模拟CMOS复习

复习题成都理工大学工程技术学院日期：2015年1月5日姓名：孟照伟•1：什么是集成电路？2：集成电路的分类？3：集成电路相关概念？绪论集成电路—微电子技术的核心IntegratedCircuit，缩写IC–通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能按电路规模分类按导电载流子类型分类按电路处理信号方式分类按实现方法分类按电路功能分类按设计方法分类集成电路的分类相关基本概念形状：一般为正方形或矩形面积:几平方毫米到几百平方毫米。面积增大引起功耗增大、封装困难、成品率下降，成本提高，可通过增大硅园片直径来弥补。晶圆尺寸(WaferSize)芯片尺寸(DieSize)6英寸、8英寸、12英寸几平方毫米到几百平方毫米集成度、规模：每块芯片包含的晶体管数目或等效逻辑门的数量特征尺寸•集成电路器件中最细线条的宽度，对MOS器件常指栅极所决定的沟道几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸。•反映了集成电路版图图形的精细程度，特征尺寸的减少主要取决于光刻技术的改进（光刻最小特征尺寸与曝光所用波长）。•1：MOS的定义与分类？•2：MOS基本结构？•3：MOSFET基本工作原理？（NMOS为例）•4：MOSFET的输出特性曲线?(NMOS)•5:MOSFET电流方程？（不考虑沟道调制效应以及考虑沟道长度调制效应）•6：MOSFET相关概念？（阈值电压、跨导）•7：MOSFET二级效应？MOS器件物理基础MOS场效应晶体管（MOSFET）是金属--氧化物--半导体场效应晶体管的简称，它是一种表面场效应器件，是靠多数载流子传输电流的单极型器件。MOS场效应晶体管可以以半导体材料Ge，Si为材料，也可以用化合物半导体GaAs等材料制作，目前以使用Si最多。MOS器件栅下的绝缘层可以选用SiO2、、SiN3和AlO3等绝缘材料，SiO2使用最为普遍。•按晶体管的沟道导电类型，可分为P沟MOSIC、N沟MOSIC以及将P沟和N沟MOS晶体管结合成一个电路单元的互补MOSIC，分别称为PMOS、NMOS和CMOS集成电路。随着工艺技术的发展，CMOS集成电路已成为集成电路的主流，工艺也日趋完善和复杂，由P阱或N阱CMOS发展到双阱CMOS工艺。80年代又出现了集双极型电路和互补金属-氧化物-半导体（CMOS）电路优点的BiCMOS集成电路结构。按栅极材料可分为铅栅、硅栅、硅化物栅和难熔金属（如钼、钨）栅等MOSIC10MOS分类？MOS晶体管的动作MOS晶体管实质上是一种使电流时而流过，时而切断的开关n+n+p型硅基板栅极（金属）绝缘层（SiO2）半导体基板漏极源极源极(S)漏极(D)栅极(G)MOSFET的单管结构•nmos器件：只有一种载流子参与导电，并且参与导电的载流子类型为电子。n+n+p型硅基板栅极绝缘层（SiO2）半导体基板漏极源极MOSFET的单管结构•pmos器件：只有一种载流子参与导电，参与导电载流子为空穴。p+p+n型硅基板栅极绝缘层（SiO2）半导体基板漏极源极MOSFET工作原理（以nmos为例）VG=0VS=0VD=0栅极电压为零时，存储在源漏极中的电子互相隔离GSDVGS0时，沟道出现耗尽区，至VGSVTH时，沟道反型，形成了连接源漏的通路。++++++++VGVD电流SVDS较小时，沟道中任何一处电压的栅－沟道电压都大于阈值电压，随着VDS的增大，电场强度增大，电子漂移速度增大，因此电流随着VDS的增大而增大。（线性区，非饱和区）随着VDS进一步增大至VDS=VGS-VTH(即VGDVTH)时，靠近漏端边缘的沟道出现夹断，晶体管进入饱和区。随着VDS的增大，夹断区向源区移动，电压增加主要降落在夹断点至漏端边缘的高阻区，沟道电子被横向强电场拉至漏极，漏源电流基本上不随VDS增大而变化。IDmnCoxW2L(VG-VTH)2(0VDVG-VTH)(0VG-VTHVD)VDID非饱和区饱和区VDsat=VG-VTHmnCoxW2L[2(VG-VTH)VD-VD2]记住!!!沟道长度调制效应下饱和电路公式λ为沟道长度调制系数。λ=1/(r0ID)阈值电压VT阈值电压(Thresholdvoltage):通常将传输特性曲线中输出电压随输入电压改变而急剧变化转折区的中点对应的输入电压称为阈值电压.在描述不同的器件时具有不同的参数。MOSFET的跨导gm跨导：漏电流的变化量除以栅源电压的变化量，代表器件的灵敏度，对于一个大的gm，VGS的微小变化会引起ID的很大变化。跨导：表示电压转换电流的能力，二级效应•体效应•沟道长度调制效应•亚阈值电导•在集成电路设计中，在同一硅片衬底上做许多管子，为保证它们正常工作，一般N管衬底要全部接最低点位，P管衬底接最高点位，因此，有些管子源极与衬底之间存在电位差。体效应：当VBS0时，将有更多的空穴被吸引到衬底电极，同时留下大量的负电荷。二级效应1：体效应二级效应2：沟道长度调制沟道长度调制效应MOS晶体管中,栅下沟道预夹断后、若继续增大Vds，夹断点会略向源极方向移动。导致夹断点到源极之间的沟道长度略有减小，有效沟道电阻也就略有减小，从而使更多电子自源极漂移到夹断点，导致在耗尽区漂移电子增多,使Id增大，这种效应称为沟道长度调制效应二级效应3：亚阈值电导当VGSVTH时和略小于VTH，“弱”反型层依然存在，并有一定的漏源电流。甚至当VGSVTH时，ID也并非无限小，而且与VGS呈现指数关系。MOS管亚阈值电流ID一般为几十~几百nA•单级放大器分类？共源、源跟随器、共栅、共源共栅要求：1：给出电路能根据电路特点判断是哪种单级放大器？2：增益大小？共源：AV=-gmRD源跟随器：单级放大器电阻型无源共源放大器VDDRM1VoViRonVogmV1+V1-RVi+-RgAmv共源放大器(LC谐振负载）VDDLVoViM1C)/1//(CjLjgAmv源跟随器(SourceFollower)也称为共漏级放大器。作用：电压缓冲器；使信号的直流电平产生移动。源跟随器：高输入阻抗，中等输出阻抗。牺牲线性(具有体效应).R=Rs||1/gm||1/gmb源跟随器•gm足够大时，Av近视与1.源跟随器：高输入阻抗，中等输出阻抗。牺牲线性(具有体效应).•源跟随器作用:主要起到电压缓冲器的作用。共栅放大器•特点：共栅放大器的输入电阻很小，输出电阻很大共源共栅放大器•特点：输出阻抗很高，因此可以用作恒流源。缺点：摆幅比较小。M1RVbVDDVoViM2A差分放大器•1.差分放大器特点？•2.差分放大器增益？•3.差分放大器失调分析？•4.共模抑制比CMRR概念？•差分放大器特点？1.能有效抑制共模噪声。2.增大了输出电压摆幅(是单端输出的两倍)。3.偏置电路更简单(差分对可以直接耦和)、输出线性度更高。4.缺点是芯片面积和功耗略有增加,但绝对物有所值!差分放大器双端输入双端输出时的差模电压增益Vo1M1VDDR1Vo2M2R2ISQ-Vi1+-+-Vo1+Vi1M1VDDR1Vo2M2R2-Vi1+-+-ABABΔVi1＝－ΔVi2＝ΔVi/2RgVVRgVVmiomio)(,1211单端增益：双端增益：RgVVVmioo)2()(121双端输入单端输出差模电压增益如果是差分双端输入而单端输出，由于只取出一个MOS管的输出电压，故此时的电压增益只有双端输出的一半，即为：AV=Rgm21•1、尾电流源的非理想引起的失调2、元器件不对称引起的失调（电阻失配和输入对管失配）由于以上失调情况的影响，共模输入电平的变化会引起差动输出的改变。失调分析共模抑制比CMRR•ACM-DM体现了共模信号到差模的转换能力。该值越小，表示由共模输入转化成差分输出的数值越小，即电路对共模信号的抑制程度越高。•用所希望的差动增益与不希望的共模增益的比值来衡量对共模扰动的抑制能力。定义“共模抑制比”（CMRR）如下:无源与有源电流镜•电流镜定义？•电流镜的复制功能？•电流镜相关计算？•电流镜的改进：共源共栅电流镜？什么是电流镜？镜像电流源也称为电流镜(CurrentSource)，当在它的输入端输入一个参考电流时，输出端将输出一个大小和方向都等于参考电流方向的输出电流Iout。电流镜(CurrentMirror)是一种信号处理的标准部件，同运算放大器、电流传输器、电流反馈放大器一样，使用在模拟和数模混合模式VLSI电路中。它能将电路中某一支路的参考电流在其它支路中得以重现或复制。由于其电流复制能力，它常被用来构成模拟集成电路和器件中支流偏置电流源，成为模拟集成电路中应用最为广泛的电路技术之一。基准电流的简单“复制”2nOXREF1GSTNμCWI=()(V-V)2L2nOXout2GSTNμCWI=()(V-V)2L2outREF1(W/L)I=I(W/L)基本电流镜基本电流镜中，若不考虑沟道调制效应：该式表明Iout是IREF的复制且不受电源电压、温度和工艺的影响。电流镜有何用途？电流镜运用举例,outrefII12341234WW2W2W若求与的关系？LLLL21outREFWLIIWL根据公式可知ID2=IREF|ID3|=|ID2|IOUT=ID4=ID3=IREF例题1:如果图中的所有晶体管都工作在饱和区.求M4的漏电流.解:21outREF(W/L)II(W/L)根据公式有:221DREFREF(W/L)I[]I(W/L)I同时,|ID3|=|ID2|44333DDDREF(W/L)I[]I(W/L)II12)/()/(LWLW34)/()/(LWLW电流镜的应用•为差动放大器偏置的电流镜图中差动对的尾电流源通过一个NMOS镜像来偏置，负载电流源通过一个PMOS镜像来偏置。求流过M3和M4管的电流？M5M6M1M2?ID3=ID4=0.5Iref21outREFWLIIWL共源共栅电流镜•优点：消除了沟道长度调制效应，提高了输出电流的复制精度。•缺点:损失了电压余度。放大器的频率特性•1.密勒效应•2.极点与节点关联法——估算系统极点频率•1.1密勒效应–密勒定理：如果图(a)电路可以转换成图(b)的电路，则Z1=Z/(1-Av)，Z2=Z/(1-Av-1)，其中Av=VY/VX。例1如图a，电压放大器的增益为-A，求电路的输入电容？运用密勒定理，把电路转换成图(b)形式，根据公式Z1=Z/(1-Av)进行计算：由于Z=1/(CFs)，则，Z1=1/C1s，因此输入电容等于CF(1+A)密勒效应计算输入以及输出阻抗？噪声•1.什么是噪声？•2.噪声谱定义？•3.噪声的分类？什么是噪声？•噪声是一个随机过程，并且噪声在任何时刻都不能够被预测。哪些特性可以被预测？在很多情况下，噪声的平均功率可以被预测信号发生源13噪声谱又称为“功率谱密度”(PSD:Powerspectraldensity)；PSD定义为：在每个频率上信号具有的功率的大小；反映了噪声的功率和频率两方面的特性X(t)信号的PSD写为SX(f)；SX(f)定义为：f附近1Hz带宽内X(t)具有的平均功率；单位V2/Hz电路中大多数噪声源有可预测的噪声谱21噪声的分类“环境”噪声和器件电子噪声“环境”噪声指来自电源线、地线、衬底等器件电子噪声指构成AIC的器件本身所产生的噪声，如电阻、MOS管等器件电子噪声热噪声电阻噪声、MOS管的沟道热噪声闪烁噪声MOS管反馈•反馈的定义？•反馈作用？•反馈系统的组成?•反馈结构？–电压-电压反馈：串联-并联–电流-电压反馈：串联-串联–电压-电流反馈：并联-并联–电流-电流反馈：并联-串联什么是反馈？•所谓反馈，就是在电子系统中把输出量（电流量或电压量）的一部分或全部以某种方式送回输入端，使原输入信号增大或减小并因此影响放大电路某些性能的过程。•把放大器的输出电路中的一部分能量