3. Проблемы проектирования микросхем с низковольтным питанием
Последние несколько лет источники питания с напряжением 5 В вытесняются более низковольтными. Требования к уменьшению рассеиваемой мощности и уменьшению числа батарей в таких приложениях, как беспроводные устройства связи и персональные компьютеры, привели к снижению напряжения питания в цифровых схемах до уровня 1,5 В. Эта тенденция была реализована в современных SiGe транзисторах, которые сконструированы так, чтобы обеспечить максимальную частоту среза (f1) в компромиссе с напряжением пробоя (Uпр). Для кремниевых транзисторов . Таким образом, малые размеры транзисторов, обеспечивающие высокие значения f1 (до 200 ГГц), привели к снижению напряжения питания микросхем.
Уменьшение напряжения питания Еп в цифровых биполярных схемах приводит к появлению новых проблем, и некоторые из них становятся особенно важными при напряжении питания менее 2 В. Принципиальная сложность уменьшения напряжения Еп состоит в том, что биполярный транзистор имеет фиксированное напряжение база-эмиттер Uбэ, которое не сокращается линейно с уменьшением технологических норм, так как
, (1)
где , Iк - ток коллектора; Is - обратный ток эмиттерного p-n перехода. При этом параметры транзистора и уровни тока оказывают слабое влияние на напряжение Uбэ. На практике плотность тока в биполярном транзисторе (Iк/Is), изменяя свое значение, также слабо влияет на напряжение Uбэ. Если в используемой технологии Uбэ =0,8 В, то применение 1,5 В источника питания приводит к тому, что между «землей» и шиной Еп не может быть включено больше, чем один переход база-эмиттер.
Другая трудность в проектировании низковольтных аналоговых и цифровых схем на биполярных транзисторах состоит в том, что значение амплитуды переключения в типичных ЭСЛ схемах не может определяться произвольно, а минимальное значение ограничено уровнем шума. Биполярная дифференциальная пара (дифференциальный каскад в структуре ЭСЛ) требует, чтобы уровень входного логического сигнала был как минимум 5,5т. В действительности же, к этому напряжению нужно еще добавить падение напряжения на сопротивлениях в эмиттерной цепи, а также остаточное напряжение при неполном переключении, ограниченном коэффициентом усиления по току, и падение напряжения на шинах питания. Все это приводит к тому, что минимальное напряжение переключения должно составлять несколько сотен милливольт.
Для того чтобы поддерживать высокую скорость работы транзисторов, они не должны входить в «тяжелый» режим насыщения. Это ограничение прямо воздействует на минимальное напряжение коллектор-эмиттер (Uкэ), которое тоже составляет примерно 400 мВ. Учитывая вышесказанное, а также численные значения напряжения Uбэ? 800 мВ, можно сделать вывод о том, что запрещается использовать многоярусные дифференциальные пары или каскодные конфигурации (архитектуры) при напряжении питания 1,5 В.
Таким образом, отсутствие возможности масштабирования напряжения на переходе база-эмиттер еще больше обостряет проблему дальнейшего масштабирования напряжения питания схем на биполярных транзисторах. Для КМОП транзисторов такой проблемы не существует в принципе, потому что их пороговое напряжение Uп может быть снижено на стадии производства.
На практике такие неидеальности КМОП транзисторов, как наличие проводимости, при отсутствии приложенного к затвору порогового напряжения (так называемая подпороговая проводимость), зависимость порогового напряжения от температуры, а также эффект короткого канала, приводят к тому, что необходимо для КМОП транзисторов установить пороговое напряжение, равное нескольким сот милливольтам. Это приближает их по статическим характеристикам к биполярным транзисторам.