双mos晶体管等效电阻

双 MOS 晶体管等效电阻 * 沈 杰，靳东明，李志坚 1.2 双 MOS 管电阻原理 为此，提出了由两个 MOS 管组成的双 MOS 管等效电阻，可以满足 Vds 在一定电压范围内(如 14V)工作的要求，其模拟和实测的误差在 5%以 内，阻值在几 k 到十几 k 之间。 如图 1 所示， M1， M2管尺寸相同，工作条件是： Vg=5V,Vd在 14V 之间， Vs0V，所以，M 1管工作在线性区，M 2管工作于饱和区。 图 1 双 MOS 管电阻结构 由萨方程可知： I1ds=k2(Vgs-Vt1)Vds-V 2ds， VdsVgs-Vt1, 非饱和区 (3) I2ds=k(Vds-Vt2)2， 0Vgs-Vt2Vds, 饱和区 (4) 总电流 I=I1ds+I2ds=k2(Vgs-Vt1)Vds-V 2ds+k(Vds-Vt2)2 2k(Vgs-Vt1)Vds+k(Vds-Vt2)2-V 2ds= 2k(Vgs-Vt1-Vt2)Vds+kV 2t2=I1+I2 其中 I1=2k(Vgs-Vt1)Vds,I2=kV 2t2,Vt1与 Vt2分别是 M1管和 M2管的 开启电压。 可见，若 Vt2=0，即 M2管是开启电压为 0 的管子，则总电阻 R=2k(Vgs-Vt1)1 ，是个线性很好的电阻(与单 MOS 管在线性区的阻值公 式相同)。但是，为了制作 0 管，需要增加工艺步骤。下面，讨论 M2管 同 M1管开启电压相同且不为 0 的情况，即 Vt1=Vt2=Vt,这时总电阻 R=2k(Vgs-2Vt)+kVt2/Vds-1,与 Vds有关。取 Vgs=5V, Vt=0.7V,当 Vds=1V 时， R=(7.69k)1 (这里的 k=C oxW/(2L),当 Vds=2V 时， R(7.445 k) 1 ，相对于 Vds=1V 时的电阻变化为 96.81%；当 Vds=4V 时， R=(7.3225k) 1 ，相对于 Vds=1V 时的电阻变化为 95.22%，效果很好。 取 n=500cm2(V s)，=3.9 0=3.98.85104 F/cm, tox=40nm，所以 k=21.6W/L A/V 2，当 W =20m, L=5m 时，电阻 R 约 为 6.4k。可以以此来估计双 MOS 管等效电阻的阻值大小。V ds越大(在 Vgs-VtVds条件下)电阻的线性就越好。WL 越大，电阻的阻值就越小。 2 模拟及测试结果 图 2 是双管电阻的测量电路，输入电流值从 60A 增加到 110A(不能从 0A 开始，否则 VP 0V，不符合双管电阻正常工作的条件)，双 MOS 管(MR 1和 MR2)尺寸均为 W 10m, L5m。 图 3 是模拟结果，可见流过 MOS 管 MR1和 MR2的电 流值 Is从 60A 变化到 110 时，电压 VP在 0.9691.846V 之间变 化，电阻值 R =VP/Is在 16.11117.28k 之间，中值是 16.6955k， 误差为3.63%. 图 2 电阻测量电路 图 3 双管 W/L 相同时电阻阻值的模拟结果 制作了 W/L 分别为 9m/2m，9m/5m，9m/10m，9m/15m 4 种不同的双 MOS 管 电阻，在不同的工作条件下(栅压 Vg取不同的值)进行了测量，结果见表 1。 其中 Rn表示电压 Vds为 n 时的等效电阻值。可见： 表 1 双 MOS 管电阻测量结果 (W=9m) L=2m L=5m L=10m L=15mV g/V Vds/V I s/mA Rn/ Rn/R1.5 Is/A Rn/k Rn/R1.5 Is/A Rn/k Rn/R1.5 Is/A Rn/k Rn/R1.5 0.5 0.65 769 0.877 147.2 3.4 1.18 58.8 8.5 0.86 48.2 10.37 0.899 1.0 1.21 826 0.942 363 2.75 0.951 107.6 9.29 0.946 91.2 10.96 0.967 5 1.5 1.71 877 519 2.89 152.4 9.84 130.1 11.53 2.0 2.15 930 1.06 658 3.04 1.049 192.3 10.4 1.059 167.8 11.92 1.051 2.5 2.49 1004 1.14 789 3.17 1.10 240 10.42 106 215 11.63 1.008 0.5 0.724 691 0.916 291 1.718 0.902 88.6 5.643 1.065 62.4 8.013 0.916 1.0 1.38 725 0.962 551 1.815 0.953 169.8 5.889 1.111 118.6 8.432 0.964 8 1.5 1.99 754 788 1.904 283 5.3 171.4 8.751 2.0 2.81 712 0.944 1017 1.