（微电子学与固体电子学专业论文）晶体管不匹配补偿研究.pdf

摘癸 摘要 集藏电路工艺过程中，工艺参数的分布会引起器件结构参数和电学参数变化。 睫黄半导体技术不断发展，搬工尺寸不断缩小，工艺参数的分布导致的器 牛电学 参数分布，直接引起嗽路失配以及成品率的降低，工艺参数导致的器件失配成为 设计过程中必绥考虑数因素。 本文通过集成电路工艺等比例缩小原则带来的相关效应，阐述了m o s f e t 电 学参数分窍静主器瑟戮。总结了m o s f e t 失配对电路瞧能酶影嫡及消除技术，奔 绍了版图设计方法和电子学方法消除失配的原理。针对电流镜和d r a m 读出放大 器，设计了补偿电路，采用t s m c 0 2 5 u m 标准c m o s 工艺参数进行定量分析与仿 真验证，仿真结果证明补偿电路实用有效，达到了预期蛇设讨+ 目的。 关键运：失配等毙铡缀夺电流镶读逛放大器 垒垒兰! 堡垒曼! _ _ _ 。_ w _ _ _ _ _ 。_ _ m _ 。* _ _ 。_ _ 。“h _ 。_ 。_ - _ _ 。” a b s t r a c t i ns e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，t h ed i s t r i b u t i n go ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r w i l la f f e c tt h es t r u c t u r a lv a r i a i o n so fd e v i c e sa n dl c a d st ov a r i a t i o n si nd e v i c e c h a r a c t e r i s t i c sa n dc i r c u i t p e r f o i t n a n c e s w i t h t h e d e v e l o p m e n t o fs e m i c o n d u c t o r t e c h n i q u e s ，t h ef e a t u r es i z e sa r ea g g r e s s i v e l ys c a l e dd o w n ，c i r c u i p e r f o r m a n c e sa r e e x p e c t e d t ob ei n c r e a s i n g l ys e n s i t i v et om a n u f a c t u r i n gv a r i a t i o n s t h e d i s t r i b u t i n g o ft h e p r o c e s sp a r a m e t e r l e a d st ot h ev a r i a t i o n si nd e v i c e e l e c t r o h i e ，a n dd i r e c t l yc a u s e st h ec i r c u i t sm i s m a t c h ，s od e d u c e st h er a t i oo ft h e f i n i s h e dp r o d u c t t h ed e v i c e sm i s m a t c hw h i c hl e dt ob yp r o c e s sp a r a m e t e rb e c o m e s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h ei c d e s i g n 。 b yi n t r o d u c i n gt h ee f f e c tb r o u g h tb y t h es e m i c o n d u c t o rt e c h n i q u es c a l e dd o w n ，t h e p a p e rp r e s e n t st h er e a s o nt h a tc a u s e st h ed i s t r i b u t i n go f t h e d e v i c ee l e c t r o n i c sp a r a m e t e r s u m m a r i z e st h ee f f e c to ft h ec i r c u i t s p e r f o i t l l a n c ec a u s e db ym o s f e t sm i s m a t c h ， d i s c u s s e st h et e c h n i q u es u c ha sm e t h o do f l a y o u td e s i g na n d e l e c t r o n i ct e c h n i q u e ，w h i c h w a su s e dt oa v o i dt h em a l a d j u s t m e n t a i ma tt h ec i r c u i tc e l ls u c ha sc u r r e n tm i r r o r c i r c u i ta n dd r a ms e n s ea m p l i f i e r , d e s i g n i n gt h ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t t h ec i r c u i ti s s i m u l a t e df o r0 2 5 # mc m o s p r o c e s sp a r a m e t e r s a l s o ，q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sw a sd o n e r e s u l ts h o w s g o o da g r e e m e n t w i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t t h ec o m p e n s a t i o n t e c h n i q u ei s s u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e d k e yw o r d s ：m i s m a t c h ；s c a l e dd o w n ；c u r r e n tm i r r o r ；s e n s ea m p l i f i e r 剖薪褴声明 本人声明所呈交的论文是我个人在嚣师指姆下进行的研究工作及取得的研究 戏果。烬我翳疑，除了文中特别搬以标滚襄致落中爱罗烈静内容戮终，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成粱；也不包含为获得西安电子科技大学戚 箕它教肖辊秘瓣学霞证书露使焉j 建静榜辩。与筏一溺工作的同志对奉磺究所骰麴 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关资任。 本人签名：琶：整 日期：万1 、，7 关于论文使用授权的说明 本久完全了群舀安电子科技大学有关保留和使翊学位论文的飙定，朝：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校籍，发表论文威使粥论文工作成巢时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保整送交论文鲍复印l 牛，允许焱阕靼缨阙论文；学校可以公布论文鑫勺全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文 在鼹密薅应遵守夔蕊定) 本举位论文属于保密，在年解密后适用于本授权书。 本人签名：筐：照塑 日期：弦力 ，f 7 导师签名：乏堕盘。 日期：竺竺：! ：12 第一牵绪论 第一章绪论 。 凝述 疆着数字纯时代鹃来涵，电子产品特别是高集成凌的电予产品扮演着举足轻 重的角色。便携忒的电子设备受到越来越多人的费陕，这一切，大部分归功子集 成电路技术的发展。随着集成度的穗高，工艺的进步，器件尺寸也不断减少。几 十年柬，半导体豢成电路蛇发鼹过程霹涯了摩尔强言”l 的准确瞧。在半导体裁迄过 程中，在一定的工艺条件下总存在一些不可控的阂素。这些不可控因索影响着器 譬参数熬滚羲著簿致器传( 翔：磊落餐，电阻，毫容等) 特往秘电路骰能静交纯。 如图1 1 1 2 】所示为工艺参数一器件参数一电路参数的变化关系。 上i 量 量 t o x v t 囊 量| 量 量 p o | yl i n e w i d l h i d s a td e l a y 暇1 1 半导体傣造中的统计参数变饯 蓉名的摩尔定律( m o o r e sl a w ) 预言大约每1 8 个是，芯片的集成度提毫 l 倍，功耗下降一半。集成度的不断提高意昧着工艺精度舞求越来越高，芯片的工 终瞧压越来越低，阙僮魄压遣夔之辫低，裁造过稔中_ i 笔参数分布导致器搏静电 学参数和结构参数的分布对电路性能的影响越来越大，或接影响成品率，并可能 导致器件失效。 noa p s 跳垂。 ewop 晶体管不匹配补偿研究 1 2 论文的意义 由于工藏参数分布引起的晶体管电学参数分布，对电路性能的影响日益严蘑。 霹此，研究不匹配晶俸篱砖电路性熊豹影确显褥十分菱要。研究缝暴对提毫l c 骢 可制造性( d f m ，d e s i g n f o rm a n u f a c t u r a b i l i t y ) 和收益率有缀大帮驹。在设计方法 上，对晶体管的不匹配而引起的电路必调进行补偿也成为越来越蘑要的一个研究 课题。 图1 2 器件参数分布及电路参数静态模型分布 弱图1 2 强所示，为蒜l 造过程中嚣箨参数豹分蠢与电路参数静态分布豹关系。 特定工艺条件下的器件失鼹己程度决定了电路的最终设计精度和成髓率 3 1 。现在针对 这种情况，国际上一般对模型参数提取进行研究，考虑工艺过程中参数的波动， 基于现鸯戆参数测试数掇提出一耱凝黪关于器 孛失配模型款方法，爱精确蕊 m o s f e 失酝模型来约束电路优化【4 j 。抱最坏情况下的模型和器件的统计模型缩合 在一起，运用新的算法，提高了现在统计模型的有效性与精确性1 2 。 当前m o s f e t 失配模型的研究趋势主要为； 1 ) 深溉锾米下m o s f e t 失配模麓静骚究雕6 黝。 目前c m o s 集成电路的设计尺寸融经到了深溉微米的设计领域。当器件特 征尺寸缩小时，同m o s f e t 电流一电膳模型一样，m o s f e t 失配模型要考虑的因 素更翘复杂，需要更多懿耱理参数来耱确表茳器终失怒特瞧。 2 ) 特定电路失配优化设计方法的研究。 第一鬻绪论 由于模拟电路存在较大的蕊异性，将特定的电鼹单元( 如电流镜，a d ，d a 等) 中m o s f e t 失配表征在传递函数中，怒目前比较活跃的一个研究方向。根据 传递滠数，可以累绞的评售电鼹戆综台性能，在癸趣 镶电路麴条咎下，骰好芯 片面积和失配性能的折衷。 3 ) 器释失配 ； | | 试方法静赣究 8 1 1 9 1 。 本身器件失配就是工艺参数的微扰在统计学上的表镊，如何获取准确的 失配数据( 包括单个器件与其体的电路单元) 也是研究过程中的一个滩点。 本文所研究设计方法，是在此基础上，从电路层嚣分毒厅不艇配原因，在电路 设计过程中插入个补偿过程。在不影响电路整体性能的前提下，利用电路本身 的特蛙对巍予不黢配弓l 趣豹电熬经g l 镳差逶嚣季牵裁。 l 。3 本文歪侔 本文邋过集成电路工艺等玩镄缩小原刘带来的褶关效应，阐述了m o s f e t 电 学参数分布的主要原因。总结了m o s f e t 失配对电路性熊的影响及消除技术，介 绍了版图设计方法和电子学方法消除失配的原理。针对电流镜和d r a m 读出放大 器，设计了枣 偿毫路，袋爝t s m c 0 2 5 u m 标准c m o si 蕊参数避卷定爨分捱与费 真验证，仿真结果证明补偿电路实用有效，i 塞到了预期的设计目的。 砉仑文先弱颞7 莓爨弼缩小蕊豢来系列往煮，及萁本身所带来的一系列负面 的效应。接着从器件参数层面分析了不匹配的原因，引申到电路中的影响。分析 了器件失配对电路性能的影晌，并在此基础上，在电路设计方法上，用电子学方 法对失配g i 起螅阚题进镗毒 偿，分板电路参数对器牛不旺配比较敏感鲶电鼹肇元 如：d r a m 单元，电流镜的不匹配原因，并设计相对的补偿电路，并通过仿真验 证，涯明对不匹酝能有效靛攘粼。终黉摹鏊在论文期凌黪硬究工作，糍够黠瞧鼯 设计中避免不匹配引起失效能越到一定的借髂作用。 晶俸餐不莛配 错臻究 第二章接冼铡缩小理论 2 。 摄述 现代半导体工业中c m o s 工艺占支配地位的两个最主要原因是c m o s 逻辑的 零静态功耗敷m o s f e t s 瓣够按毖缀缝小f 1 3 l 。 理想的绞# e 镶缩小瀵论遵循三条髋则： ( 1 ) 器件所有的横向和纵向尺寸都缩小口倍( 穗 i ) ： ( 2 ) 阏值电压和电源电压缩小甜倍； ( 3 ) 瑟鸯匏掺杂浓发增鸯嚣鑫整，冤嚣2 。l 。 琶毫 ，臣z 互刁 团田 p 型村底 广 疆步磁好 p 型衬底 圈2 1m o s 鼎体管理想按比例缩小 2 2 等 匕例缩小的优点 嚣为足寸蟊电疰一起缓，l 、，瑟良麓髂警痰部掰鸯邀场傈持不变，嚣瑟稔为。，遥 定电场按比例缩小”。w 。l ，t o x ，v d d ，v t h 和源漏绺的结深、周长都按比例缩小 a 倍。 当器释按比侧缝4 、爱，键秘漏迄流瓣平方律关瑟，写为 _ 。= 弘 ( 篇降孳) 2， = 三致警眩嘞) 2 吉 ( 2 2 ) 第二章按比例缩小理论 从式中看到：饱和电流下降到原来的l t a 。( 同理：线性区也可以得到相同的 结果。) 并且，按比例缩小的优势在于可以减小电容和功耗。总的沟道电容为 厶，。；翌墨) 口口 ：上耽c g ( 2 3 ) ( 2 4 ) 为了计算源漏电容，首先分析理想按比例缩小对耗尽层总宽度的影响。耗尽 层宽度可由下式给出： = 净q 【志n 卜昧)1 i fl 虬+ 。厂8 。i “ ( 2 5 ) 式中n a 鞠n 拧表示缝嚣逸懿掺杂浓菠，丸= 墨k a 0 ，母) v r 鼹发囱臻萋魄 羼。内建势靠撼以n b 的弱函数，实际上，当。增大比2 倍时，九的数值增加。 糟假定珞丸，可得 吼。d “ 厨茅磊 吉蕊 ( 2 6 ) ( 2 ， 因此，与其他器件一样，耗尽层的窝发也按比例缩小群倍，从掰搜单位面积 煎耗尽区宅客罐大g 薅。 如图2 2 所示，源漏p n 结底板电容( 单位面积) c ，增大口储，另一方面， 嚣为p n 结结深减小d 倍，肇饿宽度豹侧熬魄容e 。保黪不变，出此缮到： * i w i e ( a q ) + 2 争a ( ) ( 2 s ) m 哆+ 2 妙+ 去 因此，所有的电容都缩d , i n 样的倍数。 晶体管不匹配补偿研究 图2 2s d 结电容按比例缩小 在数字应用中，门延时和功耗的按比例缩小很重要。c m o s 反相器近似延时 为7 ：，= ( c ，) 。，见图2 3 ，可得出 ， 一c a t m 2 可云专 = 悟皓 v 图2 3c m o s 反相器 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 由此得到，数字电路的速度可能会提高口倍。对于功耗，有p = f c 吃，式中 厂为工作频率。如果电路的工作频率和门数保持不变， 只。= 厂( c 口) ( 口) 2 = f c 2 。a 3 。值得注意的是，版图密度也就是单位面积 晶体管数也按比例提高口2 倍。 现在考虑理想的按比例缩小对模拟电路的影响。按比例缩小后，器件跨导变 为 = ( a ) 等毕 = 孚( 一) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 第二章按比例缩小理论 从式中可以看到，当所有尺寸，电压( 电流) 按比例缩小时，跨导维持不变。 接下来计算工作在饱和区时器件的输出阻抗，先分祈图2 4 和等式( 2 7 ) ，可 知环绕漏区的耗尽层宽度减d , a 倍，因而a l i l 保持不变。因为，毛= ( , 、l i l ) p 基， 故丑增加口倍，而且 r o 脚“= ( 2 1 4 ) 以生 d ；上 ( 2 1 5 ) 孟l 。 因此，本征增益鳊，。维持不变。 豳2 4 按比例缩小对沟道夹断的影响 按比例缩小对模拟电路最大的影响是电源电压的减小。在理想按比例缩小时， 最大允许电压摆幅下降搿倍，从而减小了电路的动态范围。 2 。3 。1 摄述 2 3 等比例缩小带来的一系列效应 隆着等院饿缀夺，嚣待特缝尺寸越来越小，光赛# 线宽越来麓窄，鼙令静m o s 器件也出现了一系列的效应，称之为小尺寸效应。 小尺寸效应怒由五种函素弓| 起的，这五军孛因素又是由于偏离了理想按比例缩 小理论而产生的。分别是； ( 1 )由于电源电压没有按相同比例缩小而引起电场增大； 2 装( 1 6 5 中戆塞建势氍不缝按毖型变化又不黪忽略不诗； ( 3 ) s d 结深度不容易减小； ( 4 )涵子瓣瘸掺杂浓凄增蕊蔼g 莛迁移率藏小： s晶体管举匿配蛰穰骚戴 ( 5 ) 艇闽值斜率不能按比例变化。 2 3 2 阂值电压的变化 在典型电路应用中，阈僵电压的选择由器件的性能决定。为了不降低数字 c m o s 门弱漶疫，溺蘧惫凝静上隈蓬为v d w 4 。莫下黻僵取决予翻下冗令嚣索：亚 阈值特性、随温度和工艺的变化、与沟道长度的依赖关系【1 4 】。 首先考虑皿闽值特性。对于长沟道器件，亚阈慎漏电流由下式给出： c a w v r ? i e x p 蛩) ；一e x p 睾) 翰 式中q = 矗g i ( 4 8 ) ，表示栅下的耗尽区电容，巧= k t q ， 害= 1 + 0 ，* 1 7 j 。式( 2 。1 6 ) 揭示了嚣个特性。第一，当v d s 越过v t 的凡倍时， i d 与源漏电聪无关，该式简化为等式； 毛= l oe x p 导 ( 2 1 7 ) ；9 7 第二，谯这种条件下，i d 在对数坐标上的斜率为 鬻字却喝翻壶 眨 这个值的倒数通常写作“亚闽值斜率”，用s 表示： 厂，1 、 s = 2 3 v 7l1 + l v d e e ( 2 1 9 ) k ( - o x ， 为了在v o s 小于v t h 时晶体管关断，s 必须尽可能的小，即c d c o x 必须最小。 相对不变的s 值严重限制了阀值电压的按比例缩小。 如果考毖滠震毒噩工艺瓣v t h 变化戆影穗，按篦铡缀枣v r h 将趸蕊嚣难。爨壤 电压的温度系数约为一t m v f k ，导致v t h 在( o 5 0 0 c ) 内变化5 0 m m 。2 1 2 艺引超 的变化也近似为5 0 m v ，这样产生的变化范围大约为1 0 0 m y 。因此，很难将v t h 降到几百毫伏以下。 在按沈恻缀小静鑫钵繁中可班看到阙值龟压对溺邋长度静依赣。就是v t h 涎l 的减小而变小。这时因为漏结和源结的耗尽区显著地伸进了沟道隧，因而在淘遒 中减小了由栅极电荷镜像地固定电荷，见图2 6 。结果产生反型层所濡的栅压变小。 殿为在铡遥中溜暹长度不能壤礴控制，这会弓 起v h 瓣瓣熬交化。 第二章按比例缩小理论 源漏镜像电荷 栅镜像电荷 p 翌村底 图2 6s d 耗尽区和沟道耗尽区的电荷分享 与阈值电压有关的另一个短沟道现象是“漏致势垒降低”( d i b l ) 。在弱反型 层状态下，随着栅压增加，表面势将变的更正，见图2 7 ，以吸引来自源区的载流 子。在短沟道器件中，漏区电压在耗尽区产生二维电场，也使得表面势更正。实 质上，在漏区引入一个电容c d ，引起表面势增加的机理类似于c d 。这样使得阻 碍电荷流动的势垒减低，因为闽值电压也减小了。 v g p 型衬痣 图2 7 短沟道器件中的d i b l 2 3 3 垂直电场引起的迁移率变化 在大的栅源电压下，栅和沟道间产生的高电场将载流子局限在s i 0 2 界面下狭 窄的区域，从而导致更多的载流子散射，使迁移率下降。由于实际按比例缩小严 重偏离了恒定电场情况，小尺寸器件的迁移率下降的很厉害。模拟这种影响的一 个经验公式是 2 雨丽, l l j o 丽 ( 2 2 0 ) 式中，风表示“低电场”下迁移率，口是拟合参数，约为f l o 。7 t o , ) v 一1 8 1 。 事实上，i d 可写成 铲圭褊警( 蚓2 晶体管不匹配补偿研究 除了降低m o s f e t 的电流和跨导外，迁移率退化也使m o s 管i ，v 特性偏离 简单的平方律特性。 2 3 4 速度饱和 载流子迁移率也依赖于沟道区的横向电场。当电场达到1 v a m 时，迁移率开 始下降。注意到，由于v = a t e ，当电场足够强时，v 会达到一个饱和值，约为 1 0 7 c m s 。因此，当载流子从源区进入沟道，流向漏区时被加速，在沟道区的某一 点，载流子可能会达到速度饱和。极端情况下，载流子甚至会在整个沟道区域达 到速度饱和。则 = v q = v s a ，蜴( 2 2 2 ) = ，w c o x ( p 淼一) ( 2 2 3 ) 这时，电流与过驱动电压是线性比例关系，而且与沟道长度无关。实际上， 如图2 8 所示，l l c t m 器件的i d 一特性表现出了速度饱和，因为一巧。的等 量增加产生i o 的近似等量增加。而且，g 卅= c 矗，因此，在速度饱和的时候， 跨导是沟道长度和漏电流的弱函数。 图2 8 速度饱和对漏电流特性的影响 在典型的偏置条件下，m o s f e t 表现出一些速度饱和，玑，特性介于线性和平 第二章按比例缩小理论 方率之间。个很羹要的结论怒：随着v g s 增加，漏电流在淘道夹断之前已充分 饱和。如图2 9 ( a ) 所示，当v d s 越过v d o v g s - - v t h 的饱和电流。并且，如图 2 9 ( b ) 所示，速度饱和时，v g s 的增加引起的i d 增量变小，因而跨导也低于平方 律特性所预期的数德。 在饱和区反映速度饱和的一个紧凑通用的解析式为 铲r 爨 眩：。 p 形 式中，o 由式( 2 2 0 ) 得到 1 s , 1 6 j 。间样，可以得到提前饱和的开始点的源漏电压， ( 豳2 9 ( a ) 中的v d o ) 为 。= 点2 e 。鲤t l + 遄v a s - v r h ( 2 2 5 ) ， i ( b 图2 9 速度饱和现象 ( a ) 漏电流提前饱和；( b ) 跨导的降低 2 晶体管不匹配孙馁研究 式( 2 2 4 ) 可以褥出：第一，如榘l 或足够大，方程退化为平方律关系。 那么，即使l 相对较小，该器件仍然遵循平方稿l 特性。 式( 2 ，2 4 ) 可以进步麓纯褥到燕一个结果a 把式( 2 。2 0 ) 静代入式( 2 + 2 4 ) 铲r 磊孝赫 偿2 6 ， 飘辚 ，( 2 2 7 ) 吾胁警萜 2 8 ) 将上式和式( 2 2 1 ) 比较，可以得出，式中胁( 2 上) 和目分别代表横向和灌直电 场引起的迂穆率的退化。 2 3 5 热载流子效应 当滚滚电压足够大孵，短沟道m o s f e t s 会蠢缀强豹横向电场。虽然在强电场 时，载流予平均速魔达到饱和，毽载流子瞬霹遮麓会不断增大，因而其动能也不 断增大，尤其是在加速向漏极运动时。这些载流子被称为“热”电子。 在漏区附近，热潋流子以极高的速度“撞击”硅原子，发嶷碰撞电离。结果， 产生售麓毫子一空穴对，电子滚囱瓣速，瑟窆穴滚淘薅瘫。予建，产生了鸯陵豹 漏一衬电流。而且，如果载流子获褥足够高的能蹩，它们也有可能注入栅飘中， 甚至流出栅极，产生栅电流。通常通过测量衬底电流和栅电流来研究热裁流子效 建。 。 2 3 6 漏一源电压引起的输出阻抗的变化 在g i 入攀一攀虽天寒摸l 薹 沟遴妖度援割露，骰定：在键亵送，鑫体警貔戆塞 阻抗r o 趋常数，然而，实际上r o 随v o s 变化。随着v d s 增大，必断点向源蕊移动， 第二警接鲍铡维夺璞论 源漏耗尽区展宽的遴摩减小，从而产生个更大的输出阻抗。如图2 1 0 所示，这 穆效应露熹类 菠予爱赣p n 结毫骞熬交纯；在拳熬复镶篷下，耗尽送竟凄怒p n 结 偏压的强函数，而在大的反向偏压下，耗尽区宽度是p n 结偏臌的弱函数。 翻2 1 0 ( a ) v d s 较小时沟道| 圭度的减小；( b ) v d s 较大时沟道长度的碱小 ( c ) 对i ，v 特性的影响； 在魄鞠状态下，徐囊整菝近钕凳 咯= 芒量毒止孥( 一一一 c 。册， 三 式中v o s 。为夹断开始对的源漏电藤i 1 7 】。 在短沟道器件中，随着v d s 的进一步增大，漏致势垒降低( d i b l ) 变得更加 显著，导数阈值电压减小，漏电流域大。d i b l 引超的r o 的减小与式( 2 2 9 ) 表示 静结采蘩零抵港，後输遗疆菰墓零缕持不交。农怼够亳静漏墩压下，瀑送瓣近碰 撞电离产生一个大的电流( 由漏区流入衬底) ，实际上降低了输出阻抗。r o 总的变 化曲线如图2 1 1 。 晶体管不匹配补偿研究 r 图2 1 1输出电阻随v d s 总的变化曲线 r o 的变化在许多电路中引入了非线性特性。例如，共源共栅器件的输出阻抗 也随之变化，因而电路的电压增益也发生变化。而且，碰撞电离限制了共源共栅 结构所能达到的最大增益。这是因为引入了个由漏导衬底、而不是由漏到源的 小信号电阻。 第兰章不匹配分析与补偿 第三章不匹配分析与补偿 3 。 不匹配源因 谯实际中，由予制造工艺中每一道工序的不确定性，栎称相同的器件都存在 有限的不匹配( 失配) 。侧如，图3 1 所示；两个m o s f e t 的栅尺寸存在随机的、 极细微的变化，因北，它们在等价救长发积宽度方嚣均存谯羞失熬，尽瓣它们具 有相同的版图。另外，m o s 器件的阈假电压也呈现出失配，因为根据式( 2 1 ) ， v t h 是海遂嚣褒掇授孛掺象程疫蠡冬露数，瑟这些掺杂黢疫在个器传帮舅一巾嚣传 间会产生随机的不同。 图3 1由于器件尺寸的细微变化产生的随机失配 研究失配包括两步： ( 1 ) 识爨导致失配器传闻失酪载搬理共爨公式表示； ( 2 ) 分析器件失配对电路性能的影响； 毽是，第一步饕鬻复杂，嚣且对铡遗工艺裙舨蚕依赖毪撮大，经常要求对失酝 避行实际测量。例如，对电容器之间所能达到的失配舆型值为0 1 ，但怒这个德 不是从任何黧础值中得到豁。因此，我们只考纛一些簇本的趋势与直观的结果。 另外也从实现最小失配的版图技术出发设计电路版图。 鑫髂管不嚣配 髅磺究 3 2 1 减小不匹配的方法 3 2 苓暇配的定量分橱 当我们涛楚在逶黎嚣静m o s f e t s 懿猿瞧表述为毛= = t ，c 一”， 、k 一扩未) 2 豹 l 时候，我们发现，对于两个标称相同的晶体管，c o x ，w ，l 以及v t h 之间的 失配导致了漏极电流的必配( v g s 圈定) 或椴源魄压的失配( 濑极电流固定) 。蛊 观上，我们认为随着w 与l 的增赫，它们的穗对必配，等与竽，会分涮减小， 也就是说趟大的器件袭现出越小的必配。一个更蘸要的观察结果是，随着晶体管 面积( w l ) 的增加，所有蛉失配郡减小。例如，增大w 会使尝与竽都城小。 这是因为随着w l 的增加，随瓿变纯经历更大的“求平均”避程，因此萁稻值下 降了。对于图3 2 所示的情况，有a 如a 厶，这是因为，如果该器件被看成许多小 的并联晶体篱，如图3 3 掰示，两每一个宽度为w 。，那么我们霹敷写出等效长度 t 为毛z 0 厶+ a 上2 + k ) 2 i n 。因此，总的变化为 上 k ( a 磊+ 矗三2 + 矗厶) 2 ，嚣 。嶝 a 厶 、 ( 3 。1 ) ( 3 2 ) 3 , 3 ) il i i i i i i 一一一i 溆# 茸噼= 瑚回荨= = 尊= = = 期 i i i il 一i 一一一if i i i i ii 图3 2由于增大宽度而使忮度失配减小 出 出 第三章不匹配分析与补偿 这里的a 厶是宽为w o 的晶体管长度变化的统计值。等式( 3 3 ) 表明，对于给 定的w o ，随着n 的增加，k 的变化减小。 图3 3 宽m o s f e t 被看成窄器件的并联 上述结论也可以扩展到其他器件参数。例如，我们假定：如果器件面积增加， 与v t h 有更小的失配。如图3 4 所示，理由是，大尺寸的晶体管可以分解为 宽长分别为w o 和l 0 的小的单元晶体管的串并联，其中每个单元都呈现出( c 赢) ， 与巧础。对于给定的w o 与l o ，随着单元晶体管数目的增加，川与v t h 经历更 大的平均过程，致使两个大尺寸晶体管之间的失配更小。 图3 4 大尺寸m o s f e t 可看成小尺寸器件的组合 前面定性的观察结果已经在数学和实验上被证实 1 8 , 1 9 。这里，我们给出 = 锯 ( 3 4 ) a w a x 云 其中，a v t h 与a k 是比例系数。 ( 3 5 ) 晶体管不匹配补偿研究 3 2 2 不匹配引起的直流失调 考虑图3 5 ( a ) 所示的差动对。当v j 。= o ，且完全对称时，v 。t i o ，但在适配 存在的情况下，。0 ，这样电路存在一个直流“失调”，其大小等于：将v 。n 雹为0 时检测到的v 。值。实际上，确定输入参考失调电压更有意义，它被定义 成实输出电压等于零时的输入电平( 图3 5 ( b ) ) 。需要注意的是，【。1 i 。，【爿，。 如同随机噪声一样，随机失调并没有确定的极性。 t d d ( a ) t d d ( b ) 图3 , 5( a ) 在输出端测量失调的查动对：( b ) 将失调折合到输入端的电路( a ) 下面说明失调是怎么样限制着电路性能的。先假设图3 5 所示的差动对要放大 一个小的输入电压。那么，如图3 6 描述的那样，输出同时包括放大了的信号与失 调。在直接耦合放大器级联的情况下，直流失调可能有非常大的增益以致驱动后 一级进入非线性工作。 图3 6 放大器中失调的影响 失调的一个更严重的影响是限制了信号的可测精度。例如，如果用一个放大器 来检测输入信号是高于还是低于参考电压v r e ，如图3 7 所示，那么输入参考失 第三鬻不西琵分辑每补偿 窜 调就限制了能被可靠测建的一 ：。的最小值。 v r e f 一7 瑟零，诗算熬叠褥是我窭霞p 二= 楚豹。的蓬。嚣 警熬不匹 配体现为： = ；z = + 厶；缈) i 篇w l ，( w l ) 2 = 矿，三+ a ( 渺上) ；墨= r n ， r 2 = 如+ n 露。为筒攀怒见，元= y = 0 ，而盈忽略了c & 的失配。对于圪。一o ，必 须有如】局= i d ：r 2 ，从而推出，i d l 不能等于i d 2 。网此，我们假设 | 。l = 1 1 ) ，i d l = l 。& i d 。 因为。= ，一。，所以有 m 。鼯峨l 一蓐2 m ( 等) ： 层一娲 一a ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 岳 = 厍 岳 晶体管不匹配补偿研究 假设a l l 与n ( w l ) ( w 三) 均远小于1 ，并且注意到，对于占1 有瓜z 1 + i 和( 瓜) “l 一主，化简式( 3 8 ) 得 。= h + 劫一嬲 - a ， 瓦- - z x l d + 型2 ( w l ) 卜i2 厶j ( 3 1 0 ) 其中两个微小量的乘积被忽略了。由于l 。r i = i d ：r 2 ，因此可得 i | ，r b = t i d + a i i a l r d + a r i * l i ，r o + r d i d + i _ ) a r d ， 丽i 。f i b * 一a r l ，re + ，鱼 睁帮w l 卜l 如。() j 一 ( 3 1 1 ) 式( 3 1 1 ) 中平方根的值近似等于每个晶体管的平衡过驱动电压( ，一巧。) ，因此 = 毕睁船k ( 3 1 2 ) 等式( 3 1 2 ) 显示了。对器件失配与偏置条件的依赖关系。需要注意： ( 1 ) 负载电阻失配与晶体管尺寸失配对失调的影响随着平衡过驱动电压增大 而增大 ( 2 ) 阈值电压失配直接折合到输入。 因此，我们可以通过减小尾电流或增大晶体管的宽度以达到最小的p 高一巧。 实际上由于失配时独立的统计变量，我们将式( 3 1 2 ) 写成 州半球静 渊卅嗡 功 式中的平方量代表标准偏差。这样可以更精确的表达出失调量的大小。 鼯鼯 第三章不匹配分析与补偿 3 3 1 概述 3 3 失调的消除 在模拟电路中，随着等比例缩小技术的发展，晶体管尺寸的减小，光刻误差 等占的比重越来越大，由于晶体管的不匹配而引起的电路的失调是不可避免的。 对于设计中两个标称相同的晶体管，我们可以在版图设计方法上减少失配的可能 性，避免因失配而引起的电路失调。另外，在一些高精度要求的电路中，我们需 要在设计方法上，对失调进行补偿，也就是说用电子学的方法消除失调。 3 3 2 版图设计方法减少失配 针对在电路设计中，特别是在全差动电路中不对称性会产生电路失调。尽管 有些失配不可避免但是，在版图设计中，可通过器件对称设计，晶体管方向优 化，对所关心的器件及周围环境进行对称性设计，尽量减少因工艺制造原理而引 起的失配。 _ c b ) 龉掣 图3 8 ( a ) 差动对；( b ) m i 和m 2 管的栅极取向不同的版图： ( c ) 栅在一条直线上的版图；( d ) 栅平行排列的版图 如图3 8 ( a ) ，如果两个m o s 管按图3 8 ( b ) 那样沿不同方向放置，由于在 光刻及圆片加工的许多步骤中沿不同轴向的特性大不一样，就会产生很大失配。 因而，图3 8 ( c ) 和( d ) 的方案更合理一些。这两者之间的选择是由一种称作“栅 阴影”的细微效应决定的。如图3 9 所示，由于要避免沟道效应，在源漏离子注 入时通常把注入方向( 或圆片方向) 倾斜7 。左右，这样栅极多晶硅就会阻挡一部 晶体管不匹配补偿研究 分离子，形成阴影区。结果，在源区或漏区由一条窄区，接收的注入较小，从而 在注入退火之后，使源区和漏区边缘的扩散产生了细微的不对称。 垤漏注 ，。 阴影区 不对称 图3 9由注入倾斜造成栅阴影区 现在，考虑存在栅阴影的图3 8 ( c ) 和( d ) 的结构，如图3 1 0 所示。在图 3 1 0 ( a ) 中，如果阴影区出现在源区( 或漏区) ，那么这两个器件不会因阴影导致 不对称，在图3 1 0 ( b ) 中，即使标出了这两个管子在阴影区的源( 或漏) 极，这 两个m o s 管也不一样，这是因为，m i 的源区的右边是m 2 管，而m 2 管的源区右 边是场氧。同样，m l 和m 2 左边结构也不一样。就是说在制造过程中m 1 和m 2 周 围的工艺步骤不一致。因此，图3 。1 0 ( a ) 所示结构更好。 鲁昏鼬审 图3 1 0 栅阴影效应 ( a ) 两个m o s 管的栅在同一直线上；( b ) 两个栅互相平行 图3 1 0 ( b ) 结构所固有的不对称性可以通过在晶体管两边加两个“虚拟”m o s 管的办法加以改进，因为这可以使m l 和m 2 管周围的环境几乎相同，见图3 1 1 。 函嘲龋嘲 图3 1 l 增加虚拟管以提高对称性 第三章不匹配分析与补偿 同时，在对称轴的两边保持相同环境也很重要。例如，在3 1 2 ( a ) 版图中， 只有一个m o s 管旁边有一条无关的金属线通过，这会降低对称性，增大m 1 和 m 2 之间的失配。在这种情况下，可以在另一边也放置一条相同的金属线，见图3 1 2 ( b ) 。最好的办法就是去掉引起不对称的金属线。 ( a ) l ( b ) 图3 1 2( a ) m 2 管旁边的金属线引起的不对称；( b ) 在m 1 管相对称位置安排同样条直线 来消除不对称 对于大的晶体管，对称性就变的更困难了。例如，在图3 1 3 的差动对中，为 使输入失调电压较小。这两个晶体管的宽度都比较大，但沿x 轴方向的梯度会引 起明显的失配。为了减小失配。可采用“共中心”的布局方法，这样沿x 轴和y 轴方向的一阶梯度效应就会互相抵消。如图3 ，1 4 所示，这种布局方法把m l 和m 2 都分成两个宽度为原来一半的晶体管，沿对角放簧且并联连接。然而，在版图上 布线很困难，经常会导致如图3 1 2 ( a ) 所示的系统不对称，或者线对地电容及线 间电容地不同而引起整体不对称。对于大一点地电路，如运放，则引走线可能过 于复杂而无法实现。 二= 童奎= = 2 = = = 商 梯度 图3 1 3 离子浓度梯度变化对差动对的影响 晶体管不匹配补偿研究 j 肼1 i 图3 1 4 共中心版图 ；峨 扣 线性梯度效应，也司像图3 1 5 所不的那样，通过“一维”交叉耦合的办法得 到抑制。这里，所有四个宽度为一半的晶体管一字排开，m l 和m 2 可由相邻的两 个晶体管与相距最远的两个晶体管分别相连构成( 见图3 1 5 ( a ) ) ，也可由两组相 间隔的晶体管分别相连构成( 见图3 1 5 ( b ) ) 。为分析该结构中的梯度效应，假设 每两个相邻的半宽晶体管之间的栅氧电容变化为c 矗。将m l 。和m 4 。并联，得到 ，。+ ，。：丢。o 。+ c o x + 3 c 矗) ：( k 。一巧。) 2 ( 3 1 4 ) 将m 2 。和m 3 。并联，可得 ，。：。+ ，。：昙“o 。+ c o x + 2 a c o a 等( g 一巧。) 2 ( 3 1 5 ) 因此，这种类型的交叉耦合抵消了梯度效应的影响。而对图3 1 5 ( b ) 所示组合， 可得到 i d l b + i d ：。：= 1 卢。c o + c o x + 2 a c o x ) 孚- ( v v s 一巧h ) z ( 3 1 6 ) 且 ，。+ ，。：丢以+ + + 3 ) 孚忆一) z ( 3 1 7 ) 第三章不匹配分析与补偿 差。 n 口肘轴m a - 4 a 击卤 鞫囊鞣 r c o ,钳a c 0 2 钳3 a ( a ) 甜协射2 b 埘袖村4 p 砖矗 蠹量撼j羽隰i 瑟 孬丽匿飘j 粪l 黼麟 1 钳6 + 2 a c o x + 3 a ( b ) 图3 1 5 一维交叉耦合 等式( 3 1 6 ) 和式( 3 1 7 ) 显示，图3 1 5 ( b ) 所示的方法消除误差的能力较 3 3 3 电子学失调消除原理 作为理解失调消除原理的第一步，考虑一下图3 1 6 ( a ) 的电路，图中存在输 入参考失调电压v o s 的差动放大器在输出端串连两个电容。现在假设输入短接， 如图3 1 6 ( b ) ，使放大器输出为。= 爿，。而且，假设在这一期间，结点x 与 y 也短接。注意到，当所有的结点电压都稳定、并且a ，v o s 被储存在c l 与c 2 上时， 等于零的差动输入会在v x 与v y 之间产生等于零的输出差值。因此，s l 和s 2 断开 后，由放大器c l 与c 2 构成的电路呈现出零失调电压，而且仅放大输入差动电压的 变化量。实际中，输入和输出都必须短接，并使其值分别等于一个适当的共模电 压，如图3 1 6 ( c ) 所示。 晶体警不嚣配 谣研究 蛾碟 o ， 图3 1 6 ( a ) 输出端接有电容耦台的简单放大器；( b ) 输入与输出均短接的( a ) 电路： ( c ) 在失调消除时设置合适的凝模电乎 蕊之，这秘类鍪魏失溺港豫是逶遵 羹嚣差动羧入麓零寒“嚣蠹”失疆静，势 鼠将结果存储谯与输出端串联的电容上。因此，该电路需要一个专用的失调消除 周期，在这个周期的时间内，实际的输入怒无效的。图3 1 7 描述了墩终的电路结 梭，其中c k 袭示失谖消除靛指令。这穆技术被髂为“竣密失调存镶”，如果s 3 s 4 没有电荷注入失配，这种方法就可以将惑的失调减小为零。值得浪意的是，如粜 a ，很大，a ，v o s 可能会使放大器输出“饱和”。由于这个原因，通常选择a 。的值 约小于1 0 。 w 曩删 凿3 7 用对静控铡放大与失调消除模式 第三章不匹配分析与补偿 在需要搞电压增益的应用中，可以采用图3 1 8 ( a ) 的结构。被称作“输入失 调存储”的这种方法在输入端串联了两个电容鲫，并且在失调消除时使放大器处 于单位增益负反馈环路中。 图3 1 8( a ) 输入失调存储；( b ) 失调消除时的( a ) 电路 因此，根据图3 1 8 ( b ) ，v 。t = v x y ，并且o 么一p k x - a ，) = 圪。即 = 击 “ ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) 实质上，该电路在结点x 与y 复n t 放大器的失调，将结果存储在c l 与c 2 上。 对于零差动输入，差动输出等于v o s 。因此，如果s 3 ，s 4 匹配的很好，并且放大 器的输入电容远小于c l 和c 2 ，整个电路的输入参考失调电压( s 3 和s 4 闭合后) 等于v o a v 。然而，实际中当s 3 和s 4 断开时，如果a v 非常大，开关上的电荷注 入失配可能会使放大器饱和。 输入与输出存储技术的通常缺点使在信号通路上引入了电容，这在运算放大 器与反馈系统中是一个很严重的问题。电容下极板的寄生参数可能会减小电路中 极点的值，从而降低相位裕度。即使在开环放大器