集成電路發(fā)展趨勢(shì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)終端的需求日益增長(zhǎng)，對(duì)便攜式設(shè)備與長(zhǎng)續(xù)航能力的追求促使低電壓和低功耗的芯片設(shè)計(jì)變得尤為重要。降低電路功耗而不犧牲其他性能指標(biāo)是設(shè)計(jì)中的一大挑戰(zhàn)。因此，想盡辦法”壓榨“電路中未能完全利用的電流，從而提高電流效率成為一種低功耗的設(shè)計(jì)思路。

折疊式共源共柵運(yùn)算放大器

圖1先看我們熟悉的折疊式共源共柵放大器，如圖1。其中M4、M5作為電流源均提供了ISS大小的電流。但M4、M5僅充當(dāng)電流源的角色，大電流的特點(diǎn)雖使得M4、M5本身有很大的跨導(dǎo)，但無法作用到增益上，造成電流的”浪費(fèi)“。

電流倍增技術(shù)

圖2

如圖2，該電路實(shí)現(xiàn)了電流倍增：M3-M6組成了兩對(duì)電流鏡，將電流倍增至K倍。如果單純通過這樣的電流鏡進(jìn)行倍增后，再接上后級(jí)負(fù)載，等效跨導(dǎo)確實(shí)大了，但這不是多了兩路K倍的電流嗎？功耗反而增大了 ......貌似好像沒什么用哦？別急，妙的在后面。

圖3

如圖3，稍微改一下輸入差分對(duì)M1、M2，把他倆拆成四個(gè)晶體管分別為M11、M12、M21、M22。現(xiàn)在，每個(gè)差分晶體管的電流均為ISS/4。再通過電流鏡將差分晶體管”耦合“起來，形成反饋。現(xiàn)在，M11、M21通過電流鏡實(shí)現(xiàn)了倍增了K倍的小信號(hào)電流，因此M11、M21的等效跨導(dǎo)也倍增了K倍。

圖4

但往往實(shí)際上不會(huì)使用圖3的接法(可以想想為什么)，比較好的是圖4的接法。嘶......這有區(qū)別嗎？兄dei你是不是放錯(cuò)圖了？看清楚咯，Vin1與Vin2接哪里去啦？終于看到了？沒錯(cuò)，這是一種交叉耦合的方式。同樣，M11、M21的等效跨導(dǎo)倍增了K倍。假設(shè)差分晶體管均具有相同的尺寸，并且設(shè)其自身跨導(dǎo)為gm，那么整個(gè)電路的等效跨導(dǎo)：

Gm=gm+K·gm=(1+K)·gm

沒有采用電流復(fù)用技術(shù)的原電路的跨導(dǎo)僅僅為2gm，而采用電流復(fù)用技術(shù)后，通過調(diào)整不同的電流鏡比例，可以實(shí)現(xiàn)不同倍數(shù)的等效跨導(dǎo)。假設(shè)取K=3，那么電路的等效跨導(dǎo)與原來相比倍增了2倍，而電路總的電流卻沒有變化，仍然是2ISS。所以說，電流復(fù)用技術(shù)提高了電路的電流效率，狠狠地"壓榨"電流！

當(dāng)然啦，這個(gè)電路最后有了增益帶寬積、轉(zhuǎn)換速率等等指標(biāo)的提升，但功耗沒有變化，代價(jià)就是電路的復(fù)雜程度上升、版圖面積增加、對(duì)匹配的要求更高等等。