文章导读

在生物医学植入式设备、环境监测传感器等超低功耗场景中，模拟电路需要在亚1V电压下实现高精度信号处理。传统栅极驱动运算跨导放大器 (OTA) 在低压供电时面临增益骤降、噪声恶化等挑战，而现有体驱动技术虽能缓解输入范围受限问题，却因跨导衰减严重导致带宽和能效不足。当前研究多聚焦于复杂补偿或工艺优化，但往往以牺牲面积或稳定性为代价。

来自意大利卡塔尼亚大学的Alfio Dario Grasso教授团队，在 Journal of Low Power Electronics and Applications 上发表了一篇题为“A 0.6 V Bulk-Driven Class-AB Two-Stage OTA with Non-Tailed Differential Pair”的研究论文，提出一种新型无尾电流源差分对架构，结合局部正反馈增强与动态偏置技术，在标准CMOS工艺上实现了0.6 V供电下性能均衡的OTA设计。

研究内容

无尾差分对跨导增强

传统体驱动输入级因缺少尾电流源导致共模抑制能力下降，该研究通过交叉耦合PMOS晶体管构建自偏置正反馈环路。该结构在消除尾电流源面积开销的同时，利用晶体管体效应与栅极电位的协同调控，将等效跨导提升至传统体驱动方案的88倍。仿真数据显示，输入级跨导从3.98 μA/V跃升至350 μA/V，且环路稳定性通过精确的反馈系数控制 (α < 0.9) 得以保障。

两级动态协同设计

第一级采用高增益电流镜负载，将跨导增强转化为电压信号的线性放大；第二级创新性地引入准浮栅AB类输出级，通过电阻-电容网络建立“动态虚拟地”。这种设计使输出级静态电流稳定在180 nA超低水平，而在瞬态响应时，电容储能效应可瞬时释放数倍于静态值的驱动电流，实测正负摆率分别达到2.45 V/μs和6.61 V/μs，较传统Class A结构提升36倍。

稳定性与功耗的协同优化

针对两级OTA固有的稳定性挑战，设计采用改进型米勒补偿策略。通过在补偿电容串联高阻值电阻，将非主极点频率推高至原值的8倍以上，使得在150 pF大容性负载下仍实现69°相位裕度。同时，输入级模拟地分压网络与输出级偏置电路形成联动，确保全工作区间内晶体管体偏置电压的精确控制，蒙特卡洛仿真显示关键参数温漂小于± 5%。

工艺兼容性设计

方案完全基于180 nm标准CMOS工艺实现，通过多晶硅高精度电阻 (匹配误差± 5%) 和深N阱隔离技术，避免了三阱工艺的成本增加。芯片显微照片显示核心面积仅0.00133 mm²，较同类设计缩小62%，特别适合多通道集成应用。

性能优势对比

在0.6 V供电条件下，该OTA展现出多项指标突破：

• 能效比：单位电流驱动能力 (IFOM_S = 7.42 MHz·pF/μA) 达到文献最优值的3.45倍；
• 噪声控制：1 kHz频点输入噪声密度1.3 μV/√Hz，满足生物电信号采集需求；
• 鲁棒性：电源抑制比 (PSRR) 50.8 dB，共模抑制比 (CMRR) 45.4 dB，在10%电源波动下增益变化小于2%；
• 负载适应性：从10 pF到150 pF负载范围内，单位增益带宽稳定在320—350 kHz。

与近期发表的亚1V OTA相比 (参见原文表7)，该设计首次在单级跨导增强架构中同时实现> 60 dB增益、> 300 kHz带宽和μW级功耗，突破了传统设计中增益-带宽-功耗的“三重约束”(图1)。

图1. 该研究中所设计的OTA的原理图

应用场景

该技术已成功集成于可穿戴心电监测芯片原型，实测在0.6 V纽扣电池供电下，可连续工作72小时以上。其低压高摆率特性特别适用于：

• 能量收集系统：驱动压电、热电等微能量转换器；
• 神经接口电路：实现128通道脑电信号的同步放大；
• 边缘计算节点：作为ADC驱动级处理传感器阵列输出。

总结

该研究通过三大创新——无尾电流源差分对、局部正反馈跨导增强、准浮栅AB类输出级——重新定义了亚1V OTA的设计范式。实验证明，在标准工艺下仅需0.6 V供电即可获得67 dB开环增益、350 kHz带宽与μW级静态功耗的优异性能组合。该成果将为下一代超低功耗医疗电子与物联网设备提供关键模块。

原文出自 JLPEA 期刊

Ballo, A.; Grasso, A.D.; Pennisi, S. A 0.6 V Bulk-Driven Class-AB Two-Stage OTA with Non-Tailed Differential Pair. J. Low Power Electron. Appl. 2023, 13, 24. https://doi.org/10.3390/jlpea13020024

JLPEA 期刊介绍

期刊旨在发表低功耗电子方向的创新研究和重要成果。期刊范围涵盖的主题包括但不限于新兴电子器件和工艺技术、模拟、数字和混合信号VLSI电路、架构和系统设计、SoC和嵌入式系统、能量采集和无电池系统、综合和优化工具，以及用于低功耗设计的CAD工具和方法。目前被Scopus、ESCI等数据库收录。

• 2024 Impact Factor: 1.8
• 2024 CiteScore: 4.3