亚阈值电流存储电路设计

用于低功耗模数转换器的亚阈值电流存储电路设计

摘要

本文提出，为了降低模数转换器（ADC）的功耗，电流存储电路应在亚阈值区域工作。
用于存储模拟信号的采样信息并传递到下一阶段时，使用电流存储电路。当需要传输已存储的模拟信号采样信息时，即使用电流存储电路。所设计电路的电源电压为1.2V，以实现亚阈值区的操作。在仿真中使用的晶体管采用台积电0.35 μm工艺的BSIM3模型。根据最小化时钟馈通效应的设计条件，该电路设计为开关MOSFET宽度 1 μm、伪MOSFET宽度8.82 μm以及记忆MOSFET宽度 2 μm。从仿真结果可知，在亚阈值操作下，电流存储电路的记忆时间为0.5毫秒。
所设计的亚阈值电流存储电路的功耗为11.17 μW。
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1. 引言

随着多媒体实现技术的发展，信号处理的计算量不断增加，需要使用高速数字信号处理器（DSP）。为了使模拟信号能够用于数字信号处理器（DSP），必须使用模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号[1,17]。然而，模数转换器（ADC）在更高频率下会消耗大量功率。电流模式电路由于其在高频时具有恒定功耗的特性，因此具备优势特性显示功率恒定，不随频率变化而改变[6,7]。

图1展示了电流模式电路和电压模式电路在DSP操作下根据频率的功率比较的概念图。横轴表示频率，纵轴表示功率。在图1中，电流模式电路在低频操作下的功耗大于电压模式DSP电路[16]。
因此，在本文稿中，将MOSFET在亚阈值区的工作状态应用于低频下超动态电压系统（UDVS）[8]中模数转换器的低功耗电流存储电路。亚阈值MOSFET的工作是指在MOSFET的栅极电压低于阈值电压的亚阈值区操作电路，以降低电源电压。
设计的电流存储电路被设计为能够在UDVS下工作[13,15]。已验证其可在采样电路中于2千赫兹的低频下正常工作。
用于演示低频下低功耗消耗效果的模数转换器。在第2节中，本文解释了MOSFET的亚阈值区。在第3节中，解释了亚阈值电流存储电路的操作。在第4节中，说明了使用伪MOSFET以最小化电流存储电路中时钟馈通的亚阈值电流存储电路的计算机仿真结果。最后，在第5节中，给出了结论[4,11]。

2. MOSFET的亚阈值区域

图2显示了 IDS电流随MOSFET栅极电压变化的特性，其中共享了MOSFET的亚阈值区域。横轴表示栅极电压的变化，纵轴表示IDS电流的变化。该图采用台积电0.35 μm工艺的BSIM3 N‐MOSFET模型，沟道宽度为 2 μm。当IDS电流为5.7 μA时，阈值电压定义为0.8 V。VGS–ID曲线的斜率由VDS、电子迁移率、Cox以及MOSFET的宽度等物理参数决定。
当VGS低于阈值电压时，电流被忽略。然而，在阈值电压以下的区域中仍有微小电流流动，此时MOSFET处于操作[2]状态。
Eq.(1)显示了MOSFET在亚阈值区域的电流方程。
$$ I_{D:\text{sub-threshold}} = I_o \exp\left(\frac{V_{GS} - V_{TH}}{\eta V_T}\right) $$
其中$ V_{GS} $为栅极电压，$ V_{TH} $为阈值电压，$ V_T $为热电压，$ \eta $为亚阈值斜率因子。公式(2)显示了当施加$ V_{DS} $时亚阈值区的电流方程。
$$ I_{D:\text{sub-threshold}} = I_o \exp\left(\frac{V_{GS} - V_{TH}}{\eta V_T}\right)\left(1 - \exp\left(-\frac{V_{TH}}{V_T}\right)\right) $$
式（3）显示了Io在式（1）和（2）中使用的。
$$ I_o = \mu_o C_{ox} \frac{W}{L} (\eta - 1)^2 V_T^2 $$
其中$\mu_o$是电子迁移率，$C_{ox}$是氧化层电容。
通过公式(3)可知，亚阈值区的电流并不为零（0）。因此，通过在低于MOSFET阈值电压的亚阈值区运行电路，可以实现超低压系统[5]。

3. 亚阈值电流存储电路的操作和问题

电流存储电路的操作通过应用电流镜电路[9]的基本电路来设计。

图3展示了使用电流镜电路的电流存储电路。电荷存储在电流存储MOSFET （MM）的寄生电容中，该电流存储电路通过跟踪模式、保持模式和输出模式的开关操作实现存储操作[3,10]。

图4显示了利用MOSFET在亚阈值区域中的工作来实现的电流存储电路的框图。输入信号由约0.3倍偏置电流的30纳安提供。

图5显示了理想亚阈值电流存储电路的输出波形。横轴表示时间，纵轴表示电流。图4中测试点1的电流应在延迟0.5ms后，在TP2、TP3处测量到相同大小的电流。然而，其性能电流存储的性能因时钟馈通[12,14]而降低。在电流存储电路中，时钟馈通是指存储在MM电容中的电荷泄漏到寄生电容[4]的现象。这是亚阈值区MOSFET电流存储电路进行低功耗操作时的一个关键问题。

4. 使用伪MOSFET的亚阈值电流存储电路设计

作为本文稿中时钟馈通问题的解决方案，考虑了伪MOSFET（MD）的连接。
使用MD的亚阈值电流存储电路。(b) 通过MD对时钟馈通的调节操作。)

图6(a) 显示了与开关MOSFET MD连接的（MS）的电路。栅极电压设计为反向供给MS和MD。
图6（b）显示了由MD的寄生电容和MS的寄生电容（CGD）引起的电荷偏移效应。因此，必须通过合理设计MS与MD的宽度比例关系，以最小化时钟馈通。

图7展示了使用 MD来减小时钟馈通的亚阈值电流存储电路的框图。偏置电压被提供给亚阈值区，以实现电流存储电路的低功耗操作。输入信号为约30 nA，约为偏置电流的0.3倍。实验方法在TP1n处延迟0.5毫秒后测量TP2n和TP3n。此时，通过控制MD的宽度来寻找电流存储的最佳设计点，因为电流存储性能受到时钟馈通[7,11]的影响而降低。

SW1 宽度 [μm]	SW2 宽度 [μm]	MM 宽度 [μm]	MD 宽度 [μm]	TP2 电流 [nA]	TP3 电流 [nA]	TP2 偏移 [nA]	TP3 偏移 [nA]
1	1	2	8.4	17.9	18.4	2.5	2
1	1	2	8.6	19.6	19.8	0.8	0.6
1	1	2	8.7	19.7	19.9	0.7	0.5
1	1	2	8.75	20	20.1	0.4	0.3
1	1	2	8.8	20.2	20.3	0.2	0.1
1	1	2	8.82	20.4	20.4	0	0
1	1	2	8.85	20.5	20.7	-0.1	-0.3
1	1	2	8.95	21.2	21.1	-0.8	-0.7
1	1	2	9	21.5	21.4	-1.1	-1
1	1	2	9.05	21.8	21.7	-1.4	-1.3
1	1	2	9.1	22.1	22	-1.7	-1.6

表1 MD 的宽度对TP2n和TP3n电流值的影响

图8显示TP处偏移电流随2n、TP3n以及MD的宽度的变化情况。横轴表示MD的宽度，纵轴表示输出信号与输入信号的偏移电流。偏移电流为零（0），意味着输入信号和输出信号相同。也就是说，通过最小化时钟馈通的影响，电流存储性能意味着最佳设计点。所设计的亚阈值电流存储电路在MM的宽度为 2 μm、MS 的宽度为 1 μm以及MD的宽度为8.82 μm时达到最佳设计点。

图9显示了使用 MD 宽度为8.82 μm的亚阈值电流存储电路的仿真结果。横轴表示时间，纵轴表示电流。仿真结果表明，当施加MD的最佳宽度时，亚阈值电流存储电路的操作能够最小化时钟馈通的影响。

图10展示了亚阈值电流存储电路的布局。有源区尺寸为0.11 毫米 × 0.02 毫米。

5. 结论

在本文稿中，利用MOSFET在亚阈值区域的电流操作，实现了用于低频超动态电压系统中模数转换器低功耗的电流存储电路。
设计的电路在2千赫兹的低频下运行，用于验证模数转换器采样电路在低频下的低功耗效果。
根据仿真结果，当记忆时间为0.5毫秒时，亚阈值电流存储在MM宽度为 2 μm、MS宽度为 1 μm、MD宽度为8.82 μm的设计条件下可正常工作。所设计的亚阈值电流存储电路的功耗评估为11.17 μW。在同一电流存储电路中，当工作于近阈值区域时，功耗评估为85.9 μW。
与近阈值相比，亚阈值区的电流存储电路工作在低功耗状态，其功耗降低率约为87%。本研究结果可为低功耗模数转换器电路设计提供有用的指导原则。