Могут ли транзисторные схемы работать в субпороговом диапазоне напряжений?

Ответ на поставленный вопрос достаточно прост: да, могут. Некоторые транзисторы способны работать с напряжениями менее 0,9 В. Это позволяет добиваться совершенно фантастических показателей потребления. Например, ток потребления микросхемы часов реального времени (RTC) не превышает 14 нА
2088
В избранное

Некоторые аспекты работы транзисторов

Чаще всего транзисторы работают в ключевом режиме. Если управляющее напряжение на затворе превысит определенное пороговое напряжение, транзистор включается и начинает проводить ток. Однако небольшие токи утечки присутствуют, даже когда транзистор находится в выключенном состоянии.

Сейчас транзисторы используются практически во всех электронных устройствах и являются основой электронных схем. В то же время обеспечение минимального потребления крайне желательно для приложений с батарейным питанием, в частности для смартфонов, носимой электроники, IoT-устройств и т.д.

Существует несколько способов снижения уровня потребления. Например, при отсутствии активности устройство можно либо полностью отключать, либо переводить в режим ожидания, либо активировать один из спящих режимов. Тип спящего режима выбирается исходя из того, как быстро устройство должно просыпаться и возвращаться в активное состояние. Таким образом, удается минимизировать динамические потери.

Другой способ сокращения динамических потерь заключается в уменьшении потерь на переключения за счет снижения паразитных емкостей транзисторов, ограничения рабочей частоты или уменьшения рабочего напряжения.

Рассмотрим эффективность снижения напряжения питания. Общие потери мощности определяются суммой динамических и статических потерь (рис. 1):

PTotal = PD + PS,

где (PS) – статическая мощность, потребляемая при отсутствии переключений.

Статическая мощность определяется током утечки и рабочим напряжением:

P = V • I,

где V – рабочее напряжение, I – ток утечки.

Уровень динамических потерь оказывается пропорциональным квадрату рабочего напряжения и может быть рассчитан по формуле:

PD = ½ C • V2 • A • f,

где C - емкость, V - рабочее напряжение, A - фактор активности, f - частота (или тактовая частота).

При увеличении рабочего напряжения вклад динамических потерь возрастаетРис. 1. При увеличении рабочего напряжения вклад динамических потерь возрастает

В итоге, рабочее напряжение сильно влияет на общий уровень потерь. Вместе с тем уменьшение рабочего напряжения приводит к возникновению некоторых проблем.

В течение долгого времени уровень напряжения снижался, сначала с 5 В до 3,3 В, а позднее и до 1,8 В. Сейчас некоторые интегральные микросхемы работают с напряжениями всего 0,9 В. Однако при этом разница между логической единицей «1» и логическим нулем «0» оказывается минимальной. Таким образом, на первое место выходит проблема защиты от помех.

Кроме того, при снижении рабочего напряжения быстродействие и производительность микросхем также падает.

Использование субпорогового диапазона подразумевает, что микросхемы работают с напряжениями, которые не превышают пороговые напряжения транзисторов. То есть транзисторы никогда не включаются. Тем не менее, даже при нахождении транзистора в выключенном состоянии удается сформировать логические состояния «0» и «1». Как это возможно?

Другой способ использования модели транзистора

Математическая модель транзистора является основополагающим элементом при разработке интегральных микросхем. Вместе с тем традиционные модели уделяют основное внимание диапазону высоких напряжений. Конечно, они описывают работу транзисторов и в диапазоне низких напряжений, однако это описание не вполне соответствует реальности. В частности реальная ВАХ транзистора в субпороговом диапазоне оказывается нелинейной.

Точные модели очень хорошо имитируют поведение транзистора во включенном состоянии, но мало кого заботит поведение транзистора в выключенном состоянии, особенно если токи утечки оказываются незначительными. Зачем вообще нужно точно моделировать поведение выключенного транзистора? Дело в том, что при работе в субпороговом диапазоне ток транзистора сильно зависит от напряжения (рис. 2).

Рис. 2. Традиционные математические модели плохо описывают работу в субпороговом диапазоне напряжений, так как эта область соответствует «выключенному» состоянию транзистора

Рис. 2. Традиционные математические модели плохо описывают работу в субпороговом диапазоне напряжений, так как эта область соответствует «выключенному» состоянию транзистора.

Она мало интересует разработчиков до тех пор, пока ток утечки остается низким. Обратите внимание, что область, отмеченная как «неполное соответствие модели», соответствует интересующему нас диапазону субпороговых напряжений. 

Если при разработке большинства современных схем используется моделирование и симуляция, то возможно ли спроектировать схему, основанную на моделях, точно описывающих поведение транзисторов в субпороговом диапазоне напряжений? Ответ достаточно прозаичен: да, возможно. Однако для этого потребуется совершенно новый подход к проектированию и новые модели транзисторов. Кроме того, необходимо обеспечить работу с очень маленькими токами, которые экспоненциально зависят от напряжения.

Рис. 3. Соотношение токов во «включенном» и в «выключенном» состоянии в субпороговом диапазоне оказывается в тысячи раз меньше, чем соотношение токов при работе в стандартном режимеРис. 3. Соотношение токов во «включенном» и в «выключенном» состоянии в субпороговом диапазоне оказывается в тысячи раз меньше, чем соотношение токов при работе в стандартном режиме.

Математические модели, которые точно описывают работу в этой области, позволяют создавать схемы с очень низким уровнем потребления.

Еще одной проблемой при работе в субпороговом диапазоне становится сильная температурная зависимость. Исследователи из Мичиганского университета, которые позднее образовали компанию Ambiq Micro, начали заниматься субпороговыми схемами еще в 2004 году. С тех пор компания Ambiq Micro смогла решить множество проблем, возникавших при работе в субпороговом диапазоне.

Субпороговая технология SPOT (Subbreshold Power Optimized Technology) от компании Ambiq Micro решает все проблемы, которые возникают при работе в области «выключенного» состояния транзисторов. Ambiq Micro потратила несколько лет на интенсивное исследование поведения транзисторов в субпороговом диапазоне. В результате многие аналоговые и цифровые схемы были создана с нуля, а многие были модифицированы для работы с низкими напряжениями.

Как заявляет Ambiq Micro: «Схемы Ambiq Micro успешны, потому что они используют различные технологии в составе одной и той же микросхемы. Нет волшебной формулы, которая позволяла бы определить в какой части ИС следует использовать ту или иную технологию. Создание микросхем требует эффективной конструкторской работы и поиска оптимальных решений для обеспечения требуемой производительности и минимального потребления при сохранении разумной площади кристалла и конечной стоимости». Стратегия проектирования любой ИС заключается в использовании субпороговых схем там, где это имеет смысл, например, при реализации энергонезависимой памяти и схем передачи данных, если они используются только при включении питания, а потом отключаются.

С помощью субпороговой технологии SPOT компания Ambiq Micro создала различные микросхемы, которые характеризуются такой же надежностью и длительностью службы, как и традиционные ИС. Работа транзисторов в субпороговом диапазоне означает, что микросхемы от Ambiq Micro могут обеспечивать такой же функционал, как и обычные ИС, но затрачивать гораздо меньше энергии. При этом субпороговая технология может применяться практически в любой интегральной схеме.

Сравнение позиций

  • ()