CMOS集成电路中电压摆幅和电压余度

Posted 2022-02-09 硬件老钢丝

  在学习CMOS集成电路时，总会遇到电压余度和电压摆幅这两个概念下面进行一个简单的介绍。文字来源

  电压余度（Voltage headroom）是电路内部消耗掉的电压降，不能被转化为output voltage swing 的部分，通常这部分电压降是用来维持working transistors，让他们处于saturation region。In saturation region, Vgs-Vth(overdrive voltage) < Vds，每个working transistor 的Vds 都贡献 voltage headroom。我们需要Vds 比Vgs-Vth 大，通常Vth是确定的，假设Vgs-Vth被设定在0.2V 左右，Vds通常都得大于0.2V。比如说三个MOS transistor 串联，每个需要0.2V的 Vds，那么voltage headroom就是0.2*3 = 0.6V，如果Vdd=1.5V，那么最大的Output voltage swing 就只有 0.9V。一般来说voltage headroom对于low supply voltage case 比较重要，因为要在Vdd比较小的状态下，减小headroom，增大output swing。

  电源电压和输出电压所能达到的最大值之间的差值，就是电压余度。例如二极管连接（diode-connected MOS）做负载，输出电压达不到Vdd，而是Vdd-Vth，这个Vth就是电压余度。而线性负载或是电阻消耗的电压余度为0，也就是说输出电压可以达到Vdd。电压余度与输出电压所能达到的最大值相加就是电源电压，电路消耗的电压余度越大，输出摆幅也就越小。

  更加清楚的解释就是输出电压所能达到的最大值与电路电源之间的差值，这就是电压余度。由于二极管连接的负载的电压损耗，输出电压往往达不到Vdd,而是Vdd-Vth，这个Vth就是电压余度，也叫做阈值损失，而线性负载或是电阻的消耗的电压余度就为0，也就是说输出电压可以达到Vdd。不知道这样解释解释清楚没有，电压余度与输出电压所能达到的最大值相加就是电源电压，也就是电路消耗的电压余度越大，输出摆幅也就越小