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基于准浮栅的低功耗差分运算放大器 肖 明 吴玉广 董大伟 （西安电子科技大学微电子研究所，陕西西安 710071 ） 摘要：分析了准浮栅晶体管 PMOS 的工作原理、电学特性和等效电路，设计了一种电路结 构简单的共模反馈电路（CMFB）,实现了一个低压低功耗的差分运算放大器。采用 Chrt 0.35umCMOS 工艺库，在 Hspice 下仿真结果表明：在电源电压为 1.5V 时，运放的增益为 74.5dB，单位增益带宽为40.5MHz ，相位裕度为 65o ，静态功耗为 1.2mW。 关键词：准浮栅；差分运算放大器；共模反馈 一 引言 随着集成电路技术向超深亚微米技术的发展，以及便携式电子设备的广泛应用,集成电 路的功耗问题变得越来越突出。降低功耗最直接的办法是降低电源电压，但随着电源电压的 降低，当它接近 MOSFET 的阈值电压时，模拟集成电路设计就会变得非常复杂，传统的模拟 集成电路结构已不能满足设计要求，迫切需要开发新的技术和电路结构以满足电路在低电源 电压下正常工作。近年来，国外的一些研究者提出了基于多输入的浮栅晶体管的低压模拟集 成电路设计的新方法。根据准浮栅技术，本文设计了一种电路结构简单的共模反馈电路实现 了一个低压低功耗的差分运算放大器。采用Chrt 0.35umCMOS 工艺库，在 Hspice 下仿真结 果表明：在电源电压为 1.5V 时，运放的增益为 74.5dB，单位增益带宽为40.5MHz ，相位裕 度为 65o ，静态功耗为 1.2mW。 二 准浮栅 MOS 晶体管 多输入浮栅晶体管的工作原理是：把加在多个控制栅上的输入电压通过电容耦合到浮 栅，从而实现加权处理。这样就可以通过在一个输入端加某一固定电位，实现对另一输入端 阈值电压的调整。同时它也存在着非常严重的缺点：（1）电路的有效跨导和增益带宽积下 降。（2）浮栅晶体管在制造过程中不可避免地会在浮栅中引入静电荷，导致电路中引入非 常大的直流失调电压，引起电路性能下降。Angulo Jaime Ramirez等人基于标准的CMOS工艺 所提出的准浮栅技术非常好地解决了这个问题。 准浮栅 MOSFET 的结构同浮栅晶体管的结构非常类似，不同的是准浮栅 NMOSFET(PMOSFET)通过一个电阻值非常大的上拉或下拉电阻直接把浮栅接到电源或地， 从而解决了浮栅上的初始电荷问题。在集成电路工艺中制作大电阻是不经济的，需要消耗很 大的版图面积，而在 CMOS 电路中反偏的PN 结的漏电阻非常大，同时在 CMOS 工艺中制 作一个 PN 结是很容易实现的。因此，可以通过制作一个反偏的 PN 结与浮栅相连，这样既 减小了版图面积有减少了成本。图 1 给出了一个反偏 NMOSFET 与准浮栅 PMOSFET 相连 的三输入准浮栅晶体管的版图及其等效电路。 （a ）版图 （b ）等效电路 图 1 准浮栅 PMOS 的版图和等效电路图 根据图 1 （b ）所示的等效电路，浮栅电压VG ： V V ( sRC ) /(1=+sRC ) （1） G in T T 3 其中： C (∑C =+C +C +C +C ) T i gd gb gs gd i 1 3 V (∑CV =+C V +C V +C V ) / C (2) in i