使用超低电压 MOSFET 阵列进行设计，第五部分EPAD MOSFET 开关

EPAD MOSFET 在以适当的栅极电压开启时充当开关，其中在漏极和源极端子之间形成导电通道。源极端子作为输入，漏极端子作为输出。开关的导通电阻取决于由栅极电压控制的沟道导通电流。在这种情况下，如果使用增强型器件，则可以通过栅极端子上的正偏置电压打开开关，信号从源极传播到漏极端子。信号本质上可以是数字的或模拟的，只要用户考虑相对于开关通道导通电阻的输入和输出阻抗水平。

可以通过将栅极接地或将栅极电压设置为低于阈值电压 0.4V 或更低来关闭开关。导通时，开关可以传递高达栅极电压减去 Vgs(th) 的信号电压。当使用 EPAD MOSFET 阵列系列应用时，EPAD MOSFET 开关的最小工作电压受关断状态漏电流的限制。在这种情况下，使用前面提到的亚阈值特性，模拟或数字开关可以在 0.4V 至 0.2V 范围内的最小电源下运行。

EPAD MOSFET 常开开关

常开开关是指当栅极处于接地电压或不存在电源电压时通常已经打开的开关。此功能类似于常闭 FORM B (NC) 继电器，当继电器线圈未通电时，触点已经闭合，并且需要电压源为继电器线圈通电以打开触点。耗尽型 EPAD MOSFET 是自然常开器件，当栅极上存在 0.0V 偏置时，传导通道已经存在。当 Vds 处于低电平时，所得导电通道的行为类似于电阻器。

但是，请注意，由于栅极的高输入阻抗，栅极电压可能会“浮动”到非零值。在实际电路中，希望将栅极接地、将固定电阻器连接到栅极或以其他方式控制栅极可用的电压。

B 型继电器和 EPAD MOSFET 阵列系列之间的主要区别在于 EPAD MOSFET 具有更高的导通电阻并在低电压 (<10v) 在使用零阈值 MOSFET 作为开关的情况下，信号可以通过适当的电路配置从 V+ 轨传递到 0.0V 轨。但是，除非可将相对于源极电压的负电压施加到栅极以关闭 EPAD MOSFET，否则无法关闭常开开关。

重新安排电路配置，零阈值MOSFET也可以用作高侧开关，它可以通过接近或处于V+电位的高电平信号。要打开这样的开关，将栅极连接到 V+ (Vg = V+)。假设 V+ 至少为 +0.4V，将栅极接地将关闭此开关。

同样，其他耗尽型 EPAD MOSFET 也可以用作高侧开关或常开开关，每个开关都有相应的常开导通电阻值和相应的关断电压。可以在所需的导通电阻与调制和/或打开和关闭开关所需的栅极电压之间进行权衡。

EPAD MOSFET 电流源和电流镜

显示了一个基本的电流源。许多使用传统 MOSFET 的电流源设计可以使用 EPAD MOSFET 系列来实现。下面提出两个值得讨论的特殊注意事项。

首先，通过使用低阈值增强型 EPAD MOSFET，例如 ALD110902(Vgs(th)= 0.20V 的双版本)，电流源开始在非常低的输出电压下运行。这种低输出电压扩展了电流源的有用输出电压范围。输出可以在较早的电压下开始提供(吸收)电流，从而扩大电流源的有用信号范围。此外，如果电流来自低电平电流源，则输出电压可以一直扩展到接近地电位。

其次，通过使用零阈值 MOSFET，例如 ALD110900(双通道，Vgs(th)=0.00V)，电流源可以在零电源电压下开始运行，其中 V+ = 0.0V。借助控制或调制电压，该电流源可配置为常开电流源，在输出端以 0.0V 开始吸电流，但也可通过外部施加的控制信号进行调制或关断。

低压 EPAD MOSFET 振荡器

另一个广泛使用的电路功能是 RC 振荡器，显示了一个低压 EPAD MOSFET RC 振荡器。在该电路中，U1A、U1B 和 U1C 与反馈电阻和电容网络 R4、Cosc 和 R5 构成基本的三级振荡器。振荡器工作在几赫兹到千赫兹的低频范围内。使用 U1D 作为输出缓冲级对输出进行分接和缓冲。输出级的电源由 Vl 提供。V1 可以是 V+ 或不同的值，具体取决于所需的输出高电平。如果 V1 处于不同的电压电平，则输出缓冲器也充当电平转换器。

使用低阈值增强型 EPAD MOSFET，例如 ALD110802(Vgs(th)= 0.20V 的四通道)，该振荡器的一个示例在低于 0.2V 的电源电压和低于 70nW 的功率下运行。

超低电压和毫微功耗 EPAD MOSFET 差分放大器

模拟设计中使用的关键电路之一是差分放大器电路。上一节中提到了使用 EPAD MOSFET 反相器的简单反相放大器。显示了使用 EPAD MOSFET 的基本极低工作电压差分放大器。可以设计使用各种低压 EPAD MOSFET 或零阈值 EPAD MOSFET 的这种基本差分放大器的不同版本，以降低工作电压或最大限度地减少功耗。一个示例是采用 EPAD MOSFET 设计的差分放大器，该放大器在 0.2V 的超电源电压下运行且功耗仅为 570 nW(纳瓦)。

这个基本的差分放大器由 3 个匹配对组成。U5 和 U6 是配对的，通过偏置电阻 Rb 连接到 V+。该匹配对的目的是为输入差分对 U3 和 U4 提供偏置。U1 和 U2 偏置在亚阈值区域，用作有源负载。该电路配置适用于许多不同的匹配对 Vgs(th) 组合，以及 V+、Rb 和输入/输出范围的各种组合。

差分放大器关键电路性能的权衡包括以下参数：

· V+ 标称值(具有最大和最小目标值)

· 功耗目标

· 输入电压范围

· 输出电压范围

· 输出驱动特性

· 操作频率

· 噪音表现

· 失调电压

这个基本的差分放大器虽然看起来不是很复杂，但它在亚阈值区域操作 EPAD MOSFET 器件是非常规的。因此，需要从不同的角度看待这些 EPAD MOSFET 晶体管如何在电路中偏置和使用。使用 EPAD MOSFET 阵列系列的不同成员，可以将各种可能的性能与每个不同的电路配置相关联。

出于说明目的，此差分放大器的主要目标集中在以直流或接近直流运行的超低电压和超低功率版本。实现的一些关键规格示例：

示例 A. 使用的产品：ALD110800、ALD110902

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

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

示例 B. 使用的产品：ALD110800、ALD110900

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

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

结论

本白皮书向读者提供有关如何使用此 EPAD MOSFET 阵列系列实现有用电路的理解和一些基本概念。对于经验丰富的设计人员来说，这里提到的 EPAD MOSFET 是传统增强型 MOSFET 的自然延伸，并且所有基于教科书的理论和方程式仍然适用，因此有很多熟悉之处。

很多以前用过的电路，在这里也可以很自然地延伸和应用。由于电压和电流范围向下限的扩展以及精确的阈值电压，新思维和重新审视许多旧电路及其相关设计配置问题可能是合适的。

EPAD MOSFET 阵列系列的超低电压和 NanoPower 特性以及它们如何在电路设计中进行偏置和使用可以使具有新颖电源的新产品成为可能。过去设计的许多电路现在可以自然地扩展到新的范围并与 ALD EPAD MOSFET 一起使用。这些产品系列开始为电路拓扑提供可能性，这些电路拓扑非常新颖，在某些情况下甚至是革命性的。