使用超低電壓 MOSFET 陣列進(jìn)行設(shè)計(jì)，第四部分EPAD MOSFET 隔離和（二極管）鉗位介紹

許多電路需要將其輸入和輸入阻抗與輸出阻抗隔離，以便輸出負(fù)載不會(huì)干擾輸入信號(hào)。這有時(shí)可以通過(guò)使用晶體管緩沖器或運(yùn)算放大器緩沖器來(lái)實(shí)現(xiàn)，每種緩沖器都存在許多設(shè)計(jì)權(quán)衡。例如，使用 ALD110800 零閾值 MOSFET，可以提供這種隔離，同時(shí)提供偏置到與輸入電平范圍相同的電壓電平的電路輸出。這是零閾值 MOSFET 的基本能力。輸入和輸出電平也可以偏置在固定電壓附近，例如 0.0V。

在沒有 ALD110800 的情況下，設(shè)計(jì)輸入和輸出電平處于相同電平的應(yīng)用程序會(huì)很麻煩，并且需要許多組件和支持電路。在單位增益模式下使用運(yùn)算放大器可以完成這項(xiàng)工作，但也可能帶來(lái)許多與使用運(yùn)算放大器相關(guān)的缺點(diǎn)。當(dāng)其中一些缺點(diǎn)成為嚴(yán)重限制時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮使用更簡(jiǎn)單的分立 MOSFET 電路，例如 EPAD MOSFET。

另一種基本電路是二極管鉗位功能。對(duì)于此類應(yīng)用，可以考慮使用 ALD110902 或 ALD110900 EPAD MOSFET，它們分別在 +0.20V 或 0.00V 時(shí)開始傳導(dǎo)電流。由于這些 EPAD MOSFET 具有類似于二極管導(dǎo)通特性的高漏極電流與漏極電壓特性，因此可以通過(guò)連接漏極和柵極端子輕松構(gòu)建具有嚴(yán)格控制工作特性的二極管鉗位電路，如圖 4 所示。

EPAD MOSFET 逆變器和緩沖器

一個(gè)基本的 EPAD MOSFET 逆變器由一個(gè)電阻器或一個(gè) MOSFET 負(fù)載和一個(gè)作為逆變器的 EPAD MOSFET 組成。通過(guò)選擇具有不同 Vgs(th) 的器件，可以創(chuàng)建在超低電壓水平、超低功率水平或兩者兼有的情況下運(yùn)行的逆變器。具有各種 Vgs(th) 的電壓和功率電平的可能組合有無(wú)數(shù)種，選擇取決于電路的任務(wù)。

在圖 5A 中有幾個(gè)示例來(lái)說(shuō)明一些可能性。在第一個(gè)示例中，基本逆變器由僅為 200 mV 的 V+ 供電，I+(max) = 0.24 uA，假設(shè)占空比信號(hào)為 50%，平均功率約為 25 nW(納瓦)。此基本反相器的另一個(gè)示例將 Vgs(th) 更改為 0.4V，將負(fù)載電阻更改為 44MEG Ohm，使用相同的 200 mV 電源，產(chǎn)生 2.3 nA 的平均電流和 0.45 nW 的功率。

使用基本反相器作為緩沖器可在輸入和輸出之間提供高度隔離。逆變器的輸入偏置電流指定為典型值 5 pA 和最大值 30 pA。輸入電壓可以偏置在對(duì)輸入源方便的電平。例如，如果輸入源是 50 mV 峰峰值信號(hào)，以地電位為中心，則使用 ALD110800 零閾值 EPAD MOSFET 可能有助于消除輸入電平移位級(jí)以及此類中間級(jí)可能增加的相關(guān)噪聲和失真信號(hào)。在第二個(gè)示例中，輸入是調(diào)制信號(hào)，耗盡型 EPAD MOSFET 用于幫助將輸出偏置到所需的電壓電平和輸出阻抗。

基本緩沖器中的輸出電平可以設(shè)計(jì)為產(chǎn)生適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷悍秶糠址椒ㄊ鞘褂眠m當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻器并選擇 EPAD MOSFET 系列的特定成員。通過(guò)設(shè)計(jì)，輸出電壓可以偏置并轉(zhuǎn)換為任何電壓輸出電平和輸出擺幅范圍。

通過(guò)在線性區(qū)域偏置 EPAD MOSFET 晶體管，基本反相器還可以用作粗反相放大器。使用 ALD110802 (Vgs(th) = 0.2V) 或 ALD110800 (Vgs(th) = 0.0V) 等低閾值器件更容易實(shí)現(xiàn)這種反相放大器功能。作為建議偏置方案的示例，可以選擇輸出負(fù)載電阻器，以便在 Vin = 0.0V 時(shí)輸出電壓標(biāo)稱值為 V+/2。這種類型的反相放大器可以產(chǎn)生 5 倍到 12 倍的增益。

使用 EPAD MOSFET 的簡(jiǎn)單電壓源可以通過(guò)連接為源極跟隨器的 EPAD MOSFET 來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中輸出電流由漏源電流提供(圖 5B)。該電路類似于使用雙極晶體管的經(jīng)典射極跟隨器。在這種情況下，由于 MOSFET 的極高輸入阻抗，輸入(源)電壓及其源阻抗與輸出電壓和輸出電流完全隔離。阻抗轉(zhuǎn)換后的 Vout 和 Iout 僅取決于 EPAD MOSFET 的輸入電壓和輸出阻抗。

EPAD MOSFET 邏輯門

通過(guò)擴(kuò)展到基本反相器，可以使用 EPAD MOSFET 輕松實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的邏輯門，例如 NAND 和 NOR 門。雖然數(shù)字邏輯電路實(shí)現(xiàn)不是 EPAD MOSFET 系列的主要應(yīng)用重點(diǎn)，但在某些情況下，在 0.4V 或更低電源下運(yùn)行的非常規(guī)邏輯功能可能很有用。

在圖 6 和圖 7 中，EPAD MOSFET 系列器件配置為實(shí)現(xiàn)邏輯功能。單個(gè) EPAD MOSFET 四陣列可用于實(shí)現(xiàn)以復(fù)合配置連接的 NOR 和 NAND 門。圖 6 說(shuō)明了一個(gè)雙輸入 NOR 門，圖 7 說(shuō)明了一個(gè)雙輸入 NAND 門。

點(diǎn)擊放大

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設(shè)計(jì) EPAD MOSFET 邏輯的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是確定將為邏輯電路供電的可用 V+ 電源。當(dāng) V+ 電源電壓降至 400 mV 以下時(shí)，EPAD MOSFET 實(shí)際上可能始終處于相同的“關(guān)斷狀態(tài)”。它們偏向于亞閾值區(qū)域，無(wú)論是邏輯上的“1”狀態(tài)還是“0”狀態(tài)。

例如，考慮 200mV 電源和閾值為 0.20V (ALD110802) 的 EPAD MOSFET 的情況。在輸出“1”狀態(tài)下，輸出接近 0.2V，EPAD MOSFET 工作在亞閾值區(qū)域的低端，漏極電流約為 19nA。在輸出“0”狀態(tài)下，EPAD MOSFET 工作在亞閾值區(qū)的高端，漏極電壓接近 0.0V，漏極電流約為 230nA。當(dāng)連接多個(gè) EPAD MOSFET 以構(gòu)建邏輯門時(shí)，“0”狀態(tài)電流和電壓水平以及“1”狀態(tài)電流水平必須滿足所需的輸出電壓和工作溫度范圍標(biāo)準(zhǔn)。

任何電路配置中的漏極電流都取決于實(shí)際電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種邏輯門的工作頻率取決于工作電壓和“1”邏輯狀態(tài)與“0”邏輯狀態(tài)之間的電流切換量。

當(dāng)電源電壓降低到 0.2V 以下時(shí)，邏輯開關(guān)的可用電壓和電流裕度相應(yīng)降低，并且可以使用這種邏輯門的環(huán)境變得更加有限和關(guān)鍵。例如，在 0.1V 電源下，“1”和“0”狀態(tài)之間的電壓噪聲容限在第一反相器級(jí)之后下降到大約 50mV。然而，再經(jīng)過(guò)幾個(gè)反相器級(jí)后，該電壓噪聲容限逐漸下降至約 20 mV。

設(shè)計(jì)邏輯功能時(shí)要考慮的因素有：

* 閾值電壓和器件輸出容差

* 電源電壓容差

* 定義為“1”和“0”電平可接受的輸出電壓電平范圍

* 工作溫度范圍

* 邏輯級(jí)數(shù)和所需的噪聲容限