计为产生适当的输出电压范围，部分方法是使用适当的负载电阻器并选择 EPAD MOSFET 系列的特定成员。通过设计，输出电压可以偏置并转换为任何电压输出电平和输出摆幅范围。

通过在线性区域偏置 EPAD MOSFET 晶体管，基本反相器还可以用作粗反相放大器。使用 ALD110802 (Vgs(th) = 0.2V) 或 ALD110800 (Vgs(th) = 0.0V) 等低阈值器件更容易实现这种反相放大器功能。作为建议偏置方案的示例，可以选择输出负载电阻器，以便在 Vin = 0.0V 时输出电压标称值为 V+/2。这种类型的反相放大器可以产生 5 倍到 12 倍的增益。

使用 EPAD MOSFET 的简单电压源可以通过连接为源极跟随器的 EPAD MOSFET 来实现，其中输出电流由漏源电流提供(图 5B)。该电路类似于使用双极晶体管的经典射极跟随器。在这种情况下，由于 MOSFET 的极高输入阻抗，输入(源)电压及其源阻抗与输出电压和输出电流完全隔离。阻抗转换后的 Vout 和 Iout 仅取决于 EPAD MOSFET 的输入电压和输出阻抗。

EPAD MOSFET 逻辑门

通过扩展到基本反相器，可以使用 EPAD MOSFET 轻松实现简单的逻辑门，例如 NAND 和 NOR 门。虽然数字逻辑电路实现不是 EPAD MOSFET 系列的主要应用重点，但在某些情况下，在 0.4V 或更低电源下运行的非常规逻辑功能可能很有用。

在图 6 和图 7 中，EPAD MOSFET 系列器件配置为实现逻辑功能。单个 EPAD MOSFET 四阵列可用于实现以复合配置连接的 NOR 和 NAND 门。图 6 说明了一个双输入 NOR 门，图 7 说明了一个双输入 NAND 门。

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设计 EPAD MOSFET 逻辑的一个关键考虑因素是确定将为逻辑电路供电的可用 V+ 电源。当 V+ 电源电压降至 400 mV 以下时，EPAD MOSFET 实际上可能始终处于相同的“关断状态”。它们偏向于亚阈值区域，无论是逻辑上的“1”状态还是“0”状态。

例如，考虑 200mV 电源和阈值为 0.20V (ALD110802) 的 EPAD MOSFET 的情况。在输出“1”状态下，输出接近 0.2V，EPAD MOSFET 工作在亚阈值区域的低端，漏极电流约为 19nA。在输出“0”状态下，EPAD MOSFET 工作在亚阈值区的高端，漏极电压接近 0.0V，漏极电流约为 230nA。当连接多个 EPAD MOSFET 以构建逻辑门时，“0”状态电流和电压水平以及“1”状态电流水平必须满足所需的输出电压和工作温度范围标准。

任何电路配置中的漏极电流都取决于实际电路拓扑结构。这种逻辑门的工作频率取决于工作电压和“1”逻辑状态与“0”逻辑状态之间的电流切换量。

当电源电压降低到 0.2V 以下时，逻辑开关的可用电压和电流裕度相应降低，并且可以使用这种逻辑门的环境变得更加有限和关键。例如，在 0.1V 电源下，“1”和“0”状态之间的电压噪声容限在第一反相器级之后下降到大约 50mV。然而，再经过几个反相器级后，该电压噪声容限逐渐下降至约 20 mV。

设计逻辑功能时要考虑的因素有：

* 阈值电压和器件输出容差

* 电源电压容差

* 定义为“1”和“0”电平可接受的输出电压电平范围

* 工作温度范围

* 逻辑级数和所需的噪声容限