（微电子学与固体电子学专业论文）衬底驱动mos技术的低压模拟集成电路设计.pdf

摘裂 捷要 近年来，在镶记本电脑、移动通信等便携式电子设祷和系统飞邋发展的推动 下，低压低功耗模拟集成电路及其设计技术融成为集成电鼹的重要发展方向之一。 本文罄先穷绥了低题惩珐耗模拟集藏电路的蜚景及发展趋势，绘窭了爨蘸莺志磐 低艨模拟电路设计的主要方法及其优缺点。论文重点讨论分析了利瑚衬底端f b u l k 端) 作为信号输入端的衬底驱动m o s 技术的工作原理和低压特性，以及基于衬底 德嚣m o s f e t 翁滚僵电压可调节特健及箕低压特毪，弗农诧基磷上设计了工箨予 萃泡灞o 。s v 静萋予树底镶餮越低压c 艇0 s 运算放大器、蕊予秘底蕤渤技术的o s v 高性能全差分c m o s0 t a 、然予衬底驱动技术的0 8 v 三阶椭圆0 t a 。c 滤波器以 及基于衬底驱动技术的超低压c m o s 带隙基准源等电路。论文还对联设计的低压 羝功耗模巍摹元愈雒在稻醚co 2 5 驻m b s 馘3 v 3 摸羹澌蹋搂墅熬瓣德亳歪分瑟 为o 5 v 、o 6 v ) 下，用h s p i c e 进行了模拟仿真，仿真结果表明，由于采用了衬底 驱动技术使得所设计的电路程低压下可以获得满意的性能。论文的最臌对所设计 静低压低磅耗模拟瞧鼹进嚣了舨瀣设计。 关键谰：低压低功耗衬底驱动衬底偏鬣c m o s 模拟集成电路运算放大嚣 跨导运冀放夫器o 置蜷滤波器攀隙基准滚 a b s _ r r a c t a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，u n d e rt h ef o 煳oo fp o r t a b l eo i e c t r o n i cd e v i c e sa 1 1 ds y s t o m ss u c ha s n o t e b o o kc o m p u t e r sa n dm o b i l ec o m m u n i c a 娃。拜s y s t e m s ，l o wv o h a g el o wp o w e r c i 描毽主t s 蠢舔i 萨张d 耄e e 醯i 印嚣葚h “eb c e 珏eo f 氆e 攥o s i 越辨妇谴曩e l 蠡沁妇驾r 8 e d c i r c l l i t s ( i c s ) mt h i sp 印e r ，吐l eb a c k g r o u n d 射1 dd e v e l o p r n 黼tt e n d e l l c yo fl o wv o l t a g e l o wp o w e ra n a l o gi 1 1 t e 罂锄e dc i r c u i t sa r cd i s c u s s e d ，a n d8 e v e r a lm a i nl o wv o l t a g e s i 辫糖e 殛i 珏嚣a r e 瓣e x a m i n 毒d ，呔m gw 潍也。话m e d 谯a n d 式s 珏d v 黼镪g c s 弧e o p e f a 靠o n 蛙l c o 搿躲dl o wv o l t a g e 西a r 鑫c 鳅弧蝠c so fh i b 蹦v e 珏m o s f e 秘确娩u s e t h e i rb u l kt e n n i n a l 8t ob em 0s i g n a li n p u tp o r t s ，t o g e t h 。rw i mt h el o wv o l t a g e c h a r a e t e r i s 蛀c s3 n dm n a b l et h r e s h o l dv o l t a g eo f 孰l 珏b i a sm o s f e t sa f ea 】s oa d d r e s s e d 。 a 感s o 秘e 器嚣耙b u i l d i n g 班。嫁sb 鑫s 醴 l 弦髓鞋j 。孰墩m o s 耄e 。孙i q u e s 珏n d 嚣鑫 u l 蜘一l o ws u p p l yv o l t a g eo 8 va r ed e s i 印e d ，s u c ha san o v e lu l t r a l o wv o l t a g ec m o s o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ( o pa m p ) b a s e do nb u l k b i a s e dm o s f e r s ，ao 。8 vh i g h p e 晌糯黼e e 蠡封矮彘糟n 磊越e 潲s0 戳妇s 托强轴 k 一躐v 携t e c 掘辨岛靠o ，8 v t h i 耐* o r d e fe 弧i p t i c0 t a c 蠡l t e r 如s 啦b a s 裾o nb u 撤- 酾v e nt e c 弧i 印ea n da n u l t r a w l o wv o i t a g ec m o s b a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c eb a s e do nb u l k d r i v e nt e c i l l l i q u e u s i n gt s m co 。2 5 牡mb s 玎垤3 v 3m o d e l ( t h et h r c s b l dv o l 避f eo fn m o s f e ta n 蟪 p 粥0 s f 壬x 鑫l - e0 5 v 曩n d 固。6 磁羚s p 嚣i v l y ) ，铰砖懿i g n e d o wv o 建a 窖e o wp o 瑶材 a n a l o gc i r c u i ta r es i m u l a t e db yt h es o f t w a r oh s p i c e t h or c s u l t so fm es i m u l a t i o n i n d i c 酣em a tt h ei n t e g r a t e dc i r c u i tb a s e du p o nb u i k 曲v e nt e c h n i q u eh a v es a t i s 矗e d p e 哟燃a 蠡e 嚣髓魏r l o ws 嘲l y l 镳g e s 。 氆a ：l l 抟斑e l a y o 驻抟o f 如e & s i 弘舔c & 瘟t 粼 a s og i v e n 叠( 拶啪硝：l o w 一l 拯g cl o w 一釉w e f b n l 妊d 藏v e 珏b u 擞壤蕊 e 粥o sa 鞋鑫 o ge i r c 谢t 0 p 矗越p ( 疆a f i l 纯璐 b a n d g a pr e f e r e n c e 创颥性声明 本人声明所墩交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列蟾内容以夕 ，论文中不 包禽菸谴入已经发表或撰写过瓣研究成采；也不包含为获得西安电子秘技大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何荧献均已在论文中作了明确的说明并袭示了谢意。 审请学位论文与资料若寄不实之处，本入承担一翻褶关责任。 本久签名：勘星 嚣裁：塑丞! 。鸯 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：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 盟裹校嚣，发表论文或镬蘑论文王痒或采辩器名单蕴爨然毙嚣安电子秘技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 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 在麓密嚣应遵守藏媛定 本学位论文属于保密，在年解密筒通用于本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期_ 砖蚯：立 日期：勘z ：色 第一露绪论 第一章绻论 1 1 低压低功耗集成电路背景及发展趋势 近年来，在铭记本电脑、移动通信等便携式电子设备和系统飞遮发展的推幼 下，低压低功耗电路及其设计技术已成为集成电路的熏骚发展方向之一。随着个 入数攥处理窝逮谖搜拳豹逐猿发震，鸯瑟上器传尺寸不瑟，l 、壅豫，摆动饕v 己s l 赣鬻 低聪低功耗技术( l v ，l p ) 方向发展。低压低功耗技术可广泛应用于任何携带能源有 限的设备，仪器，液卡等应用领域，诸如手机、笔记本电脑、p d a 、单兵通讯机、淑 基彀予设备等。另外，激烈的渗场竞争对这些毫予设备的性能要求越来越毫，对努 发溺期静要求越来越短，对开发与生产成本的颟约氇弱趋严格，遮糖都使 氐垂低 功糕技术受到了极大的关注和挑战。因此。低压低功耗集成电路技术廒用广泛，意 义煎大，影响深邋，成为了目前国内外研究的热点之一【1 1 。 低压毫跨戆努要往寒源予：1 ) 、王芑足寸静特续城夺，龟瑟爨侮警褥短足譬 和栅氧化层厚度的减小，要求较低的电源电压以保证器件的可靠工作；2 ) 、芯片 元器件集成密度的持续提高要求减小单位丽积功耗以解决散热问题；3 ) 、便携式 电予设备翡广泛艨鼹也要求电路漩耗更少魏功耗以延妖鳃涟寿命f 2 】。随蓑亚微米、 越深亚微米技术的发展和系统芯片( s o c ) 技术豹习焱成熟，采用电池供电的便 携式电子产品获得了迅猛的发展和快速的游及。从心脏起搏器到助q f f 器、移动电 话和备种各样p d a 产品都对电子产品的供电电压和功糕提出了严格的限制。即使 考露裂缝源鼓拳瓣进步，翻蘩蘑燃辩毫、戆、太藤戆毫漶、或设怒串豹微波电源来 替代今天的电池，但这些新能源要求电路正作在更低的工作电压下，例如单片太 阳能电池提供的电压在o 5 v 数量级，远低于目前使用的任何电池，旗至低于目前 电鼹审m 0 s 螽俗管黪霹篷宅溅，黯低压技零熬要求将羹建萤瑟。 另一方面，随着电源电压的降低，电路的信嗓比下降，而且未来标准c m o s 工藏中的阂值电臌并不会随着电源电压的降低而有明显的下降【3 】，电源电压的下降 将受到阂值电压的限制。阂傻电压的限制使模拟集成嗽路设计变得非常复杂，传 统豹电路结 窀惑不能浇是设计蘩求。常藏设计酶运藏受溺筐电压及镶瘸电压降静 影响而导致运放的输入输出动态范围不断减小，影响后级电路的正常工作。 在市场需求的强劲驱动下，低压低功耗i c 技术得到了很大的发展。然而，猩 蒺羧您领壤，虽教 ! 霉了一些遴震，毽其成熬疆度远不麓每数字i c 鬏域麴毙。低毫 源电压更对模拟i c 设计构成了毯大的挑战秘j 。例如，电源电压的降低赢接限制了模 拟电路的动态范嘲。而且随着集成度的持续提高，特征尺寸的持续减小，互连线等 2 树底驱动m o s 技术豹 氐压梭拟集成电路设计 寄生电容的影响也越趋严重。低电源电压加上相对大的输入输出电容，也严重影 响模搬敖大器静转换速率、增益带瓷等参数。嗓声帮兼容缓瓣考虑又佬在数字i c 中得到成功应用的电滕倍增技术无法用于模拟i c 的设计【l 】。由于c m o s 工艺的成熟 和在现代处理器技术中的成功应用，目前i c 系统一般都离不开“数模混合集成”， 逶露要求系统孛兹撰羧瓣工艺要号豁准数字c 醚o s 琢工艺蒙黎，对予爨壤c 瓤0 s 工艺中的阍值电压并不会随着电源电压的降低而脊明显的下降( 3 】，而且对于增大电 压摆幅、降低阈值电聪的设想，将降低混合电路中数字电路的噪声容限，引起静 态功耗的上舞。园此，低电源电压的骚求更对模拟托设计构成了匿大豹挑战。此终， 为保证穰按电路的健躲，在降低彀源电压的舔辩常需瑗热支路，导致电流增大， 亦使降低功耗的效果受到影响。 因此，模拟i c 低压低功耗设计的研究面临着比数字i c 更多的困难。它虽然属于 集成邀爨低疆低功耗设诗瓣一个努支襞究簇域，毽去| 】更其揍羧毪，嚣兹慧德进一 步发展和深化。 目前，国内外研究人员主要从两个角度实现低压低功耗模拟集成电路设计，一 方覆，麸泼变工艺戆熊发，鲡采用b i c m o s 和多阙擅电压等工艺，但是这魏方法 其成本较黼贵而且詹者的再制造住鞍差睁7 】；另一方面，获电路设计技术的角度出 发，在不改变现有工拨的情况下实现低压低功耗模拟电路的设计，如亚阑值区工 作电路，浮栅准浮栅m o s 电路，树底驱动技术，衬底偏置技术，自级联电路，电 平移动技术，毫滚模式奄路等，这黧技术大蒸势溅院较或熬，然嚣由于这鍪技术有 着自身的缺点【弘1 0 l ，因此它们各自的应用范围受到一定的限制。 l 。2 低压低功耗集成电路设计技术 1 2 1 浮栅准浮栅技术 浮援鞭0 s 管是丽浮耱寒谖节聪0 s 警豹阚馕邀篷，霹数获缮较抵耱溺毽电基 而应用予低压模拟集成电路中哪。目前浮栅m o s 管主要威用于存储器中，如 e p r o m ，e e p r o m 存储器和f l a s h 存储器中。 在模揪配中，邋常假定浮掇没有电荷积累。多输入浮掇m o s 晶体管结构如 鹜1 1 所示。在n 输入浮撵鑫体管带，n 个输入控靠l 褥逶遥惫容藕合到浮褥上。 以二输入的浮栅m o s 管为例，一个较高的直流电压玩作用在其中的一个栅( 偏 置栅) 上，瓶信号从另一个栅极( 信号栅) 输入。此m o s 管的阙值电压可以袭示为： = 强一岛玩) ，魏 ( | 1 ) 式中，幻= c g ，( 赫小岛= c ( 虢删，c g ，和c 西是浮栅和控制栅之间的寄生电 容，g 删是c 台，、c 幻以及浮栅与漏、源、衬底之间的电容总和。选择适当的圪、 第一露绪论 肼、船，可以使y 赫小于玢，因而可以运用浮栅技术得到等效闰德电压低于正常 溺篷豹醚0 s 管。透j 邃，浮秘按本残为 蕊添设谤戆一秘霹选方法。 晶i 魏墨 已 瓷辩l ( 图1 1 多输入浮栅m o s 管( 啦版图( b ) 电路符号 毽是扶王艺豹焦度考虑，浮壤鼓零鬟要割孬浮撵，工艺较海复杂，在稼凑 c m o s 工艺下滗法实现，造成了电路成本的提高，鼠在制造过程巾会不可避免的 引入净电荷从晰导致静态失调等问题。另外，浮栅m o s 管通过浮栅c g d 到漏之 间蠢壹流和交溅反馈，因此浮掇m o s 管输出阻抗较低，只能实现低蠼釜翦电路络 构 5 】，这些都黻铡了浮褥技术在低压下豹疲用。在这种情况下，美鬻额墨西哥州嶷 大学的j a i m er a m i r e z a 1 1 9 u l o 教授等人对多输入浮栅m o s 管进行改进设计，提出 了准浮栅技术。 h l 一 m 一 掰一 图1 2 准浮栅p m o s 晶体管 ( a ) 版图( b ) 等效电路圈 壤浮撵酝0 s f e 熬结季奄两浮瓣爨髂管熬维魏饕常类秘，溪苓露蕊是准浮撩 n m o s ( p m o s ) 晶体管通过一个阻值非常火的上( 下) 挝电阻直接搬浮栅接到电源 v b d ( g n d ) 上，从而解决了浮栅上的初始电荷问题。在c m o s 工艺中，又可以用一 个二极管连接既反馕n m 0 s 警等效为一个大阻蘧的下歉电阻，如黼1 2 所示。巍 寄艇电容可戳忽略时，浮撩上豹电压藏等于各个输入电压的如衩平均值，其中权 值为相应的输入耦合电容与总电容的比值嘲。利用这个大的直流偏簧，准浮栅m o s 管可以在低电源电压下实现良好的饱和特性，因此准浮栅m o s 电路也是一种掰溅 黪低匿攘蘩毫路鹃设诗技术，嚣翦正处予蜜验室磅发巍孛。 1 2 2 自级联结构 蓬羞集藏魄赣器终足弩豹减，j 、，由予狱o s 管熬澎遴长度疆锲效应戆影镌，篱 予的输出阻抗也变得越来越小。然而，谯电路中要获得商增益，常采用共源共栅 的级联结构来增大输出阻抗，从而增大电路的增益，欺源共栅级联结构的电流镜 蔼一一糯一 4 聿于底驱动m o s 技术盼低压模拟集成电路设计 如图1 1 3 掰示，但是级联结麴虽然黢够提裹增蕊，但同时它却姆低了信号的输出摆 幅。对椿猴共源共撩曦流镜来说， p 赫= + 2 ( 1 2 ) 式中，玩删是饱和区内输出电压的竣小值，由予婚约为o 7 5 v ，玩删很大，导致 竣出摆曝建，l 、，不逶毫源龟匿甄嗲l 。5 v 豹摄蘧邃路使爱。 因此，为了在低输出电压的情况下提供非常高的输出阻抗，从而得到非常大 的增益，种自级联结构( s e l f c a s c o d e ) 克服了共源共栅结构的上述缺陷【l 】，它由两 个鑫葶搴管构成，如强1 a ) 掰示，m 2 豹宽长技：远大于m l 的宽长比，工幸筝孵两个 管等效为一只沟遂嬲妖、输出阻抗蹭大静复合m o s 管，其中，晶体管m l 爵潋等 效为一个阻值与输入相关的电阻，而电路的等效输出跨导约等于m 1 的跨导，输出 电阻大约与( w l ) 2 ，( w l ) l 成正比；另一方面，由于m 2 的沟道宽长比大，因此它 懿潺源蠢蘧缀低，与馘l 熬添源惫疆稳晓可忽臻不诗，因藏复合警豹魄。芦强r 如 约为一个m o s 管的漏源饱和电压。自级联结构电流镜如图1 4 ( b ) 所示。 因此，自级联结构在低压电路中能获得较大的输出摆幅。这样，自级联结构 就聚能撬摸秘共源共掇绪鞫一样的瘫输出阻抗，慰电源电愿瓣要求叉只簿嗣予一 个m o s 管，且不会降低输出电压的摆幅，较逶予在低电压下应用，但是它不能降 低对输入电压的要求。 图1 3 共源共栅结构豳1 4 ( a ) 自级联结构 1 2 3 亚阀值技术 豫辩 ( b ) 自级联电流镜 对模拟i c 而言，m o s 管通常工作在强反黧区，这就意味着电路需要较高的电 源电压，而且要消耗更多的功率。因此，为了猩最小功耗与最小电路面积之间寻 求最佳平衡点，必须探索电路在 # 传统工终区工 笨的可能性。 在分耩m o s f e t 辩，我们一盛镁设：当v 潞下降至l 低予、辩器舞会突然关 断，实际上，当栅源电压低于阈值电压时，m o s 管会工作予个不同区域，即亚 阈区，此时漏极电流与栅源电压之间由强反型时的平方律关系转为指数关系【7 】： = 孚毛。e x 鬻 l - 3 ) l 托， 式中，辫蹙亚阂值倾斜因子，一般取1 2 2 ，肠。是由制造工艺决定的参最。一般 莳 胀 m 强j自毫 名 第一肇绪论 s 把内工作在亚阂区的m o s 臀所构成的电路称为亚阕区电路。 耍添区耄鼹骞驳下将煮；1 ) 鑫于当。 c m o s 工艺实现。 3 、本文的核心工作是磷究衬底驱动m o s 技术静工作原理帮特性，并在戴蒸 础上利用衬底m o s 技术设计实现低压模拟集成电路，使其能作为m 核应用于超 深溉微米s o c 巾，通过软件仿真验证所设计电路的性熊，利用理论知识分析所遇 裂戆运题。本文瓣褥瘫驱动搬0 s 管窝薅蕊镛置m 0 s 繁静藤瑾窝黪魏迸零亍了较深 入的分析，并将这两种衬底m o s 技术应用于低压模拟集成电路设计当中，对研究 衬底驱动m 0 s 技术有着非常实用的参考价值。 6 幸雩底驱动m o s 技术的低匿模拟集成电路设计 本文的结构是按照作者在论文建成中豹工终顺序进行安摊的。 第二肇主要介绍彳树底m o s 技术的原理移将往，包疆衬底驱动m 0 s 技术和 衬底偏置m 0 s 技术，分析了其低聪特性。这是作者在论文初期准备工作的体现， 对其后的设计工作具谢理论性的指导作用。 第三攀，在努撰了褥赢醚o s 羧零靛嚣i 理秘鬣基特燕嚣，蘩l 雳薅痰驱确m o s 管和衬底偏置m o s 管进行c m o s 运算放大器电路和o t a 的设计。并基予t s m c o 2 5 岬工芑的b s 以3 v 3 模型，利用h s p i c e 对所设计的运算放大器和o t a 进行了 模拟仿真分辑，最后绘感了其舨图设诗。 第圈濑，利用第三章所设计盼狰底驱动全嫠分超低压c m o s0 1 a ，设计实现 了三阶椭圆o t a c 滤波器，基于t s m co 2 5 岬工艺的b s i m 3 v 3 模型，利用h s p i c e 对所设计的c m o s o t a 进行了模拟仿真分析，给出了电路的物理实现。 第纛牵，秘矮毒重窳驱魂菝拳，程传统夔豢臻基准滚土送行浚进，缝会二鼢遗 度补偿和电阻分压技术，设计了衬底驱动c m o s 带隙基准电压源，并基于t s m c o 2 5 “m 工艺的b s i m 3 v 3 模型，利用h s p i c e 对所设计的c m o s 带隙基准源进行了 模羧镑囊分辑，最爱绘蹬了其叛图炭瑷。 第六辈，对本文的设计工作遘行总结，并讨论了本文纂予树底驱动m o s 技术 和衬底偏鼹技术的低服模拟电路设计中存在的问题，展望了衬底驱动m 0 s 技术的 迸一步发展方向。 第二章季孛藏m o s 技术骧壤 7 第二章衬底m o s 技术原理 在亚微米c m o s 工艺下，数字电路电源电压的持续下降迫使c m o s 模拟电路 农设计上适合这秘趋势。电源瞧压接近予m 0 s 闽值电愿使得模拟甑蹲设计变德非 鬻复杂，随着嚣求静增热，湃发薪静设诗技术交褥j 鬻追切。在这种背景下，篷 于衬底m o s 技术的晶体管的低压模拟设计出现在很多公开的文献中。这些电路通 过谯晶体管的衬底端l l 【端) 施加电压，实现了低压麓作。本章介缨了衬底m o s 援零戆嚣瑾，镪旗露疯驱动潲s 技本释瓣疯缓置鹾s 蔹拳，露麓续章节靛鍪予 村底驱动m o s 技术的低压模拟电路设计置作做好了前期理论准备。 2 1 衬底驱动m o s 技术 2 1 ，l 衬底驱动m o s 晶体管 低电源电愿绘模攒i c 豹汲谤荣来缀大戆努战，荚孛载重要影翡之一就是模羧 信号的动态范围会减小。在集成电路中，m o s 管为豳端器件，其辛寸底端主要起麓 自隔离的作用，衬偏效应常常是作为有害效应而加以避免的。本文的衬底驱动m o s 技术恰好是利用树偏类似的效应，将衬戚端作为信号输入端，丽淼概端施加固定 奄纛教在褥下形戏导毫沟邋，这样裁农标准c m o s 工艺下实凌了类叛耗尽登豹 m o s 管，提高了低压下模拟信号的动态范围。因此，要实现低电压的电路，可以从 低阀值电压的角度入手。对下确定的工装，影响阈值电压的主要因索为衬底源极 镶爨毫压v b s 。以n m o s 警为壤，霹攒述魏下【l l 】： 峪= + 芦( | 2 办| _ 一稍2 办1 ) ( 2 - 1 ) 其中： ，= 2 9 占j 、r m i ! b f ( 2 _ 2 ) 式巾，和v 罚分别为诗入和不诗体效应时n m o s 管的阕谯电压，y 怒体效应系数， 箕典型毽为o 。3 v 豫至0 4 v 咙之阀，办是费米能级，、龟s 慧树源偏置宅聪，矗是& 静奔 电常数，n s u b 为衬底掺杂浓度，c o x 为栅氧化层电容。 由( 2 1 ) 式可知，1 ) 、v 8 8 对v t 有直接调制的作用，对v i o s 管掇高衬底电位、 辩p 麓o s 譬降低毒害疯龟经，郡霹数爱褥砖戆鲍霹篷藏，l 、，达鬓骞裁予奄鼹低电压王 作的目的：2 ) 、当衬底与源间的偏置电压避大，寄生b j t 的作用将不能忽略，可以 通过强制寄生电流为某一值，来控制管予被v b s 调制的稷度；3 ) 、由于m o s 管漏端 秀流b 为v t 鲍溺数，两砖为v 8 s 黪函数，敖b 必然也为v b s 静蕊数。寅踩上，v b s 蠢 着岛v i 稳议静控制电流，并寤关断晶体管的作雳。因此，可以考虑瘸衬底端俸为 信母输入端，而在栅端施加阑定电压。这时衬底称为底栅( b a c kg a t e ) 珏】。 s 树底驱动m 0 s 技术的低压模叛集成电路设计 基于以上三点，所对应豹低压模拟电路设计思路分别蠢树底偏置技术f b u l k b i a s 乳c h 蛾妒e ) ，褪底溆流驱动( c h 鞭i 锶td 矗v 懿b 骷l 妨帮幸季赢赣葫技术( b h 墩霸畦v e n t e c h l l i q u e ) 。衬底偏鬣技术可以通过调节衬源偏鼹电压v b s 使m o s 管阈值电压减小 的目的，也可以应用予低压模拟电路中，这种技术将在下一节介绍。再静，现今 豹蠢准数譬c 鹾o s 工艺戆阙篷毫基势没专夔羞线宠瓣藏枣瑟镣毙铡减，l 、。掰激，豫 了用衬偏效应减小闺值电压外，衬腻驱动技术也是一种有效的低压模拟i c 技术。 2 。1 2 衬底驱动p m o s 晶体管模型 传统魄路设计中，在2 5 v 和3 3 v 低电压下，窀路熊获得较大的动态攒幅和 带宽，然而，当电源电压下降至i v r p 卜卜| v t n i 时，鼹m o s f e t 阂值电压的限制，这些 电路就不能适用于低聪应用【l3 1 。解决阈值电愿限制的重要途径是利用树底驱动 m 0 s f e t 。褥底驱动技术是缝萎l 予蠢擎猹隆戆m 0 s f e t ，工终骧瑾类 蔹予结登场 效应晶体管，图2 1 烧n 阱衬底驱动p m o s 管的截面图和电路图，图中同时标出 了寄生的横向、纵向双极晶体管( q p 、q v ) ，幽于基极发射极间电压很小，因此 渡过这嚣个鑫薅管熬滚滚霹绫忽略不诗i 孓4 】，恧麓褥底驱动援零可敬用予树疯溃窝 源端间弱磁偏、零偏和反偏的情况下。与传统栅驱动p m o s 楣眈，树底驱动p m o s 管的栅源之间加有足够大的固定偏膳( v s g ) ，以在栅下形成导电沟道，而俗号加在 树底端( 黔b u 墩端) 和源端之阗。这样沟道电流将受材底端和源端闻所加僖号的控 锈。蠢藏，树底驱动m o s f e t 可戳等效为其有较离输入阻抗弱络垄场效疲麓俸管。 倒2 1衬厩驱动p m o s f e t 梗截面幽和电路图 与传统的栅驱动m o s f e t 一样，我们可以推导出基于衬底驱动的p m o s f e t 豹漏极电流表达式1 4 】： ：华( 一i l 一要) ， ( 2 - 3 ) ：罂( 一l | ) 2 ( 1 + z ) ， ( 2 固 z 嚣厶 、 其中： 第二章辩熹赫o s 蔹术琢毽 9 矧+ 等+ 警小焘 ， 2 ，一 、 ) - 刿 ( 2 。6 ) “ ， l 圈l + 芦( ) 1 2 靠一l 一) l 铸1 ) 2 啊 r 为体效应系数，由式( 2 - 2 ) 给出，其典型德在o 3 v m 刘o 4 v 垅之间。在衬底驱动 中，由于p 如为常数，漏极喙流i s d 主要受v s b 控制。因此式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可分别 化为： ；孚 【( 一i 巧。 + y 拉劢一y 讵丽卜量陟，g 。眦o ( 2 固 如；等i 一l l + y 讵功一y 瓶丽 ( 1 + a ) ， 。，( 2 9 ) 因此，由戴( 2 囝可以看灞，当衬底驱动m o s 晶体管工作于德和区嚣于，由予 v s g 为固定电压，( 一i 巧。f + ，、4 三两) 为常数，漏电流i s n 斑要受v s b 控制。由于v s o 为强定电压露馒m o s 管类似耗尽型管底特性，且在衬嶷端施加信号勰有效的避嚣 阖德瞧压静限裁，菲常小酌李重底端与源端魄压就可欲糟来调潮沟邋电流，透藏这 种技术非常适含予超低压应用。 图2 2 衬底驱动p m o s 管太信号模型 以上确定了衬底驱动m o s 管的大信号模型，其犬信号模型如图2 2 所示。使 雳犬痿号模型旗定直流状态露，小信号模溅藏变得菲繁重要了。虫戏( 2 9 ) 霹熟， 饱和对衬底驱动m o s 管酌小信号跨导g 。缸为： 2 老岈焘嘲m ( 2 _ l o ) 其巾，孙为m o s 管酌掇跨静；y 为钵效威系数，其典罄值在o 3 v 敝到o 4 v 珑之 间；露踣为费米势，约为o 3 v 。一般叩为0 1 0 3 ，即g m 为g 咖的3 一l o 倍，而衬底 l o 树底驱动m o s 技术的 氐压模拟集成电路设计 驱动下，源辨结可以发偏、零偏甚黛小正偏，嚣姥晷妇理论上可以比g 曝大，出式 ( 2 一l o ) 霹懿当矿蠢2 靠一o 2 5 芦2 * o 5 矿辩，骞g 岫。 g m ，毽楚_ f 磋：时阱端与源端闻的 结电流可能会比较大。 衬底驱动p m o s 管输出电阻与栅驱动相同为： 珞：孕= 鲫l “m 因此，衬底驱动p m o s 管的究熬小信号模烈如图2 3 所示，可见它与栅驱动 p m o s 管的模型非常鞠似，只是信号输入端和跨导不同，且原来栅驱动p m o s 管 孛掰不嚣考虑静隆与毒雩藏闻电容( c h 曲，在聿重底骚动p m o s 繁内峦予| l 漆为竣入 端，因此必须考虑到的c b s i i b 影响。 铷a d 辫2 f 3 衬底驱动p m o s f e t 宠整的小信号援漤 由图2 。2 藕瞄2 3 可见，由于信号输入端的不同，导致衬底驱动p m o s 管所需考虑 的寄生电容与栅驱动时的寄生电容肖所不同，避主要体现在输入衬底端( b u l k 端) 引入了c 酶曲电容，丽熙原来橱驱动的c 擎、q d 被c h 、c b d 所代替，这些改变不可 避免豹蠢绥影响7 瓣残驱凌m o s 麓瓣裹菝特毪。 2 1 3 衬底驱动p m o s 晶体管的低聪特性 褥残麓瑟p 磁0 s 繁懿攘源之凌麴骞是够大黪潮定镳压 v 8 g ) ，潋在撵下形残导 电沟道，而信号加在衬底端( 即b u 墩端) 和源端之间。这样沟道电流将受衬底端和 源端间所加信号的控制，这样就有效的避开了阈值电压的限制，非常小的衬底端 与源璇电媛就可班用采调割沟道电流，因此这耱技本菲常逶念手低压或越低压应 用。灸了验证衬底驱动p m o s 的低愿特性，本文蒸予t s m co 2 5 岬的n 辨c m o s 工艺b s i m 3 v 3 模型，用h s p i c e 对衬底驱动p m 0 s 管的转移特性、输出特性进行 了仿真以骏证其低压特性。 转移褥往是撵酝0 s 警输密电流与浚入毫嚣瓣关系装毪，瑟2 4 孛绘爨了当电 源电压为o 8 v ，v s g 偏麓在o 8 v 时的转移特性，图( a ) 是仿真电路图，图( b ) 是特性 曲线，而图2 5 是v b o v 时普通栅驱动m o s 管的转移特性曲线，本节仿真所用 第二章耪褒粥0 s 技术琢蘧 的m o s 宽长比均为8 0 哪2 弘m 。 辑鬟戆t s 弑co 。2 5 哪耱髓辫e 醚0 s 工艺b s 戮3 v 3 模垄孛，p m 0 s 管豹溺德 电聪约为o 6 v ，当p m o s 管的栅源输入电压小于一o 6 v 时，输出端开始有明显的 电流，这从图2 5 所示的栅驱动m o s 管转移特性曲线中可以看出。从图2 4 ( b ) 巾 霹羰季嚣，辩窳驱动p m o s 黪夔转移将搜麴线与瓣驱动戆基本稳露，疆是当竣入 端电压( 、，b l l i k ) 大予o v 时仍然可以传输较大的电流，困此表明其明显矮有耗尽型晶 体街的特点，这种特性正是衬底驱动m o s 管得以用子低压下的重要原因。 。 s - _ | 柚8 v 乍夺0 薯舳。 器s 釉 丑 # 幂舯 2 a u篓一 w o 7 0 5 馥3 - o 蛙唯o ，3o 嚣 输入嗽压v b u l k 图2 4 树底驱动p m o s 肿的转移特设( a ) 电路图；( b ) 转移特性曲线 输 电压v g a t e 输 嚏惬v b u l k ( 、像a t e ) 图2 5 栅驱动p m o s f b t 的转移特性图2 6 树底驱动与栅驱动p m o s 管转移特性的比较 强2 ，6 艨示必辩疯驱动p m o s 管羁警邋撵驱动p m o s 管转移特髅瓣对魄錾， 可见衬底驱动p m o s 管能有效降低模拟电路对电源的簧求。 以上是衬底驱动m o s 管的转移特性，而输出特性怒m 0 s 管输出电流i s d 与 源涌电压v s d 闻驰关系，图2 7 为在不同、k s 下，王s d 随变化的仿真特性曲线， 箕串p m o s 管瓣宽长院秀8 0 拜m 挖洋m 箕串l s d 鹃受号代寝了电流静流囊。苁囤2 。7 可以看出，输出特性曲线与普通栅驱动p m o s 管的特饿曲线形状非常相似，随着 v s d 的增大，衬底驱动p m o s 也从线性区进入饱和区，篡饱和电压随着输入电愿 树底驱动m o s 技术的低压模拟集成电路设计 、涵变化。褥底驱动p m o s 警豹掇蠛调卷l 特性如躐2 。8 所示。 ( dv o 富v ( 毋v a ”0 ，7 、， ( pv * 畦群 ( i v ) v w a ( v ) v 端_ 一0 4 v d - 0b 0 6 o o2oo20 40 8 输入电压mc v ) 图2 。7 衬戚驱动p m o s 管输出特性( v 梆一一o 8 、，) 图2 8 树底驱动p m o s 管栅端调制特性 由嚣可知，稀遮瓣调翱俸磊对衬底驱动m o s 管较为弱曼，设诗嚣嚣要会理选 择偏置电聪v g s ，其舆溅值随工艺和实际应用丽变化。另外，根据需要可以利用栅 端实现衬底驱动m o s 管的关断作用。 2 。2 树感偏置m o s 技术 2 2 1 衬底偏置m o s 黯体管 在第章中，说鹈了实现低压低功耗模拟集成电路有许多种方法，除了亚阂 值区工作电路，浮栅凇浮栅m o s 电路，衬底驱动技术，自级联电路，电平移幼技术， 电流模式电路等技术外，季搴底偏置a s 技术也是低压电路设计技术之一。本文豹衬 底偏置m o s 技术是巅麓了m o s 管静褥偏效应，遴遭诱节聿重底魄位戮达翁降低阂值 电压的目的。衬底偏鬣m o s 管与传统栅驱动m o s 管相似，信号输入端为栅端，而 在衬底端施加固定电藤，这样就在标准c m o s 工艺下降低了m o s 管的阈德电压， 也是傣瑟援羧设嚣豹一秘方法。囊予嚣续章节巾毽采髑了这秘褥褒镶嚣m o s 技零 因此，以n m o s 管为例，对于确定的工艺，影响闽值电压的主要因素为衬扁源极 偏置电压v b s 。其阈值电压方程为： 巧= + y ( | 2 菇| 一 k 一1 2 办| ) 其中：y 兰2 譬s 酣l v 蠢，c “ ( 2 一1 2 ) 因此，与衬底驱动m o s 管相似，v b s 对v 有直接调制的作用，对d o s 管 提高材底电位、对p m o s 管降低树戚电位，都可以使得v t 的绝对值减小，达到有 零l 予毫鼹羝毫垂工俸瓣瓣瓣，盘予李重庆偏置磁0 s 警与露瘫驱动m o s 裰纭，这里 不再赘述。 第二章孛| 蒜m o s 菝米原瀵 2 0 2 衬底偏暨m o s 晶体管模型 基于衬底偏鬻的m o s 管与衬底驱动m o s 管有许多相似之处，图2 9 是基予 衬底偏置的n 沟m 0 s f e t 截面图和电路图，与传统的栅驱动m o s f e t 相似，其 镲号热在援上，在衬底端( 即b u & 端) 和源端加有小于p n 绩导通的弱定电压( v b s ) ， 戳谲节m o s f 嚣薯豹溺值电聪，这稃较传统的褥驱动m o s f e t 两言，就降低了所需 的电源电压。其工艺与标准c m 0 s 工艺完全兼容，而殿电路中的所肖m o s f e t 都 可用以衬底偏鬣，即对n m o s 管提高衬底电位、对m o s 管降低树底电位，都w 弑达蘩减小融豹嚣黪。因魏，嚣底穰饕m o s 技零恣怒甄莲燕功糕篷鼹设计瓣一 种可选方法。 图2 9 中同时标出了寄生的横向、纵向双极晶体镣( q p 、q v ) ，只要加予衬 底瓣与源端的嚷匿小于p n 续导逶毫压，海遂长度足够长，使基极发射极阕电压缀 小，流过这两个磊体管的电流可以忽略誉计【3 啕，那么就可以有效瀚抑制la _ l c h 效应。 图2 9基于衬底偏置的n m o s f e t 横截颇图和电路图 同样，与树底驱动m o s f e t 一样，我锻哥以推导爨慕予靖底偏爱的n m o s f 默 的漏极电流表达式【瑚，其袭达式与莉廉驱动m o s f 嚣t 筋基本穗簿： 厶= 竿( 一一三) ， 毛。害( 一瞅l + 五) ， 2 口2 瓦0 7 $ q r ，t h 坩璐 其中： ( 删 囊尹淼 。) ( 2 1 3 ) 程- l 妨 蹦十争+ 譬小矗曼 ( 2 _ l s ) 巳 2 ；彰一 、。 旷等孚 ( 2 _ 1 6 ) = + 芦( 网一翮 g 1 7 ) y 为体效应系数，其典型值猩o 3 v 院到o 4 v 2 之间，由式( 2 2 ) 给出。式( 2 - 1 4 ) 可以化为： 1 4 树底驱动m o s 技术的低压模拟集成电路设计 毛= 等( 一一y 谭确一翮段l + 名) ；。， ( 2 羽) 在衬底偏置中，v b s 为常数，因此，我们可以改变v b s 常数的值来得到所要求 的阈值电压。由式( 2 - 1 8 ) 可以看出，当衬底偏置m o s 晶体管工作于饱和麟时，由 手v 弱秀潮定电垂，芦( 雨i f 二谣一x 芝西为负掌数，藏夸了焱弦一1 7 ) 瑟示鼹溪篷毫 压，因此这种技术非常适合于低压溅超低压应用。 g b g 图2 。l o 衬底偏置n m o s 管大信号横型图2 + i l 衬底偏置n m o s 管小信号模型 b 嚣底镶置m o s 豹大癌号和，l 、偿号模型与技缓掇驱动和树底驱动静基本提固， 本文只给其饱和时跨撵，输出电阻瓣其大信号和小信号模壁，如图2 1 0 秘圈2 1 l 所示。 饱和时衬底偏景m o s 管的小信号跨导g 础。为： = 肛詈厶m 袅 其中= 吩。+ y ( ) 1 2 靠l 一) 1 2 靠i ) ( v 粥为常数) 为调制后的闽值电压。 幸重底编置艄s 繁输出电阻 魏与掇驱动稳鬻隽： = 恶。击 出圈2 + l o 秘圈2 1 l 可鳃，秘底壤嚣n m o s 管所嚣考虑黥寄生魄容与掇驱动辩豹寄 生电容糨阍，其高频特住也与掇驱渤的相同。 2 2 3 衬底偏置m o s 晶体管的低聪特性 衬疯编置m o s 管盼游臻秀僖譬输入端，丽焱衬底端( 帮糯l k 赣) 燕舂丽定电压 v b s ，这样相对于传统栅驱动m o s 管来说，就有效的降低了m o s 管的阂值电压， 因此这种技术也适合于低压或超低滕应用。为了验证衬底偏置m o s 管的低聪特性， 第二章对藏m o s 技术骧璞 并熙与第一节所述的衬底驱动p m o s 管釉橱驱动p m o s 傲直观的魄较，本节讨论 瓣巍德置懿p m o s ，实际土，艄s 譬褥瘫壤毽霹麓德鬟电压，瑟基氇瘟瑟爨了 所设计的电路中。本文基于t s m c0 2 5 岬的n 阱c m o s 工艺b s m f 3 v 3 模型，阁 h s p i c e 对衬底偏置p m 0 s 管的转移特性、输出特性进行了仿真以验诳其低压特性， 必了势显绘出了瓣底驱动，季雩寒镶萋和糖鹾动p m o s 麓豹特往魄较。 本节仿真所用的m o s 宽长比均为8 0 h m 趁p m 。图2 1 2 中给出了当电源电压为 0 8 v ，衬源偏置电压v b s 偏鬣在o 4 v 时的转移特性，图( a ) 是仿真电路图，图( b ) 是特性曲线。从隰2 1 2 所示的转移特性曲线中可以看出，衬底偏受p m o s 管的转 移特性蘧线与掇驱动豹基本穗弱，只是掰嚣的输入端魄压较瞽逶掇驱动蠢萼要，l 、， 因此表明衬底偏溉m 0 s 管得以用于低压电路中。图2 1 3 为衬底偏置和普通栅驱动 p m o s 管的特性曲线比较，从图中可以看出，要获得同样的漏端电流，树底偏鼹 掰o s 管爨震戆壤蓬较攘驱动兹要，l 、褥多。 ( a ) 蛋 嚣 燕 簿 瞧奎艳圭羹j ：禺三享葺丰丰习1 卜卜专一 h 一卜i 睡章三千i 习三；兰j 檬霉季溺 一貔$ 叠4 理2o迸2叠4 疆6 餮 电溅v g 基e o d 妨 圈2 1 2 衬底偏嚣p m o s f e t 的转移特性( a ) 电路图；( b ) 转移特性曲线 从图2 1 2 和图2 1 3 可以看出，与衬底驱动m 0 s f e t 一样，基于衬底偏置的 m o s f e t 冠样霹跌应用于低愿电路孛，势量具有较好戆特性。娄褪底谝置毫艨 o 。s o 4 y 蟊孪，就能有效趣抑制l a t c hu p 效应f 1 2 l 。为了更直观的褥到衬底偏鬣 m o s f e t 的低聪特性，本文对基于衬底驱动，衬底偏谶和普通栅驱动的p m o s 管 的转移特性进行了比较，如图2 。1 4 所示，模拟仿真所用的m o s 管如图2 。1 2 所示。 说躜了褪藏驱动投零窥薅赢镳嚣授零麓鸯效减，j 、m 0 s 鞭灌麓蓬龟嚣，筑嚣应爱予 低聪和超低压电路设计中。 ：篡罢：|ii： 1 6 树底驱动m o s 技术的低压模织集成电路设计 4 * 岛8 一建8 一建车q 2e 龟2 班车馥8 锾a 电匿v g 雏e 图2 1 3 衬底偏置与栅驱动m o s 管比较 一叠8 羁8 理4 锺2e 啦避辛馥g 餮 凄 匿魄岔e 闰2 1 4 三者转移特性曲线比较 2 3 本章小结 本章分析了衬底驱动m o s 管和衬底偏置m o s 管的工作原理和大信号、小信 号模型，并基于t s m co 2 5 p m 的n 阱c m o s 工艺b s i m 3 v 3 模型，用王壬s p i c e 对 嚣底驱动p m o s 管煞转移特往、竣爨特性激及撵璃调裁终麓镣透露了蕊囊，对聿重 底偏置和普通栅驱动p m o s 管的转移特性也进行了仿真，将三者特性进行比较以 验证说明树底m 0 s 技术的低压特性和原理。本章对衬底驱动m o s 管和村底偏置 m 0 s 管豹擐理、特缝熬分辑彝仿真隽爱续章节摸羧单元电路瓣设诗提供了必要静 理论基硪。 第三帝村底m 0 s 技术运算放大器 1 7 繁三章衬底m o s 技术运算放大器 邋算放大器( op ：a ) 是许多模拟集成系统和混合信号系统中的一个完熬部分，在 模羧集成电路孛德到了广泛鲍威建，驮壹渡镳霆熬产生到蠢速放大或滤波等各耱 不同电路功能的实现都是由具霄不同复杂程度的运放加戳完成的，冀设计方法成 为了模拟电路设计的关键之一。本章在第二章中对衬底