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模拟集成电路中的基本元器件模拟集成电路中的基本元器件提要提要管概本作大信特性zMOS管概述、基本工作原理、大信号特性、电容特性、小信号等效模型、非理想效应、电容特性小信号等效模型非想效应描述MOS管性能的电路参数z双极晶体管的大信号特性小信号等效模z双极晶体管的大信号特性、小信号等效模型z集成电阻器z集成电容器z集成电容器MOS管概述、基本工作原理、大信号特性电容特性小信号等效模型zB.Razavi,“DesignofAnalogCMOS性、电容特性、小信号等效模型,ggIntegratedCircuits”,§2.1、§2.2、§2.4MOS管概述耗尽型器件耗尽型器件NMOS：B接VSSPMOS：B接VDD管概述MOS管概述MOS管的基本工作原理MOS管的基本工作原理MOS管的基本工作原理（续）MOS管的基本工作原理（续）MOS管的基本工作原理（续）MOS管的基本工作原理（续）MOS管的基本工作原理（续）MOS管的基本工作原理（续）MOS管的阈值电压MOS管的阈值电压)22(VVVφφz阈值电压)22(0fSBfttVVVφφγ−++=z阈值电压：iATfnNVln=φz费米势：inN21z衬底调制因子AoxNqCεγ2=z衬底调制因子：oxoxtCε=z单位面积栅电容：oxtMOS管的大信号特性MOS管的大信号特性MOS管的大信号特性MOS管的大信号特性ovtGSDStGSVVVVVV=−≥≥,''WkWkz饱和区（有源区）：)1(2')1()(2'22DSovDStGSDVVLWkVVVLWkIλλ+=+−=tGSDStGSVVVVV−≤≥,z线性区：])(2[2'2DSDStGSDVVVVLWkI−−=2LtGSVV≤z截止区：oxnoxntCkεμμ=='tGS0≈DIoxt¾过驱动电压：ovV沟道长度调制因子与沟道长度的关系LVLL1/∝Δ=λLVDS)1(')1()('22VVWkVVVWkIλλ)1(2)1()(222DSovDStGSDVVLVVVLIλλ+=+−=21LLVID∝∝∂∂λLLVDS∂MOS管的电容效应oxCWLWLCCC+z线性区:0CoxdoxgdgsCWLCC+==22线性区饱和区CWLC0≈gbCoxdoxgsCWLWLCC+=32z饱和区：oxdgdCWLC=0≈Cz截止区oxdgdgsCWLCC==jsoxCWLCC)(0≈gbCz截止区：oxdgdgsjsoxjsoxgbCWLCC+=)4/(fsubSijsNqWLCφε=MOS管的电容效应MOS管的电容效应：源漏耗尽区电容C2/10)1(SBsbsbVCC+=0)1(φ+0dbCC2/10)1(φDBdbdbVC+=0φzC单位面积底盘电容zCj：单位面积底盘电容zCjsw：单位长度侧墙电容jswjtotleCEWWECC)(2++=jsw：单位长度侧墙电容MOS管的常用小信号模型（饱和区）)1)(('DVVVWkIgλ+−=∂=)1)((DStGSGSmVVVLkVgλ+−=∂=WWDSV11∂DtGSmILWkVVLWkg'2)('=−≈DDSDDDSoIVIIVrλ1/1=∂∂=∂∂=Iγ∂mmSBfBSDmbggVVIgχφγ=+=∂∂=22MOS管的完整小信号模型MOS管的完整小信号模型MOS管的非理想效应zP.R.Gray,“AnalysisandDesignofy,ygAnalogIntegratedCircuits”,§1.7、§1.8MOS管的弱反型工作区)]exp(1)[exp(DStGStDVVVIWI−−−=z饱和区：)]p()[p(TTtDVnVLVV3z饱和区：z强反型与弱反型的划分：TDSVV3TtGSovnVVVV2=−=MOS管的短沟道效应z水平电场引起载流子速度饱和EndEEEv/1+=μcEE/1+6mVEc/105.16×≈cnsclEvμ=MOS管的短沟道效应z考虑载流子速度饱和后的I－V方程：线性区：])(2[2oxnVVVVWCIμ])(2[)1(22DSDStGSDSoxnDVVVVLWLEVCI−−+=μ饱和区：cLE2)(][2actDSoxnDVLWCIμ=饱和区：)(2L)1)(21()(−−+=VVLEVtGScactDS)11()(+LELEVccactDSWC¾长沟晶体管：2)(2limtGSoxnDcEVVLWCI−=∞→μ¾短沟晶体管：scltGSoxctGSoxnDcEvVVWCEVVWCI)()(lim0−=−=→μMOS管的短沟道效应MOS管的短沟道效应垂直电场引起的移率降低z垂直电场引起的迁移率降低nμ)(1tGSneffVV−+=θμμ降低导通电流能力tGS1WC2)()(121tGStGSoxnDVVLWVVCI−−+=θμ引入非线性)(12tGSLVV+θMOS管的电MOS管的电压限制zpn结击穿：漏－衬底pn结由于雪崩效应而击穿，非破坏性z源漏穿通：源漏极的耗尽区相连，电流逐渐增加，非破坏性非破坏性z热载流子：由于水平或垂直电场的作用，热载流子获得足够的速度注入氧化层增加栅电流改变阈获得足够的速度注入氧化层，增加栅电流，改变阈值电压，破坏性z氧化层击穿垂直场//66z氧化层击穿：垂直场，破坏性，ESD保护cmVcmV/107~/10666××描述MOS管性能的电路参数描述OS管性能的电路参数跨导效率：g/ID跨导效率：gm/IDz饱和区、长沟道方程：2mg饱和区、长沟道方程：mDovgIV=结果结果说明说明MOS晶体管的特征频率MOS晶体管的特征频率z输出短路的共源放大器的电流增益降低为一时的工z输出短路的共源放大器的电流增益降低为时的工作频率，表示了晶体管作为放大器使用时的最高可用频率用频率oi1)(Tojiω1)()(=TiTojijωi)(TijiiMOS晶体管的特征频率111()igsgdviCCs=+mTgCCω=+12mTgfCC=1vgimo≈mgii≈gsgdCC+2TgsgdfCCπ+忽略Cgd，带入Cgs和Gm的()oigsgdiiCCs≈+ig忽略g，带入g和的表达式（饱和区、长沟道）13Vμ()()()omigsgdigjjijCCβωωω==+21322ovTVfLμπ=MOS晶体管的特征频率igω()()()omTigsgdigjjijCCjωβωωωω===+igsgd特征频率仿真特征频率仿真结果结果说明说明本征增益gr本征增益：gmro道2z长沟道、饱和区：moovgrVλ=结果结果说明说明描述MOS管性能的电路参数描述MOS管性能的电路参数提要提要管概本作大信特性zMOS管概述、基本工作原理、大信号特性、电容特性、小信号等效模型、非理想效应、电容特性小信号等效模型非想效应描述MOS管性能的电路参数z双极晶体管的大信号特性小信号等效模型z双极晶体管的大信号特性、小信号等效模型z集成电阻器z集成电容器P.R.Gray,“AnalysisandDifAlIttdDesignofAnalogIntegratedCircuits”,§1.3、§1.4双极晶体管概述npn管在正向工作区的大信号模型pVBEVCII=CI)(TVSCeII=FBIβ=FCBCEIIIIβα−=+−=)(FFFββα+=1npn管的Early效应CIVCECCAVIV∂∂=/VCVCCVCIIIIII000+ΔΔACEVCACECACECEVCCACEVCCECVIVVIVVIIVIVI000====+=++Δ⇒=ΔTVBEVCESCeVII)1(+=TVBEVeII=ASCeVII)1(+TSCEVCeII==0npn管在饱和区的大信号模型npn管在饱和区的大信号模型)(onBEBEVV=)(onBEBEVV)30050(VVVVVVV==+=)3.0~05.0(~)(VVVVVVVsatCEBCBEBECBCE=−=+=双极晶体管的小信号等效模型TVBEVCEeVII)1(+=CCmIIg=Δ=CgCCC++τASCeVII)1(+=TBEmVVgΔjemFjebCgCCC+=+=τπBEBEVV0βΔΔACEVVΔmCBEBBEgIIr00/ββπ=Δ=Δ=CACCEoIVIVr=ΔΔ=双极晶体管的寄生效应集成pnp管集成pnp管z水平pnp管：电流增益低，电流增益随集电极电流的上升而很快下降，处理电流能力弱电流的升而很快下降处电流能力弱集成pnp管集成pnp管z衬底pnp管：仅限于源跟随器配置，集电极寄生电阻大BJT与MOS管的异同：I-V曲线TVBEVACESCeVVII)1(+=FCBIIβ=AV)1(2')1()(2'22DSovDStGSDVVLWkVVVLWkIλλ+=+−=Fβ22LLBJT与MOS管的异同：小信号模型∞→πrπ器件模型的选择器件模型的选择z手工分析和设计的目的直观理解电路特性设计过z手工分析和设计的目的：直观理解电路特性，设计过程的初始化z总原则：在保证分析结果抓住电路主要特性的前提下z总原则：在保证分析结果抓住电路主要特性的前提下，器件模型越简单越好，允许手工分析结果具有10-20%的偏差z静态工作点分析（一般情况下）初始分析可以忽略沟道长度调制效应和衬偏调制效应（El效应）了解基本特性后再考虑这些二阶效应的影响Early效应），了解基本特性后再考虑这些二阶效应的影响z小信号分析（一般情况下）除非晶体管漏端（集电极）所接阻抗足够高（100kΩ）除非晶体管漏端（集电极）所接阻抗足够高（100kΩ），初始分析可以忽略晶体管输出阻抗ro提要提要管概本作大信特性zMOS管概述、基本工作原理、大信号特性、电容特性、小信号等效模型、非理想效应、电容特性小信号等效模型非想效应描述MOS管性能的电路参数z双极晶体管的大信号特性小信号等效模型z双极晶体管的大信号特性、小信号等效模型z集成电阻器z集成电容器集成电阻器集成电阻器方块电ρz方块电阻：R□＝LLHρz电阻：＝R□•L/WWHLSLRρρ==z电阻特性：方块电阻方块电阻电阻精度温度特性温度系数温度特性：温度系数电压特性：电压系数（电阻值随所加电压的变化）度匹配程度MOS工艺中的集成电阻器：多晶电阻MOS工艺中的集成电阻器：多晶电阻z形成MOS管栅极的多晶硅作电阻，精度受工艺偏差影响较大形成OS管栅极的多晶硅作电阻，精度受工艺偏差影响较大z多晶硅电阻做在场区上方块电较大/1000300ΩΩz方块电阻较大：□/1000~300ΩΩMOS工艺中的集成电阻器阱电阻MOS工艺中的集成电阻器：阱电阻利阱来z利用阱来形成电阻z因为阱是低掺杂的方块电阻较大因此大z因为阱是低掺杂的,方块电阻较大,因此大阻值的电阻可以用阱来做方块电阻约为10Kh/□z方块电阻约为10Kohm/□z电阻精度差电阻精度差z温度系数高电压系数高场氧z电压系数高P型衬底N+N+N阱P型衬底MOS工艺中的其它集成电阻器z扩散区电阻：形成源漏区的扩散层来形成扩散区电阻，特性同双极工艺中的发射极扩散电阻zSilicide电阻：淀积在多晶硅或者扩散区的表面，减小形成MOS管的多晶硅和扩散区的寄生阻抗，由硅和金属混合而成可以降低多晶硅电阻和扩散区硅和金属混合而成，可以降低多晶硅电阻和扩散区电阻的阻值（10倍左右）线性区工作的MOS管作电阻z线性区工作的MOS管作电阻：1)(1DLIR=∂=−电阻值受到端电压的控制电阻高)(')(DStGSDSVVVkWVR−−=∂=电阻高可跟踪MOS管的跨导变化高度的非线性高度的非线性集成电阻器的设计z阻值计算：R=R□•L/Wz修正：修端头修正：端头处电力线弯曲，电流从引线孔正对着电阻条的一边流入，需要引入端头修正因子k1表示整个端头对总电阻方数的贡献头对总电阻方数的贡献¾根据不同的电阻条宽和端口形状，端头修正因子可以在0到横向扩散修正：对扩散类型的电阻需要考虑电阻条宽度状，端头修正因子可以在到0.9之间变化。拐角修正：电阻设计成折叠式拐角电力线均匀的电阻，需要考虑电阻条宽度由于扩散而出现的变化，引入横向扩散修正