使用超低電壓 MOSFET 陣列進(jìn)行設(shè)計(jì)，第一部分EPAD MOSFET器件介紹

在電路設(shè)計(jì)中追求更低的工作電壓和更低的功耗水平是一種趨勢(shì)，這給電氣工程師帶來(lái)了艱巨的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄冇龅搅嘶景雽?dǎo)體器件特性對(duì)他們施加的限制。長(zhǎng)期以來(lái)，工程師們一直將這些特性視為基本特性，并且可能阻礙了他們將可用電壓范圍最大化，否則會(huì)使新電路獲得成功。

現(xiàn)在，隨著具有電可編程閾值 (EPAD) 的 MOSFET 匹配對(duì)陣列的推出，模擬設(shè)計(jì)人員有了新的選擇。通常，設(shè)計(jì)人員要處理的關(guān)鍵限制之一是基本晶體管級(jí)的柵極閾值電壓。EPAD MOSFET 陣列引入的范例是現(xiàn)在可以精確控制柵極閾值電平，因此模擬設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以擺脫以前限制設(shè)計(jì)解決方案的一些限制。

本文旨在介紹 EPAD MOSFET。它描述了具有精確設(shè)置的柵極閾值電壓值的器件——包括零閾值模式、增強(qiáng)模式和耗盡模式。此外，還介紹了新穎的電路設(shè)計(jì)，以說(shuō)明如何在實(shí)際水平上使用這些設(shè)備。所提供的簡(jiǎn)短電路描述旨在激發(fā)思考電路設(shè)計(jì)的新方法，以及如何實(shí)施這些新設(shè)備以實(shí)現(xiàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)或極不可能實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。

一般說(shuō)明

EPAD MOSFET 配對(duì)陣列包括單片四/雙 N 溝道零閾值模式、增強(qiáng)模式和耗盡模式器件。這些 MOSFET 在出廠時(shí)已精確匹配。該產(chǎn)品系列提供嚴(yán)格控制的閾值電壓，范圍從 +1.40V 的增強(qiáng)模式值到 0.00V 的零閾值，再到 –3.50V 的耗盡值。嚴(yán)格控制閾值電壓可在極低的電壓和電流下實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)的晶體管操作。由于其獨(dú)特的特性，這些 MOSFET 可以解決以前沒(méi)有實(shí)際解決方案的范圍廣泛的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

該 MOSFET 陣列系列的一個(gè)獨(dú)特成員是零閾值 MOSFET。該器件與該產(chǎn)品系列的其他極低閾值電壓成員一起構(gòu)成了一類(lèi) MOSFET 器件，可實(shí)現(xiàn)超低電源電壓操作和毫微功耗小信號(hào)電路設(shè)計(jì)，適用于模擬或數(shù)字電路。在某些情況下，可以實(shí)現(xiàn)依賴于單個(gè)超低電壓和低功率電源的電路。

該產(chǎn)品系列提供三種不同的工作模式類(lèi)別，每種模式都提供一組截然不同的設(shè)備電氣規(guī)格和特性。ALD110800/ALD110900 產(chǎn)品是零閾值模式 EPAD MOSFET。ALD1108xx/ALD1109xx 產(chǎn)品是增強(qiáng)型 EPAD MOSFET，ALD1148xx/ALD1149xx 產(chǎn)品是耗盡型 EPAD MOSFET。

作為基本的電路設(shè)計(jì)構(gòu)建塊，該產(chǎn)品系列的每個(gè)成員都可以以多種方式應(yīng)用。每個(gè)產(chǎn)品類(lèi)別都可以實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)的不同應(yīng)用，并可能導(dǎo)致截然不同的終端電路及其相關(guān)性能特征。它們作為廣泛模擬應(yīng)用的設(shè)計(jì)組件特別通用，包括電流源和電流鏡、差分放大器輸入級(jí)、傳輸門(mén)和多路復(fù)用器。

“零閾值”模式設(shè)備

零閾值 MOSFET 是 EPAD MOSFET 系列中的一個(gè)特例，其中每個(gè) MOSFET 的單獨(dú)閾值電壓固定為零。這些器件的獨(dú)特之處在于使用電氣閾值設(shè)置來(lái)提供與傳統(tǒng) MOSFET 類(lèi)似的具有急劇關(guān)斷和極低泄漏特性的極低電壓開(kāi)關(guān)。

當(dāng)柵極電壓 Vgs=0.00V 時(shí)，零閾值電壓定義為 Ids =1μA @ Vds=0.1V。從技術(shù)上講，這些零閾值器件在高于閾值電壓和電流水平(>0.0V 和>1μA)時(shí)是增強(qiáng)型器件。但是，它也可以用作常開(kāi) MOSFET，因?yàn)樵撈骷趥鲗?dǎo)電流并且即使在柵極電壓為 0.0V 時(shí)也像固定電阻器一樣工作。柵極上的調(diào)制信號(hào)電壓可以調(diào)制漏極電流，甚至調(diào)制到負(fù)柵極電壓電平，降至約 –0.4V 的亞閾值電壓電平，此時(shí)晶體管完全關(guān)閉。

在信號(hào)以 GND 或 V+ 為參考的電路中，零閾值 MOSFET 可減少或消除輸入到輸出電壓電平偏移。此功能可顯著降低輸出信號(hào)電平與輸入電平的偏移，并擴(kuò)大工作信號(hào)范圍，尤其是對(duì)于極低工作電壓環(huán)境。使用零閾值器件，可以構(gòu)建具有多級(jí)的模擬電路以在極低的電源或偏置電壓電平下運(yùn)行。

增強(qiáng)模式設(shè)備

ALD1108xx/ALD1109xx 產(chǎn)品是增強(qiáng)型 EPAD MOSFET 器件，需要正偏置電壓才能開(kāi)啟。+1.50V、+0.80V、+0.20V 等精密閾值作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品提供。在零施加的柵極電壓下，源極和漏極之間不存在導(dǎo)電溝道。每個(gè)產(chǎn)品的閾值電壓電平都會(huì)影響電路偏置電壓和電流條件。不同產(chǎn)品成員的選擇會(huì)影響確定輸入或輸出信號(hào)電平所需的設(shè)計(jì)技術(shù)、可實(shí)現(xiàn)的電路類(lèi)型，以及在某些情況下系統(tǒng)的工作電源電壓。閾值電壓的精度有利于依靠具有嚴(yán)格設(shè)計(jì)公差裕度的可重復(fù)電氣特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種精確的閾值電壓特性使設(shè)計(jì)能夠簡(jiǎn)化或降低設(shè)計(jì)以及后續(xù)電路階段的電路復(fù)雜性。在某些情況下，電源電壓和電源電流也可以大大降低。

耗盡型器件

ALD1148xx/ALD1149xx產(chǎn)品為耗盡型EPAD MOSFET，當(dāng)柵極偏置電壓為0.0V時(shí)為常導(dǎo)通器件。耗盡模式閾值電壓處于 MOSFET 器件關(guān)閉時(shí)的負(fù)電壓。提供 –0.40V、-1.30V 和 –3.50V 等負(fù)閾值。在沒(méi)有電源電壓且 Vgs = 0.0V 的情況下，這些 EPAD MOSFET 器件已經(jīng)開(kāi)啟，并在源極和漏極端子之間表現(xiàn)出受控的導(dǎo)通電阻。

ALD1148xx/ALD1149xx 是獨(dú)一無(wú)二的，不同于大多數(shù)其他耗盡型 MOSFET 和某些類(lèi)型的 JFET，因?yàn)樗鼈兙哂袊?yán)格控制的性能特性，并且不會(huì)表現(xiàn)出控制不佳的漏電流和結(jié)漏電流。當(dāng)負(fù)信號(hào)電壓施加到柵極端子時(shí)，設(shè)計(jì)人員/用戶可以依賴于 EPAD MOSFET 器件可以在精確電壓下進(jìn)行控制、調(diào)制和關(guān)閉這一事實(shí)。

對(duì)于這些器件，導(dǎo)電通道的控制類(lèi)似于增強(qiáng)型 EPAD MOSFET，只是閾值電壓線性偏移固定的負(fù)量。這種固定電壓偏移已通過(guò) ALD 的 EPAD 技術(shù)在制造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)。最終結(jié)果是具有嚴(yán)格控制的性能特性的精密閾值電壓耗盡型 EPAD MOSFET。

這些耗盡型 EPAD MOSFET 器件可以在柵極電壓的控制下以與增強(qiáng)型 EPAD MOSFET 相同的方式進(jìn)行調(diào)制和關(guān)斷。在閾值電壓線性偏移的情況下，柵極控制電壓也必須相對(duì)于閾值電壓偏移相應(yīng)地偏移，以便開(kāi)啟、調(diào)制或關(guān)閉特定的耗盡型 EPAD MOSFET 器件。