1、CMOS模拟集成电路分析与设计模拟集成电路分析与设计 主讲教师：吴建辉主讲教师：吴建辉 Tel：83795677 E-mail：参考书参考书o吴建辉编著：吴建辉编著：“CMOS模拟集成电路分析与设模拟集成电路分析与设计计”(第二版第二版)，电子工业出版社。，电子工业出版社。oRazavi B: Design of analog CMOS integrated circuitsoAllen P E: CMOS Analog Circuit DesignoR.Jacob Baker: CMOS Mixed-Signal Circuit Design引言引言o CMOS工艺？工艺？o 先进工艺下模拟
2、集成电路的挑战？先进工艺下模拟集成电路的挑战？o 模拟电路与模拟集成电路模拟电路与模拟集成电路o 课程主题与学习目标课程主题与学习目标现代主要集成电路工艺现代主要集成电路工艺性能性能CMOSSi BJTSiGe BJT器件速度器件速度高高高高高高噪声噪声差差好好好好跨导跨导小小大大大大本征增益本征增益小小较大较大大大采用采用CMOS工艺的原因：工艺的原因：低功耗，高容量的数字集成电路驱动低功耗，高容量的数字集成电路驱动易于与高密度的数字集成电路集成（易于与高密度的数字集成电路集成（BiCMOS太贵）太贵）先进工艺下模拟集成电路的挑战先进工艺下模拟集成电路的挑战o CMOS工艺的发展以特征尺寸的
3、缩小为显著特工艺的发展以特征尺寸的缩小为显著特征。征。o 低功耗高性能的数字电路需求是促进低功耗高性能的数字电路需求是促进CMOS工工艺发展的主要动力艺发展的主要动力o 先进工艺对模拟电路存在着明显的优势与劣势：先进工艺对模拟电路存在着明显的优势与劣势：n 主要优势：低功耗、高频率主要优势：低功耗、高频率n 主要劣势：低摆幅、低本征增益、工艺偏差对电路的主要劣势：低摆幅、低本征增益、工艺偏差对电路的显著影响、相互干扰等显著影响、相互干扰等o 对策：数字辅助等对策：数字辅助等数字电路中的模拟视角数字电路中的模拟视角o 工艺提升促进了数字电路的快速发展；数字工艺提升促进了数字电路的快速发展；数字辅
4、助设计技术更提高了数字电路的份额，模辅助设计技术更提高了数字电路的份额，模拟电路设计技术还需要吗？拟电路设计技术还需要吗？n 在先进工艺下单元电路须用模拟电路设计方法在先进工艺下单元电路须用模拟电路设计方法设计设计n 存储器本身就是一模拟电路存储器本身就是一模拟电路n 为了提高数字电路的性能，降低功耗，就需要为了提高数字电路的性能，降低功耗，就需要解决大量的模拟电路问题，如：电荷共享、内解决大量的模拟电路问题，如：电荷共享、内部寄生、高速接口等部寄生、高速接口等n 另外，元器件的匹配在先进工艺中显得尤为重另外，元器件的匹配在先进工艺中显得尤为重要，特别是在存储体中。要，特别是在存储体中。模拟电
5、路与模拟集成电路模拟电路模拟电路模拟集成电路模拟集成电路晶体管数晶体管数追求最少追求最少“不限不限”匹配性匹配性一般不要求一般不要求需很好匹配需很好匹配电阻值电阻值任意值任意值10-100K电容值电容值可以很大可以很大较小较小50pf寄生效应影响寄生效应影响较小较小较大较大半导体材料(衬底)有源器件特性IIIIVVBCNAlSiPGa Ge AsInSn SbTlPbBi课程主题课程主题o MOS器件物理器件物理o 单级放大器及频率特性单级放大器及频率特性o 电流镜电流镜o 差分对及其频率特性差分对及其频率特性o 运算放大器与跨导放大器运算放大器与跨导放大器o 反馈、稳定性及补偿反馈、稳定性及
6、补偿o 电子噪声等电子噪声等学习目标学习目标o 较深入理解与模拟设计相关的较深入理解与模拟设计相关的MOS器件特性器件特性o 建立模拟电路设计中限制与折中的概念建立模拟电路设计中限制与折中的概念o 学会构架一座复杂器件模型学会构架一座复杂器件模型/行为与基本的手算行为与基本的手算之间的桥梁之间的桥梁o 掌握一种系统的而不是盲目（掌握一种系统的而不是盲目（spice-monkey)的设计方式的设计方式o 通过一系列手算设计工程巩固以上知识：通过一系列手算设计工程巩固以上知识：n许多工业电路许多工业电路/应用的一个高性能反馈放大器的设计与优化应用的一个高性能反馈放大器的设计与优化第一讲第一讲基本基
7、本MOS器件物理器件物理本章主要内容本章主要内容n本章是本章是CMOS模拟集成电路设计的基础，模拟集成电路设计的基础，主要内容为：主要内容为：o有源器件有源器件o无源器件无源器件o等比例缩小理论等比例缩小理论o短沟道效应及狭沟道效应短沟道效应及狭沟道效应oMOS器件模型器件模型1、有源器件、有源器件主要内容：主要内容： 1.1 几何结构几何结构与与工作原理工作原理 1.2 寄生电容寄生电容 1.3 电学特性电学特性与与主要的二次效应主要的二次效应 1.4 低频及低频及高频高频小信号等效模型小信号等效模型 1.5 有源电阻有源电阻1.1 MOS管管几何结构几何结构与工作原理与工作原理(1)oMO
8、S管是一个四端口器件管是一个四端口器件n 栅极栅极(G)：栅氧下的衬底区域为有效工作区（即：栅氧下的衬底区域为有效工作区（即MOS管的沟道）。管的沟道）。n 源极源极(S)与漏极与漏极(D)：在制作时是：在制作时是几何对称的。几何对称的。o一般根据电荷的输入与输出来定义源区与漏区：一般根据电荷的输入与输出来定义源区与漏区：n 源端源端被定义为被定义为输出输出电荷（若为电荷（若为NMOS器件则为电子）的端口；器件则为电子）的端口；n 漏端漏端则为则为收集收集电荷的端口。电荷的端口。o当该器件三端的电压发生改变时，当该器件三端的电压发生改变时，源区与漏区就可能改变作用源区与漏区就可能改变作用而相互
9、交换定义而相互交换定义。n 衬底衬底(B)：在模拟：在模拟IC中还要考虑中还要考虑衬底（衬底（B）的影响，衬底电位一般的影响，衬底电位一般是通过一欧姆是通过一欧姆p区（区（NMOS的衬底）以及的衬底）以及n区区(PMOS衬底衬底)实现实现连接的。连接的。 1.1 MOS管管几何结构几何结构与工作原理与工作原理(2)oMOS管的主要几何尺寸管的主要几何尺寸n沟道长度沟道长度L：oCMOS工艺的自对准特点，其沟道长度定义为漏源之间栅工艺的自对准特点，其沟道长度定义为漏源之间栅的尺寸，一般其最小尺寸即为制造工艺中所给的特征尺寸；的尺寸，一般其最小尺寸即为制造工艺中所给的特征尺寸；o由于在制造漏由于在
10、制造漏/源结时会发生边缘扩散，所以源漏之间的实源结时会发生边缘扩散，所以源漏之间的实际距离（称之为有效长度际距离（称之为有效长度L）略小于长度）略小于长度L，则有，则有L L2d，其中，其中L是漏源之间的总长度，是漏源之间的总长度，d是边缘扩散的长度。是边缘扩散的长度。n沟道宽度沟道宽度W：垂直于沟道长度方向的栅的尺寸。垂直于沟道长度方向的栅的尺寸。n栅氧厚度栅氧厚度tox：则为栅极与衬底之间的二氧化硅则为栅极与衬底之间的二氧化硅的厚度。的厚度。1.1 MOS管管几何结构几何结构与工作原理与工作原理(3)oMOS管可分为管可分为增强型与耗尽型增强型与耗尽型两类：两类：n增强型是指栅源电压增强型
11、是指栅源电压VGS为为0时没有导电沟道，时没有导电沟道，必须依靠栅源电压的作用，才能形成感生沟道。必须依靠栅源电压的作用，才能形成感生沟道。n耗尽型是指即使在栅源电压耗尽型是指即使在栅源电压VGS为为0时也存在导时也存在导电沟道。电沟道。n这两类这两类MOS管的基本工作原理一致，都是利用管的基本工作原理一致，都是利用栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小多少，从而控制漏极电流的大小 。1.1 MOS管管几何结构与几何结构与工作原理工作原理(4)o以增强型以增强型NMOS管为例：管为例：n 截止区：截止区：VGS=0o源区、衬
12、底和漏区形成两个背靠背的源区、衬底和漏区形成两个背靠背的PN结，不管结，不管VDS的极性的极性如何，其中总有一个如何，其中总有一个PN结是反偏的，此时漏源之间的电阻结是反偏的，此时漏源之间的电阻很大。很大。o没有形成导电沟道，漏电流没有形成导电沟道，漏电流ID为为0。n 亚阈值区：亚阈值区：Vth VGS01.1 MOS管管几何结构与几何结构与工作原理工作原理(5)耗尽层耗尽层o 线性区：线性区：VGS Vth且且VDS VGS-Vthn 形成反型层形成反型层(或称为感生沟道或称为感生沟道)n 感生沟道形成后，在正的漏极电压作用下产生漏极电流感生沟道形成后，在正的漏极电压作用下产生漏极电流ID
13、n 一般把在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压叫做开启电压一般把在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压叫做开启电压Vthn 外加较小的外加较小的VDS，ID将随将随VDS上升迅速增大，此时为线性区，但由于沟上升迅速增大，此时为线性区，但由于沟道存在电位梯度，因此沟道厚度是不均匀的道存在电位梯度，因此沟道厚度是不均匀的n 注意：注意：与双极型晶体管相比，一个与双极型晶体管相比，一个MOS器件即使在无电流流过时也可器件即使在无电流流过时也可能是开通的能是开通的。 1.1 MOS管管几何结构与几何结构与工作原理工作原理(6)o 饱和区：饱和区：VGS Vth且且VDS VGS-Vthn 当当VDS增大
14、到一定数值（增大到一定数值（VGD=Vth），靠近漏端被夹断。），靠近漏端被夹断。n VDS继续增加，将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，沟道被夹断后，继续增加，将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，沟道被夹断后，VDS上升上升时，其增加的电压基本上加在沟道厚度为零的耗尽区上，而沟道两端的电压保持不时，其增加的电压基本上加在沟道厚度为零的耗尽区上，而沟道两端的电压保持不变，所以变，所以ID趋于饱和。趋于饱和。n 当当VGS增加时，由于沟道电阻的减小，饱和漏极电流会相应增大。增加时，由于沟道电阻的减小，饱和漏极电流会相应增大。n 在模拟电路集成电路中饱和区是在模拟电路集成电路中饱和区是MOS管的主
15、要工作区管的主要工作区o 击穿区：若击穿区：若VDS大于击穿电压大于击穿电压BVDS（二极管的反向击穿电压），漏极与衬底（二极管的反向击穿电压），漏极与衬底之间的之间的PN结发生反向击穿，结发生反向击穿，ID将急剧增加，进入雪崩区，此时漏极电流不经将急剧增加，进入雪崩区，此时漏极电流不经过沟道，而直接由漏极流入衬底。过沟道，而直接由漏极流入衬底。1.1 MOS管管几何结构与几何结构与工作原理工作原理(7)MOS管的管的表示符号表示符号1.1 MOS管管几何结构与几何结构与工作原理工作原理(8)1.2 MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容(1)1.2 MOS管的高频小信号电容管的高频小信号
16、电容 -“本征栅电容本征栅电容”o“本征栅电容本征栅电容”：n 本征电容指的是一些不能避免而在器件工作时本征电容指的是一些不能避免而在器件工作时必需考虑的电容。必需考虑的电容。n 还要注意存在着大量的外在的与工艺相关的电还要注意存在着大量的外在的与工艺相关的电容。容。n 按不同的工作区讨论本征栅电容：按不同的工作区讨论本征栅电容：o MOS管打开：线性区与饱和区管打开：线性区与饱和区o MOS管管“关断关断”：截止区与亚阈值区截止区与亚阈值区o 栅极与导电沟道构成一个平板电容栅极与导电沟道构成一个平板电容（栅极（栅极+栅栅氧氧+沟道）沟道），即：，即：CGC=WLOX/tox=WLCOXn 可
17、以将之视为集总电容，即：可以将之视为集总电容，即：CGS=CGD=（1/2）CGCn 改变任一电压都将改变沟道电荷改变任一电压都将改变沟道电荷o 耗尽型电容耗尽型电容CCB（沟道沟道+耗尽层耗尽层+衬底衬底）形成了源形成了源极与漏极到衬底的电容，不过经常忽略。极与漏极到衬底的电容，不过经常忽略。1.2 MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容 -“本征栅电容本征栅电容”（ON）o 假设长沟道模型，工作于饱和区时如改变源极假设长沟道模型，工作于饱和区时如改变源极电压，则有：电压，则有：n 在漏极端口的栅与沟道的电压差保持不变（在漏极端口的栅与沟道的电压差保持不变（Vth），），但源极端口的电压
18、差发生了改变。但源极端口的电压差发生了改变。n 这意味着电容的这意味着电容的“底板底板”不是均匀改变。不是均匀改变。n 详细的分析可以得到此时详细的分析可以得到此时Cgs=（2/3）WLCOXo 假设长沟道模型，工作于饱和区时如改变漏极假设长沟道模型，工作于饱和区时如改变漏极电压则不会改变沟道电荷，即电压则不会改变沟道电荷，即Cgd=0（忽略二忽略二次效应及外部电容）。次效应及外部电容）。1.2 MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容 -“本征栅电容本征栅电容”（ON）o不存在导电沟道：不存在导电沟道：n 栅到衬底间的电容等效为栅氧电容与栅到衬底间的电容等效为栅氧电容与耗尽电容的串联。耗尽
19、电容的串联。o如果栅电压为负，则耗尽层变薄，栅如果栅电压为负，则耗尽层变薄，栅与衬底间电容增大。与衬底间电容增大。n 对于大的负偏置，则电容接近于对于大的负偏置，则电容接近于CGC。1.2 MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容 -“本征栅电容本征栅电容”（OFF）o 栅与沟道之间的栅与沟道之间的栅氧电容栅氧电容：n C2=WLCox，其中，其中Cox为单位面积栅氧电容为单位面积栅氧电容ox/tox；o 沟道沟道耗尽层电容耗尽层电容：n o 交叠电容交叠电容（多晶栅覆盖源漏区所形成的电容，每单位宽度（多晶栅覆盖源漏区所形成的电容，每单位宽度的交叠电容记为的交叠电容记为Col）：）：n 栅源
20、交叠电容栅源交叠电容C1WColn 栅漏交叠电容栅漏交叠电容C4=WColn 注：由于是环状的电场线，注：由于是环状的电场线， C1与与C4不能简单地写成不能简单地写成WdCox，需通，需通过更复杂的计算才能得到，且它的值与衬底偏置有关。过更复杂的计算才能得到，且它的值与衬底偏置有关。FsubsiNqWLC431.2 MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容(2)o 源漏区与衬底间的源漏区与衬底间的结电容：结电容：Cbd、Cbsn 漏源对衬底的漏源对衬底的PN结势垒电容结势垒电容n 一般由两部分组成：一般由两部分组成：o 垂直方向（即源漏区的底部与衬底间）的底层电容垂直方向（即源漏区的底部与
21、衬底间）的底层电容Cjo 横向即源漏的四周与衬底间构成的圆周电容横向即源漏的四周与衬底间构成的圆周电容Cjso 一般分别定义一般分别定义Cj与与Cjs为单位面积的电容与单位长度的电容。而每一个单位面积为单位面积的电容与单位长度的电容。而每一个单位面积PN结的势垒电容为：结的势垒电容为： Cj0：零偏时单位面积结电容（与衬底浓度有关）；：零偏时单位面积结电容（与衬底浓度有关）；VR：通过：通过PN结的反偏电压；结的反偏电压； B ：PN结接触势垒差（一般取结接触势垒差（一般取0.8V）；）；m：底面电容的梯度因子：底面电容的梯度因子(0.30.4)。n 源漏的源漏的总结电容总结电容可表示为：可表
22、示为： H：源、漏区的长度；：源、漏区的长度； W：源、漏区的宽度：源、漏区的宽度n 总的宽长比相同的情况下，采用并联结构，即总的宽长比相同的情况下，采用并联结构，即H不变，而每一管的宽为原来的几分不变，而每一管的宽为原来的几分之一，则并联结构的之一，则并联结构的MOS管的结电容比原结构小管的结电容比原结构小 。mBRjjVCC101.2 MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容(3)jsjbsbdCHWWHCC)(,1.2 MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容(4)MOS管的极间电容：管的极间电容：1.2 MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容(5)oMOS管的极间电容随栅源电压
23、的变化管的极间电容随栅源电压的变化n截止区：截止区：漏源之间不存在沟道漏源之间不存在沟道o栅源、栅漏之间的电容为：栅源、栅漏之间的电容为： CGD=CGS=ColWo栅与衬底间的电容为栅氧电容与耗尽区电容之间的串联：栅与衬底间的电容为栅氧电容与耗尽区电容之间的串联： CGB=(WLCox)Cd/(WLCox+ Cd) L为沟道的有效长度为沟道的有效长度 在截止时，耗尽区电容较大，故可忽略，因此：在截止时，耗尽区电容较大，故可忽略，因此： CGB=WLCoxoCSB与与CDB的值相对于衬底是源漏间电压的函数的值相对于衬底是源漏间电压的函数 FsubsidNqWLC41.2 MOS管的高频小信号电
24、容管的高频小信号电容(6)oMOS管的电容随栅源电压的变化管的电容随栅源电压的变化n 饱和区饱和区o栅漏电容大约为：栅漏电容大约为：WColo漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于CGS增大，增大，CGD减小，减小，栅与沟道间的电位差从源区的栅与沟道间的电位差从源区的VGS下降到夹断点的下降到夹断点的VGS-Vth，导致了在栅，导致了在栅氧下的沟道内的垂直电场的不一致。可以证明这种结构氧下的沟道内的垂直电场的不一致。可以证明这种结构除了过覆盖电容除了过覆盖电容之外的电容值之外的电容值 ： 2 WLCox /3o因此有：因此有： CGS=2WLC
25、ox/3+ WCol o当当MOS管工作饱和区时，栅与衬底间的电容常被忽略，这是由于反型管工作饱和区时，栅与衬底间的电容常被忽略，这是由于反型层在栅与衬底间起着屏蔽作用，也就是说如果栅压发生了改变，导电层在栅与衬底间起着屏蔽作用，也就是说如果栅压发生了改变，导电电荷的提供主要由源极提供而流向漏，而不是由衬底提供导电荷。电荷的提供主要由源极提供而流向漏，而不是由衬底提供导电荷。1.2 MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容(7)oMOS管的电容随栅源电压的变化管的电容随栅源电压的变化n 线性区线性区o漏源之间产生反型层并且沟道与衬底之间形成较厚的耗尽漏源之间产生反型层并且沟道与衬底之间形成较
26、厚的耗尽层，产生较小的耗尽层电容，此时栅极电容为：层，产生较小的耗尽层电容，此时栅极电容为：CGD = CGS = WLCox /2+ WCol o因为因为S和和D具有几乎相等的电压，且栅电压变化具有几乎相等的电压，且栅电压变化V就会使就会使相同的电荷从源区流向漏区，则其栅与沟道间的电容相同的电荷从源区流向漏区，则其栅与沟道间的电容WLCox等于栅源及栅漏间的电容。等于栅源及栅漏间的电容。o与工作于饱和区一样，在线性区时，栅与衬底间的电容常与工作于饱和区一样，在线性区时，栅与衬底间的电容常被忽略。被忽略。外部电容外部电容o 过覆盖电容：栅源及栅漏过覆盖电容过覆盖电容：栅源及栅漏过覆盖电容n 直
27、接过覆盖直接过覆盖CoxWLoln 由于边缘电场产生的电容由于边缘电场产生的电容o在现代工艺中不能忽略（相对于其它特征尺寸多晶厚度要大）在现代工艺中不能忽略（相对于其它特征尺寸多晶厚度要大）o 结电容：源极结电容：源极-衬底及漏极衬底及漏极-衬底结电容衬底结电容n 与面积（与面积（AS，AD）及周长（及周长（PS，PD）有关有关 n 实际上在进行实际上在进行Spice调整时并不需要精确计算其值，调整时并不需要精确计算其值，只需估算即可。只需估算即可。n Hspice可以自动计算结电容可以自动计算结电容1.2 MOS管的高频小信号电容管的高频小信号电容(8)o注意：注意：o在不同区域之间的转变不
28、能由方程直接提供，只是根据趋势延伸而得在不同区域之间的转变不能由方程直接提供，只是根据趋势延伸而得 。总结总结1.3 电特性与主要的二次效应电特性与主要的二次效应1.3.1 电特性电特性n 阈值电压阈值电压n I/V特性特性n 输入输出转移特性输入输出转移特性n 跨导等电特性跨导等电特性1.3.2 二次效应二次效应n MOS管的衬底效应管的衬底效应n 沟道调制效应沟道调制效应n 亚阈值导通亚阈值导通n 温度效应温度效应1.3.1 MOS管的电特性管的电特性阈值电压阈值电压(1)oVth定义为吸引到表面的电子的数量与掺杂原子的数量相等时所对应定义为吸引到表面的电子的数量与掺杂原子的数量相等时所对
29、应的的VGS，主要是由表面电荷控制的。，主要是由表面电荷控制的。o 阈值电压（阈值电压（NMOS）n 在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的VG为阈值电压为阈值电压Vth ：MS：指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差：指多晶硅栅与硅衬底间的接触电势差称为费米势，其中称为费米势，其中q是电子电荷是电子电荷Nsub：衬底的掺杂浓度：衬底的掺杂浓度Qb：耗尽区的电荷密度，其值为，其中：耗尽区的电荷密度，其值为，其中是硅的介电常数是硅的介电常数Cox：单位面积的栅氧电容，：单位面积的栅氧电容，Qss：氧化层中单位面积的正电荷：氧化层中单位面积的正电荷VFB：平带电压，
30、：平带电压，VFB FBfoxboxssV2CQCQ2oxbfMSthCQV)ln()(isubfnNqkTsubfsibNqQ4sioxoxnoxtC/0sioxoxssMSCQ1.3.1 MOS管的电特性管的电特性阈值电压阈值电压(2)o 阈值电压阈值电压(PMOS)o 注意：注意：n 器件的阈值电压主要通过改变器件的阈值电压主要通过改变衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度、衬底衬底表面浓度表面浓度或或改变氧化层中的电荷密度改变氧化层中的电荷密度来调整。来调整。n 用以上方程求出的用以上方程求出的“内在内在”阈值在电路设计过程中阈值在电路设计过程中可能不适用，在实际设计过程中，常通过改变多晶可能不适用
31、，在实际设计过程中，常通过改变多晶与硅之间的接触电势即：与硅之间的接触电势即：在沟道中注入杂质在沟道中注入杂质，或通，或通过过对多晶硅掺杂金属对多晶硅掺杂金属的方法来调整阈值电压。的方法来调整阈值电压。FBfoxboxssV2CQCQ2oxbfMSthCQV1.3.1 MOS管的电特性管的电特性I/V特性特性(1)o输出特性（输出特性（I/V特性）特性）n MOS晶体管的输出电流电压特性的经典描述是萨氏方程。晶体管的输出电流电压特性的经典描述是萨氏方程。n 忽略二次效应忽略二次效应，对于，对于NMOS管导通时的萨氏方程为：管导通时的萨氏方程为： VGSVth：MOS管的管的“过驱动电压过驱动电
32、压”，记为，记为VOV ；W/L称称为宽长比；为宽长比；L：指沟道的有效长度；：指沟道的有效长度； 称为称为NMOS管的导电因子。管的导电因子。n ID的值取决于：的值取决于：o工艺参数工艺参数nCox、器件尺寸、器件尺寸W和和L、VDS及及VGS。 2GSN2)2(VK 21)(DSDSthDSDSthGSoxnDVVVVVVVLWCILWCKoxnN211.3.1 MOS管的电特性管的电特性I/V特性特性(2)o讨论：讨论：n 截止区：截止区：VGSVth，ID0n 线性区：线性区：VDSVGSVth，漏极电流即为萨氏方程漏极电流即为萨氏方程n 深三极管区：深三极管区：VDS150mV（但
33、要注意短沟道效但要注意短沟道效应产生偏差）。应产生偏差）。n 亚阈值区：亚阈值区： VOV0：性能与性能与BJT相似，相似，gm/ID接近于常数。接近于常数。n 线性区：线性区：0VOV1是一非理想的因子；是一非理想的因子；ID0为特征电流：为特征电流： ，m为工艺因子，因此为工艺因子，因此ID0与工艺有与工艺有关；而关；而VT称为热电压：称为热电压： 。 exp0TGSDDVVII mCIoxD 210 qkTVT 亚阈值效应亚阈值效应亚阈值工作特点：亚阈值工作特点：o 在亚阈值区的漏极电流与栅源电压之间呈指数关在亚阈值区的漏极电流与栅源电压之间呈指数关系，这与双极型晶体管相似。系，这与双极
34、型晶体管相似。o 亚阈值区的跨导为：亚阈值区的跨导为：o 由于由于1，所以，所以gmID/VT，即，即MOS管的最大管的最大跨导比双极型晶体管（跨导比双极型晶体管（IC/VT）小。且）小。且ID不变而不变而增大器件宽增大器件宽W可以提高跨导，但可以提高跨导，但ID保持不变的保持不变的条件是必须降低条件是必须降低MOS管的过驱动电压。管的过驱动电压。 TDmVIg 亚阈值效应亚阈值效应o 因此在亚阈值区域，因此在亚阈值区域， 大器件宽度（存在大的大器件宽度（存在大的寄生电容）或小的漏极电流的寄生电容）或小的漏极电流的MOS管具有较管具有较高的增益。高的增益。o 为了得到亚阈值区的为了得到亚阈值区
35、的MOS管的大的跨导，其管的大的跨导，其工作速度受限（大的器件尺寸引入了大的寄工作速度受限（大的器件尺寸引入了大的寄生电容）。生电容）。温度效应温度效应 o 温度效应对温度效应对MOS管的性能的影响主要体现在管的性能的影响主要体现在阈值电压阈值电压Vth与载流子迁移率随温度的变化。与载流子迁移率随温度的变化。o 阈值电压阈值电压Vth随温度的变化：以随温度的变化：以NMOS管为管为例，阈值电压表达式两边对温度例，阈值电压表达式两边对温度T求导可以求导可以得到得到dTdCqNdTddTdVffOXfSUBsifth 2420 温度效应温度效应o 上式一直为负值，即上式一直为负值，即阈值电压随温度
36、上升而阈值电压随温度上升而下降下降。o 对于对于PMOS管则管则dVth/dT总为正值，即总为正值，即阈阈值电压随温度的上升而增大值电压随温度的上升而增大。 qEqkTTndTdqkTnNqkdTdgfiiSUBf22311lnln0温度效应温度效应载流子迁移率随温度的变化载流子迁移率随温度的变化 o 实验表明，对于实验表明，对于MOS管，如果其表面电场小管，如果其表面电场小于于105V/cm，则沟道中电子与空穴的有效，则沟道中电子与空穴的有效迁移率近似为常数，并约为半导体体内迁移迁移率近似为常数，并约为半导体体内迁移率的一半。率的一半。o 实验还发现，在器件工作的正常温度范围内，实验还发现，
37、在器件工作的正常温度范围内，迁移率与温度近似成反比关系迁移率与温度近似成反比关系。 温度效应温度效应o 漏源电流漏源电流IDS随温度的变化随温度的变化 o 根据以上的分析，温度的变化会引起阈值电压根据以上的分析，温度的变化会引起阈值电压与迁移率的变化，进而影响其漏源电流。由萨与迁移率的变化，进而影响其漏源电流。由萨氏公式两边对氏公式两边对T求导得：求导得：dTdVVVIdTdIdTdIththGSDSnnDSDS)(21 温度效应温度效应o 则有：则有： o 由于温度的变化对阈值电压与迁移率的影响正好是反由于温度的变化对阈值电压与迁移率的影响正好是反向的，漏源电流向的，漏源电流IDS随温度的变
38、化取决于这两项的综随温度的变化取决于这两项的综合，因此，合，因此，MOS管的电性能的温度稳定性比双极型管的电性能的温度稳定性比双极型的晶体管好的晶体管好。)21(dTdVVVTIdTdIththGSDSDS MOS管的小信号模型管的小信号模型MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-低频低频o 小信号是指对偏置的影响非常小的信号。小信号是指对偏置的影响非常小的信号。o 由于在很多模拟电路中，由于在很多模拟电路中，MOS管被偏置在饱管被偏置在饱和区，所以主要推导出在饱和区的小信号模型。和区，所以主要推导出在饱和区的小信号模型。o 在饱和区时在饱和区时MOS管的漏极电流是栅源电压的管的漏极电流是栅源
39、电压的函数，即为一个压控电流源，电流值为函数，即为一个压控电流源，电流值为gmVGS，且由于栅源之间的低频阻抗很高，且由于栅源之间的低频阻抗很高，因此可得到一个理想的因此可得到一个理想的MOS管的小信号模型，管的小信号模型，如图所示。如图所示。MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-低频低频(a) (b)MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-低频低频o其中（其中（a）为理想的小信号模型。）为理想的小信号模型。o实际的模拟集成电路中实际的模拟集成电路中MOS管存在着二阶效应，而管存在着二阶效应，而由于沟道调制效应等效于漏源之间的电阻由于沟道调制效应等效于漏源之间的电阻ro；而衬；而衬底偏置效应
40、则体现为背栅效应，即可用漏源之间的底偏置效应则体现为背栅效应，即可用漏源之间的等效压控电流源等效压控电流源gmbVBS表示，因此表示，因此MOS管在饱和管在饱和时的小信号等效模型如图时的小信号等效模型如图 (b)所示。所示。o上图所示的等效电路是最基本的，根据上图所示的等效电路是最基本的，根据MOS管在电管在电路中不同的接法可以进一步简化。路中不同的接法可以进一步简化。 MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-高频高频o 在高频应用时，在高频应用时，MOS管的分布电容就不能管的分布电容就不能忽略。即在考虑高频交流小信号工作时必须忽略。即在考虑高频交流小信号工作时必须考虑考虑MOS管的分布电容对
41、电路性的影响，管的分布电容对电路性的影响，o 所以所以MOS管的高频小信号等效电路可以在管的高频小信号等效电路可以在其低频小信号等效电路的基础上加入其低频小信号等效电路的基础上加入MOS管的级间电容实现，如图所示。管的级间电容实现，如图所示。MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-高频高频MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-高频高频o不同工作状态（截止、饱和、线性）时不同工作状态（截止、饱和、线性）时MOS管的分布电容值不同，因此若进行详细的计管的分布电容值不同，因此若进行详细的计算比较困难，但可以通过软件模拟进行分析。算比较困难，但可以通过软件模拟进行分析。o另外，在高频电路中必须注意其
42、工作频率受另外，在高频电路中必须注意其工作频率受MOS管的最高工作频率的限制（即电路的工管的最高工作频率的限制（即电路的工作频率如高于作频率如高于MOS管的最高工作频率时，电管的最高工作频率时，电路不能正常工作）。路不能正常工作）。CMOS中的有源电阻中的有源电阻有源电阻有源电阻 oMOS管的适当连接使其工作在一定状态（饱和区或是线性管的适当连接使其工作在一定状态（饱和区或是线性区），利用其直流电阻与交流电阻可以作为电路中的电阻元件区），利用其直流电阻与交流电阻可以作为电路中的电阻元件使用。使用。o1MOS二极管作电阻二极管作电阻 MOS二极管是指把二极管是指把MOS晶体管的栅极与漏极相互短接
43、构晶体管的栅极与漏极相互短接构成二端器件，如图所示。成二端器件，如图所示。 有源电阻有源电阻o 由上图可知，由上图可知，MOS二极管的栅极与漏极具有同的二极管的栅极与漏极具有同的电位，电位，MOS管总是工作在饱和区，根据饱和萨氏管总是工作在饱和区，根据饱和萨氏方程可知其转移特性曲线（漏极电流栅源电压间方程可知其转移特性曲线（漏极电流栅源电压间的关系曲线）如下图所示。的关系曲线）如下图所示。NMOSPMOS有源电阻有源电阻(一一) 直流电阻直流电阻o 此时此时NMOS管的直流电阻为：管的直流电阻为：o PMOS管的直流电阻为：管的直流电阻为：o 由以上两式可以发现：由以上两式可以发现：MOS二极
44、管的直流电阻与器二极管的直流电阻与器件的尺寸相关，并且还取决于件的尺寸相关，并且还取决于VGS的值的值。 2)(thnGSNGSDGSDDSonVVKVIVIVR 2)(thpGSPGSDGSDDSonVVKVIVIVR 有源电阻有源电阻（二）交流电阻（二）交流电阻o 交流电阻可以视为交流电阻可以视为MOS管的输出特性曲线在管的输出特性曲线在VDSVGS时的斜率，对于理想的情况，即忽时的斜率，对于理想的情况，即忽略沟道调制效应时，其值为无穷大。略沟道调制效应时，其值为无穷大。o 考虑沟道调制效应时，交流电阻是一有限值，考虑沟道调制效应时，交流电阻是一有限值，但远大于在该工作点上的直流电阻，且其
45、值但远大于在该工作点上的直流电阻，且其值基本恒定。基本恒定。有源电阻有源电阻1）忽略衬底偏置效应）忽略衬底偏置效应o 首先根据饱和萨氏方程，可得到其电压与电首先根据饱和萨氏方程，可得到其电压与电流特性：流特性：o 则有：则有： o 上式说明当流过三极管的电流确定后，上式说明当流过三极管的电流确定后，MOS管的二端压降仅与几何尺寸有关管的二端压降仅与几何尺寸有关 。2)(thGSNDVVKI NIthDSGSKVVVVD 有源电阻有源电阻o 再根据再根据MOS二极管的低频小信号模型，有：二极管的低频小信号模型，有：V1V和和IV/rogmV。所以小信号工作时。所以小信号工作时MOS二极管可近二极
46、管可近似为一个两端电阻，其值为：似为一个两端电阻，其值为： 即：即：o 二极管连接的二极管连接的MOS管的交流电阻等于其跨导的倒数，管的交流电阻等于其跨导的倒数，且为一非线性电阻。且为一非线性电阻。o 但由于在模拟电路中一般交流信号幅度较小，因此，但由于在模拟电路中一般交流信号幅度较小，因此，在直流工作点确定后，可以认为其值为一恒定值。在直流工作点确定后，可以认为其值为一恒定值。 momgrgIV1)1(/ 有源电阻有源电阻2）考虑衬底偏置效应）考虑衬底偏置效应o 如果考虑体效应，如下图（如果考虑体效应，如下图（a）所示，由于衬底接地电）所示，由于衬底接地电位，则有：位，则有：V1V，VbsV
47、，其等效电路如下图，其等效电路如下图（b）所示。）所示。（a) (b)有源电阻有源电阻o 根据根据KCL定理，由上图（定理，由上图（b）可以得到：）可以得到： o 所以此时的等效电阻为：所以此时的等效电阻为： o 上式即为考虑了衬底偏置效应与沟道调制效应的小上式即为考虑了衬底偏置效应与沟道调制效应的小信号电阻，由上式可知：在考虑衬底效应后，从信号电阻，由上式可知：在考虑衬底效应后，从M1的源端看其阻抗降低了。的源端看其阻抗降低了。 )(IrVVggombm mbmombmombmggrggrggIV 1111有源电阻有源电阻2MOS管的栅极接固定偏置管的栅极接固定偏置o 根据根据MOS管的栅极
48、所接的固定偏置的大小不管的栅极所接的固定偏置的大小不同，同，MOS管可工作于饱和区与三极管区。管可工作于饱和区与三极管区。o 在实际应用中，根据输出端不同，又可分为在实际应用中，根据输出端不同，又可分为漏输出与源输出两类工作方式。漏输出与源输出两类工作方式。 有源电阻有源电阻1）漏输出，源极交流接地）漏输出，源极交流接地oVGS是固定的，当是固定的，当MOS管的漏源电压大于栅极的管的漏源电压大于栅极的过驱动电压时，过驱动电压时，MOS管工作于饱和区，忽略沟道管工作于饱和区，忽略沟道调制效应时，其阻值为无穷大，但实际阻值应考调制效应时，其阻值为无穷大，但实际阻值应考虑沟道调制效应，可用饱和萨氏方
49、程求出：虑沟道调制效应，可用饱和萨氏方程求出： DoIr 1 有源电阻有源电阻o 而当漏源电压小于栅极过驱动电压时，而当漏源电压小于栅极过驱动电压时，MOS管工作于三极管区，此时的等效输管工作于三极管区，此时的等效输出电阻为：出电阻为：)(21thGSNoVVKr 有源电阻有源电阻2）源输出，漏极交流接地）源输出，漏极交流接地o此时栅源电压随输出电压变化，当此时栅源电压随输出电压变化，当MOS管工作于管工作于饱和区时，其输出电阻为饱和区时，其输出电阻为1/gm；而当；而当MOS管工管工作于三极管区时，其输出电阻值为：作于三极管区时，其输出电阻值为： 式中的式中的gm为器件跨导，而为器件跨导，而gd则为器件导纳。且有：则为器件导纳。且有： o所以此时的输出电阻值较小。所以此时的输出电阻值较小。dmoggr 1DSNmVKg2 DSNthGSNdIKVVKg2)(2 有源电阻有源电阻o 总之，当总之，当MOS管在电路中作有源电阻时，管在电路中作有源电阻时，一般栅接固定电位（接漏是一种特例），这一般栅接固定电位（接漏是一种特例），这时根据栅电压大小来判定时根据栅电压大小来判定MOS管的工作区管的工作区域（饱和区与三极管区），另外，输出的端域（饱和区与三极管区），另外，输出的端口是源端或是漏端，其呈现的阻抗也不同。口是源端或是漏端，其呈现的阻抗也不同。
