闲聊低电压模拟芯片设计技巧

时间： 2024-11-20 来源：SLKOR官网

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低电压模拟电路设计技术的核心是要在尽可能低的电源电压下，实现高效的模拟信号处理。这种设计思路主要受到移动设备、植入式医疗设备等应用场景的需求驱动。由于这些设备的空间和能量资源有限，工程师们需要找到能够在低电压（如3V以下）下高效工作的电路设计方法。

1. 技术选择与工艺背景

低电压设计首先受到半导体工艺的限制。在标准的CMOS工艺中，晶体管的阈值电压不会随工艺尺寸缩小而成比例降低，这使得在低电压下工作变得具有挑战性。多阈值工艺、BiCMOS以及SOI（硅绝缘）技术可以在一定程度上克服这些限制，但通常成本较高。简单地说，如果工艺选择得当，工程师可以在低电压下实现较好的电路性能，但需要权衡成本和复杂性。

2. 全区一体化晶体管模型

通常，晶体管在不同的偏置电压下会呈现弱反型、强反型等不同的工作区域，每个区域都有不同的特性。例如，弱反型区域适合低功耗设计，但频率响应较差，而强反型则能提供较好的速度，但耗电量较大。因此，工程师们开发了“一体化模型”，这个模型可以在所有工作区间内提供连续的性能指标，从而帮助设计工程师更轻松地优化电路性能，在功耗、频率响应和面积之间找到最佳平衡。

3. 降低电源需求的电路策略

在低电压环境中，传统的级联结构由于“电压余量”不足而难以实现。级联结构类似于“高楼”，通过“堆叠”晶体管来提高输出阻抗，但在低电压下无法叠加。相反，工程师们采用“水平扩展”的策略，用更简单的非级联结构来实现高增益。这有点像在地面上建多层平房，而不是高楼，这样既节省电压余量，又确保电路稳定。

4. 全差分和平衡结构

在低电压设计中，全差分或平衡电路结构被广泛应用，因为它们具有更好的抗共模干扰（CMRR）和电源抑制比（PSRR），并且能够扩大信号摆幅。可以把它比作“桥梁的两边各行车道”的设计，电流可以更高效、更平稳地流过桥梁，避免了单边行车带来的干扰和不稳定。

5. 低电压下的关键构建模块

低电压设计的核心模块包括电流镜、差分对和Class AB输出结构等，它们是低电压电路的基础单元。例如，电流镜在低电压下需要创新设计以保证稳定的输出，而差分对则用于提高信号的线性度。这些基础模块就像乐高积木，通过不同的拼接组合，可以实现各种功能复杂的电路。

6. 特殊晶体管技术

在低电压下，传统晶体管的驱动电压不足以有效工作，因此采用了两种特殊技术——体驱动和浮栅技术：

体驱动MOSFET：它通过将信号输入到晶体管的衬底（bulk）而不是栅极（gate），类似于给房间增加另一个门，提升了低电压下的性能，但同时降低了增益和频率响应。

浮栅MOSFET：这种结构可以在多个输入端与浮动的栅极之间建立电容耦合，实现有效的信号控制，类似于用“遥控器”调节晶体管的工作状态，以节省电源电压需求。

7. 多级频率补偿

低电压多级放大器通常需要特别的频率补偿策略，以确保电路的稳定性。由于多级电路中会出现多个频率极点，这些极点可能导致系统不稳定，因此通过巧妙地调节极点和零点的位置，使电路在闭环状态下保持稳定。可以把频率补偿想象成一个多层过滤系统，逐级去除不必要的噪声，使信号清晰、稳定地传递到输出端。

8. 动态范围的挑战

在低电压环境中，由于信号摆幅和电源电压都减小，电路的动态范围会下降。工程师们通过改进电路设计，努力确保信号的最大摆幅在给定的噪声限制内。这有点类似于减少音量限制下，力求在不失真的前提下获得最佳的音质。

9. 低电压开关电容电路

在低电压下实现开关电容电路也非常具有挑战性，尤其是在信号路径中驱动关键开关时。常用的解决方案包括使用低阈值MOS器件、时钟电压倍增或开关运放技术，但它们各有局限，例如成本较高、频率响应受限等。

小结一下，低电压模拟电路设计是一个在电压、功耗、频率响应和面积等多个维度上取得平衡的过程。工程师们通过创新设计方法，例如一体化晶体管模型、体驱动和浮栅技术、多级频率补偿等，不断克服低电压环境中的种种挑战。

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2022/10/9 - SLKOR - 选型指南代理服务技术支持采购服务

SLKOR（萨科微）专业从事功率元器件的设计、生产和销售。技术骨干来自Infineon英飞凌、三菱、IR、TI德州仪器、ONSEMI安森美等同行业技术领先企业，主要生产MOS场效应管、COOLMOS、电源管理IC、FRD、霍尔hall元件、SCR、IGBT单管、SiC元器件等。

SIC碳化硅器件高压MOS管中低压MOS管 COOLMOS 碳化硅场效应管碳化硅肖特基二极管场效应管 TVS瞬态抑制二极管 ESD防静电二极管超结场效应管 IGBT单管 IGBT/SIC模块二极管三极管肖特基二极管线性稳压器LDO 霍尔传感器开关二极管可控硅单向可控硅双向可控硅整流桥通用二极管 DC-DC电源芯片驱动IC IC集成电路快恢复二极管电池管理IC 光耦光电二极管运算放大器 RS232芯片达林顿管电压基准芯片开关电源芯片

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Slkor‘s Zener Diode 1SMAF4733A with 5.1V Nominal Voltage and Broad Voltage Regulation Range, A New Choice for Voltage Regulation

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2024-12-21 - 产品代理服务技术支持采购服务

SLKOR SL44E-9 High-performance Hall Sensor with a Working Voltage of up to 60V and IDD Current of 40mA

The SL44E-9 can withstand a working voltage of up to 60V, allowing it to operate stably under a wider range of power conditions, such as high-voltage grid monitoring, electric vehicle charging stations, or other high-voltage applications. Its static current of 40mA balances power consumption and performance requirements.

2023-11-27 - 产品代理服务技术支持采购服务

SLKOR（萨科微）功率器件/二极管/三极管/电源管理芯片/霍尔传感器/光耦选型指南

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2022/10/9 - SLKOR - 选型指南代理服务技术支持采购服务

Slkor‘s Zener Diode BZT52B4V3S: The Nominal Voltage is Set at 4.3V and with a Power Rating of 200mW

With the rapid development of semiconductor technology, Zener diodes have become essential components in electronic circuits. Their unique voltage regulation properties provide crucial support for the stable operation of electronic devices. This article will focus on the BZT52B4V3S Zener diode, delving into its parameter characteristics and exploring its broad application prospects in the electronics field.

2024-12-17 - 产品代理服务技术支持采购服务

【IC】SLKOR推出高性能DC-DC稳压电源变换器LM2596S-5.0，内置频率补偿模块，满足多领域应用需求

LM2596S-5.0是萨科微半导体产品中一款具有优秀特性的高性能DC-DC稳压电源变换器，它属于LM2596/LM2596HV系列产品。该产品的输出电压为5V，适用于许多电子设备和应用场景。

2023-11-21 - 产品代理服务技术支持采购服务

SLKOR-霍尔传感器选型表

SLKOR提供如下参数的霍尔传感器选型,VDD(V):1.6~5.5,IDD(A):1.6及3.3,FO(Hz):5和20及多种封装形式,如SOT-23,TO-92S和SOT-523不等

产品型号	品类	Polarity	VDD(V)	IDD(A)	TA(℃)	BOP(Gs)	BRP(Gs)	FO(Hz)	Output Type	Package
SL1603TH	霍尔传感器	全极	1.6~5.5	3.3	-40～85	±46	±34	20	CMOS	SOT-23

选型表 - SLKOR 立即选型

Slkor‘s BZT52B12S Zener Diode: The Perfect Combination of Voltage Regulation and Efficiency

The BZT52B12S, as a high-performance Zener diode, has broad application prospects and immense development potential in the semiconductor industry. This article will delve into the BZT52B12S Zener diode, analyzing its parameters to further uncover its potential and value in the electronics field.

2024-12-17 - 产品代理服务技术支持采购服务

SLKOR-可控硅选型表

SLKOR提供如下参数的可控硅选型,Vᴅʀᴍ(V):400~1600,Iᴛ₍ʀᴍs)(A):0.8~80,Vɢᴛ(V):0.7~1.5及多种不同的封装选择,如TO-220,TO-3P和ITO-247不等

产品型号	品类	Vᴅʀᴍ(V)	Iᴛ₍ʀᴍs)(A)	Iɢᴛ(μA)	Vɢᴛ(V)	Tᴊ(℃)	Package
MCR100-6	单向可控硅	400	0.8	≤200	0.7~0.8	125	TO-92/SOT-23

选型表 - SLKOR 立即选型

SLKOR三极管选型表

SLKOR提供如下参数的三极管选型,Iᴄ(A):-3~5;Vᴄʙᴏ(V):-500~700,Vᴄᴇᴏ(V):-400~450及多种不同的封装尺寸,如:SOT-23,SOT-363和SOT-89不等

产品型号	品类	Polarity	Iᴄ(A)	Vᴄʙᴏ(V)	Vᴄᴇᴏ(V)	Vᴇʙᴏ(V)	Vᴄᴇ(sat)(V)	Package
S8050	三极管	NPN	0.5	40	25	5	0.6	SOT-23/TO-92

选型表 - SLKOR 立即选型

Slkor‘s BZX84C3V9 Zener Diode: with 3.9V Nominal Voltage, The Art of Precision Voltage Management

This article will delve into a Zener diode that has proven its exceptional performance in voltage regulation—the BZX84C3V9. With its precise voltage regulation, efficient power control, and ultra-low reverse current, it offers engineers a reliable tool for their designs.

2024-12-10 - 产品代理服务技术支持采购服务