（电路与系统专业论文）高温cmos模拟运算放大电路的研究与设计.pdf

摘要 摘要 近年来，随着科学技术和工业生产的飞速发展，尤其是在一些特殊的领域， 对于电路的工作温度使用要求越来越高，高温微电子学也越来越受到重视，本文 就是在前人的分析和研究基础之上，对高温c m o s 模拟电路进行了进一步的分 析和研究，并在理论分析的基础之上根据高温c m o s 模拟电路的设计规则设计 了一个二级c m o s 模拟运算放大电路。论文的主要内容包括以下几个方面： 1 、对高温c m o s 模拟放大电路的应用前景，发展历史及现有成果进行分析和说 明，阐述了高温c m o s 模拟放大电路在现代电子技术中的应用。 2 、分析了引起c m o s 模拟放大电路在高温时性能不稳定的原因，结合萨式方程 从理论上计算出高温c m o s 模拟放大电路的温度特性，同时引入了零温度系数 点理论探讨出高温c m o s 模拟放大电路的设计规则。 3 、给出了具体的高温c m o s 模拟放大电路的设计过程，包括四个构成部分，分 别是： ( 1 ) 加入了泄漏二极管的偏置级 ( 2 ) 带有偏置二极管的差分放大输入级 ( 3 ) 具有放大作用的中间级 ( 4 ) 由m o s 管构成的带有泄漏二极管的互补输出级 着重就高温c m o s 模拟放大电路各部分的高温特性和设计方法进行了分析。 4 、阐述了高温c m o s 模拟放大电路的频率补偿方法。 5 、根据前几章的设计规则和方法设计出符合要求的二级高温c m o s 模拟放大电 路。 关键词：高温c m o s 零温度系数泄漏电流匹配温度稳定性 a b s t r a c t a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c e ，t e c h n o l o g ya n di n d u s t r y p r o d u c t i o n ，e s p e c i a l l yi ns o m es p e c i a lf i e l d ，t h ed e m a n dt ot h eu s i n go fw o r k i n g t e m p e r a t u r eo ft h e c i r c u i tb e c o m e s h i g h e ra n dh i g h e r , a n dh i g h - t e m p e r a t u r e m i c r o e l e c t r o n i c si sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n w eh a v ed o n et h ef u r t h e ra n a l y s i s a n dr e s e a r c ho nt h eh i g ht e m p e r a t u r ea n a l o gc m o sc i r c u i t so nt h eb a s i so fp r e v i o u s a n a l y s i sa n dr e s e a r c h b a s e do ns u c ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w ea l s od e s i g nat w oc m o s a n a l o go p e r a t i o n a la m p l i f i e rc i r c u i t ，w h i c hi sa c c o r d i n gt oc m o sa n a l o gc i r c u i t d e s i g nr u l e si nh i g ht e m p e r a t u r e t h et h e s i sm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h e a n a l y s i sa n de x p l a n a t i o nt oa p p l i c a t i o np r o s p e c to fh i g ht e m p e r a t u r ec m o s a n a l o ga m p l i f i e rc i r c u i t ，h i s t o r yo fd e v e l o p m e n t ，a n dp r e s e n ta c h i e v e m e n t m e a n w h i l e ，i te x p l a i n st h ea p p l i c a t i o no fh i g ht e m p e r a t u r ec m o sa n a l o g a m p l i f i e rc i r c u i ti nm o d e r ne l e c t r o n i ct e c h n o l o g y 2 i ta n a l y s i st h ec a u s e sw h i c hc a u s et h ei n s t a b i l i t yo fc m o sa n a l o ga m p l i f i e r c i r c u i ti nh i 曲t e m p e r a t u r e ，a n dc a l c u l a t e st h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f 1 1 i g h t e m p e r a t u r ec m o sa n a l o ga m p l i f i e rc i r c u i ti nt h e o r yw h i c hc o m b i n e dw i t h s a e q u a t i o nt h e o r y a tt h es a m et i m e ，i td i s c u s s e st h ed e s i g nr u l eo fi tf o rt h e i n t r o d u c t i o no faz e r ot e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tp o i n tt h e o r y 3 i ts u p p l i e sac o n c r e t ed e s i g np r o c e s so fh i g h t e m p e r a t u r ec m o s a n a l o ga m p l i f i e r c i r c u i t ，i n c l u d i n gf o u rc o m p o n e n t s t h e ya r e 3 、g i v eas p e c i f i ct e m p e r a t u r ec m o sa n a l o g a m p l i f i e rc i r c u i td e s i g np r o c e s s ， i n c l u d i n gf o u rc o m p o n e n t s ，r e s p e c t i v e l yi s ： ( 1 ) j o i n i n gt h eo f f s e tl e v e lo fl e a k a g ed i o d e ( 2 ) d i o d i n gw i t hab i a si n p u ts t a g ed i f f e r e n t i a la m p l i f i e r ( 3 ) w i t ha m p l i f i c a t i o no ft h em i d d l ec l a s s ( 4 ) t h ec o m p o s i t i o no fm o s p i p el e a k a g ed i o d ew i t hc o m p l e m e n t a r yo u t p u tl e v e l i i ： a b s t r a c t i t e m p h a s i z e so nt h ea n a l y s i so ft h eh i g h t e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c sa n dd e s i g n m e t h o d so fa l lp a r t so ft h eh i g ht e m p e r a t u r ea n a l o gc m o sa m p l i f i e rc i r c u i t 4 i te x p o u n d st h ec o m p e n s a t i o nm e t h o d so ff r e q u e n c yo ft h eh i g ht e m p e r a t u r e a n a l o gc m o sa m p l i f i e rc i r c u i t 5 w eh a v ed e s i g n e dt h et w o h i g h t e m p e r a t u r ec m o sa n a l o ga m p l i f i e rc i r c u i tw h i c h m e e t st h er e q u i r e m e n t sa c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr u l ea n dm e t h o d si np r e v i o u s c h a p t e r s k e yw o r d s ：h i g h - t e m p e r a t u r ec m o s ； z e r ot e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ；l e a k a g e c u r r e n tm a t c h i n g ；t e m p e r a t u r es t a b i l i t y i i i 第一章绪论 1 1 应用背景 第一章绪论 随着现代信息技术的发展，计算机技术和通信技术已经渗入到人们工作和生 活的各个领域，而现代信息技术的硬件核心是集成电路。在以集成电路为代表的 微电子技术中，c m o s 集成电路相比t t l 集成电路在低功耗、高度集成化方面具 有很大的优势，因此，c m o s 集成电路在现代电子技术中的运用无处不在。小到 人们日常使用的各种电子设备，大到航空航天等一些高新技术，c m o s 集成电路 已经成为信息社会发展的基础，同时也为社会经济发展作出了重要的贡献 而在一些特殊的领域，比如航空航天、喷气发动机、油井钻探等的控制及检 测电路方面，不仅需要产品的精度高，功耗低，同时也要能够适应一些恶劣的自 然气候条件，比如工作环境温度过高。例如石油和天然气的油井的井底的传感和 监测系统的环境工作温度就要高达2 0 0 c 3 0 0 。c ，而内然机的点火装置和控制 系统则要求工作于高达2 0 0 。c 3 0 0 c 的环境中等等2 3 毛。而普通的c m o s 集成 电路只能在室温环境下正常工作，即使采用增加冷却装置等方式可以使在室温下 工作的半导体器件和电路适用于高温环境。但是经过处理后的电路体积大、稳定 性差、噪声高不适于高度集成化，而构成c m o s 集成电路的主要材料就是半导体 材料。普通c m o s 集成电路之所以在高温下具有不稳定性也是由其内部的半导体 材料的性质决定的，因而现代的高温微电子学就是从构成c m o s 集成电路的半导 体材料入手来研究和设计能够适用于高温环境的c m o s 集成电路。 1 2 主要研究成果 对于高温集成电路的研究早在2 0 世纪7 0 年代末的时候，国外的学者就已经 开始了。1 9 7 8 年d w p l a m e r 首次报道了工作在2 5 0 以上的m o s 晶体管的电学 特性。对高温m o s 管及集成电路进行系统地研究的第一批学者是f s s h o u c a i r 、 w h a n g 和jm e e a r l y ( 即基区宽变效应的发现者) 等人，他们于1 9 8 4 年在( i e e e t r a n s o ne l e c t r o nd e v i c e s 和 i e e et r a n s o nc o m p o n e n t s ，h y b r i d s ， m a n u f a c t u r e ，t e c h n o l o g y 上发表了一系列关于在2 5 一3 0 0 。c 环境温度下m o s 高温c m o s 运算放大器的i i ) f 究与设计 场效应管电学特性的研究理谢。这些论文主要讨论了m o s 场效应管的阈值电压、 表面载流子的迁移率、漏源电流、p n 结泄漏电流、泄漏电导和m o s 场效应管的 交流小信号参数等主要参数在2 5 。c - - - 3 0 0 。c 高温环境下的变化情况，给出了描述 它们高温电学特性的方程和经验公式。尤其是零温度系数栅偏置电压理论( 即 z t c 点) 陆 目的提出，为高温m o s 场效应管和c m o s 集成电路的研究和设计提供了 理论基础。 进入2 0 世纪8 0 年代末期，随着高温微电子技术的不断发展和完善，1 9 8 6 年f s s h o u c a i r 提出了“能够在2 6 0 下稳定工作的模拟集成电路的设计方法” 嫡1 。该方案较好地解决了高温环境下模拟集成电路的恒流源、差分输人级、中间 放大级和输出级的设计方案，实现了在2 5 一2 6 0 高温环境下c m o s 集成运算 放大器的设计。2 0 0 0 年s h e p p a r d 等研制出可以在1 2v 电压下工作的c m o s 集 成电路，栅介质采用o n o ，工作温度可以达到3 5 0 ，电路具有8 0d b 的稳定增益， 且增益误差小于1 口1 。这也标志着高温集成电路已经逐渐从理论研究走上了实际 应用的道路。 进入2 l 世纪以来随着微电于技术的高速发展，集成电路朝着越来越小尺寸 发展，超大规模集成电路器件的特征尺寸巳达到纳米级，如表l 一1 所示。阳1 年份 1 9 9 92 0 0 22 0 0 52 0 0 82 0 1 l2 0 1 4 特征尺寸( 姗)1 8 01 3 01 0 07 05 03 5 表面起伏( a m ) 6 54 53 52 52 01 5 栅长( n m ) 1 4 08 5 - 9 06 54 53 0 - 3 22 0 2 2 等效氧化层厚度( n m ) 1 9 - 2 51 5 - 1 91 0 一1 50 8 - 1 20 6 0 80 5 - 0 6 结深( 1 i r a )4 2 - 7 02 5 - 4 32 0 - 3 31 6 2 68 1 3 表1 1 硅集成电路尺寸变化表 而关于高温半导体器件与集成电路的研究也在继续深入，自9 0 年代开始， 由i e e e 组织的高温微电子学会议每两年举行一次。会议的内容从早期的硅半导 体器件和集成电路，发展到了包括g a s 、s i c 等新型高温半导体材料的器件与集 成电路。与此同时国内在高温微电子方面以柯导明教授为代表的学者也对高温 集成电路进行了一系列的理论和实验研究并取得了一定的成就，结合国内外学者 对对高温集成电路的研究、分析、求解了一些微分方程与代数方程，得到了具有 第一章绪论 高精度的高温c m o s 集成电路主要参数的定量计算公式，使得高温c m o s 集成电路 的参数计算公式精度更高，为高温c m o s 集成电路的研究者提供了更好的理论依 据。并为高温c m o s 集成电路的商品化打下基础，在此基础上发表了一系列的论 文和专著以供后续者进行学习。 相信随着高温微电子技术的不断发展，以及高温集成电路技术的不断发展和 完善，高温集成电路的作用日趋重要，高温集成电路在各个领域的应用前景也会 越来越好。本文就对前人的一些研究成果进行了分析和总结，并以此为依据设计 了相应的高温c m o s 集成运算放大电路。由于水平所限，本论文所进行的一些分 析和设计也具有一定的误差和局限性，有待继续学习。 1 3 主要研究内容 本文第一部分主要从高温m o s 场效应管的高温特性与主要参数的分析与计 算出发，结合零温度系数栅偏置电压理论( 即z t c 点) ，分析z t c 点时m o s 场效 应管满足的条件及此时的温度特性。 第二部分结合第一部分的内容主要分析了高温c m o s 模拟集成电路零温度系 数栅偏置电压( z t c 点) 存在的必要条件和相关数据，以及高温c m o s 模拟集成 电路在满足零温度系数栅偏置电压条件及电路本身的拓扑约束下的设计规则。 第三部分以高温c m o s 模拟集成运算放大器为例给出了高温c m o s 模拟集成电 路的恒流源电路、差分输入级、中间放大级、输出级以及频率补偿电路的设计方 法及相关指标。 第四部分是对设计结果进行实验仿真，对仿真结果进行分析并且对结果进行 实际应用评测及与理论结果的误差分析。 3 高温c m o s 运算放大器的研究与设计 第二章高温c m o s 模拟集成电路的设计规则 由于m o s 场效应管的阈值电压u ，( t ) 以及载流子的迁移率p ( t ) 都是温度的 函数n ”，因此当由m o s 场效应管构成的c m o s 模拟集成电路在实际使用时，尤其 是在高温环境中使用时，电路的主要性能包括漏源电流i 。( t ) ，静态工作点等都 会发生偏移，对电路的稳定性和性能造成严重的不良后果。但是根据高温微电子 学的零温度系数理论( 即z t c 理论) 可知，在设计高温c m o s 模拟集成电路时， 可以设置一个能使m o s 管的漏源电流i 雎( t ) ( 或跨导) 工作在零温度系数下的 栅偏压，使得漏源电流i 皓( t ) ( 或跨导) 不随温度的变化而变化，从而实现c m o s 模拟集成电路在高温下使用时也可以保持稳定的工作状态。在本章中就来研究如 何利用零温度系数实现无漂移静态工作点的方法。 2 1 零温度系数点存在的条件旧 根据零温度系数理论可知，当m o s 工作在零温度系数点时，其主要性能指标 漏源电流i 晒是温度的常量，根据萨式方程可知可得出在忽略m o s 管的沟道长度 调制效应时，归一化的漏源电流温度系数表达式，其具体推导过程如下： l o s ( r ) = i u ( t ) c 。x w ( u 岱一【，r ) u 嬲【，钌一【厂r 【，踯线性区 么筝也帆s 一) 2 一饱和区 q d 对上式( 萨式方程) 进行求导，得到归一化的漏源电流温度系数表达式如下： i 1 生= 三h 塑d t 一面丽m了d u r ( t ) d t ( 2 2 ) 一丝=l一 ( 夕1 fd s u g s 呼t c 、) 一u t q 、d t 其中 m = 仨篙喜 ( 丁) = ( 互) ( 亭) 1 5 ( 2 3 ) 当m o s 工作在零温度系数点时，漏源电流i 璐在温度变化时保持常量不变，因 此，可以认为 4 第二章高温c m o s 模拟集成电路的设计规则 1 d i p s ：0 id s 矾 ( 2 4 ) = 百d u t ( t ) ( 2 5 ) 6 ( 丁) ：型墼避孚垫卿 ( 2 6 ) u 删，孝窜，。 一u c s - u r u o s 瑚 和2 7 7 b a 争? 0 5 咿) 】_ 0 ( 2 8 ) 5 高温c m o s 运算放大器的研究与设计 上d b ( t ) ：土 ( 2 9 ) 6 ( 丁) d t 2 t 将上式两边同时对时间t 积分，可得： b ( t ) = 6 ( 互) ( 鲁) 2 ( 2 1 0 ) 1 上式表明阈值电压u ( t ) 的温度系数b ( t ) 是温度的函数，并且会随着温度 的升高而增加。同时，该式也是漏源电流在零温度系数点存在的充分条件。 把式2 3 和2 1 0 代入到式2 7 a 中，可得当m o s 管工作在线性区时的零温度 系数点漏源电流i 酷( z t c ) 值为： k ( z t c ) = 丢觚) 警硪互) ( 2 由式2 1 1 可以看出，在零温度系数点的漏源电流i 船( z t c ) 的大小与温度 无关，在线性区的m o s 管，可以通过调节漏源电压u 璐的数值来调整漏源电流i 屿 ( z t c ) 的大小。 2 、饱和区 同样可以根据前面的一些公式和数据推算出n m o s 管工作在零温度系数点的 阈值电压u ，( t ) 的温度系数b ( t ) 在饱和区的温度函数表达式， 将式2 3 带入到式2 7 b 中，再将等式两边分别对时间t 求导，得出b ( t ) 在 饱和区的温度函数表达式： 昙卜告乃( 硼一t 1 = o ( 2 1 2 ) 整理上式，可得： 熹一d b ( t ) ：( 业) ! (213)-!dt 一一= 一- 一 i 厂 6 ( 丁) 、 mt 将上式两边同时对t 积分，得出阈值电压u ，( t ) 的温度系数b ( t ) 在饱和区 的温度函数表达式： t 肌一1 5 6 ( 丁) = 6 ( 互) ( 睾) 用 ( 2 1 4 ) 1 一般情况下，m = 2 ，该式也是m o s 管工作在饱和区时漏源电流在零温度系数 第二章高温c m o s 模拟集成电路的设计规则 点存在的充分条件。将式2 1 4 和2 3 代入到式2 7 b 中，可得当m o s 管工作在饱 和区时的零温度系数点漏源电流i 。( z t c ) 值为： i d s ( z t c ) = i 1 ( 互) 了wc 。 一1 5t 1 b ( t j ) m ( 2 1 5 ) zlm 根据上式明显可以得出，当满足零温度系数点存在的充分条件时，工作在饱 和区时的零温度系数点漏源电流i 。( z t c ) 值是一个与温度无关的数值。 通过上面的论证，可以得出结论，对于m o s 场效应管来说，存在零温度系 数点( 即z t c 点) ，只要设置一个合适的栅压o 岱( z t c ) ，并且，满足阈值电压u ， ( t ) 在零温度系数点的温度系数b ( t ) 的条件，就可以使得m o s 场效应管的漏源 电流在零温度系数点时是一个与温度无关的量，当m o s 管工作于高温环境时，对 m o s 管的性能和稳定性造成的危害就会减小。 2 2零温度系数点的栅压 通过上节的推导可知，对于m o s 场效应管来说，只要设置一个合适的零温 度系数点栅压u 。( z t c ) ，就可以使得在零温度系数点工作的m o s 场效应管的漏 源电流在零温度系数点时是一个与温度无关的量。在本节中，主要来推导出使 m o s 场效应管工作在零温度系数点的栅压u 。( z t c ) 的方程。 式2 6 反映了u 。( z t c ) ( 零温度系数点的栅极电压) 、i 瞻( z t c ) ( 零温度系 数点的漏源电流) 及温度之间的关系。将该式变换形式，得到函数f ( t ) 如下： 厂( 丁) = ( r ) 一( 丁) + l m 、t b ( t ) ( 2 1 6 ) 当零温度系数点存在时，f ( y ) = 0 ，即要使u 皤( z t c ) 的设置满足： u ( 丁) = ( 丁) 一_ m = t b ( t ) ( 2 1 7 ) 为了在某一温度范围内，调节u 。( z t c ) 使得m o s 场效应管工作在零温度系数 点，我们采用均方逼近的方法推导此时的栅压u 岱( z t c ) 的表达式。设f ( y ) 为函 数f ( t ) 的均方逼近，温度范围为【t 。一t ：】，可得： 瓦d f ( t ) = 丧霹( z t c ) 也( 聃等2 肌。( 2 1 8 ) 7 高温c m o s 运算放大器的研究与设计 其中u ，( t ) 是m o s 场效应管的阂值电压，其大小可以表示为： u 7 ( 丁) = u 7 ( 互) + p o ( t 一互) ( 2 1 9 ) 鬻= 瓦d 舡( z t c ) 哪一p o ( h ) + 西m t 盯弘o ( 2 2 。) u 鹋( z t c ) = u “t i ) _ 7p o t , + 幸r 疋 线性区 ( 2 2 2 ) 【u g 。( z t c ) = u t ( t 1 ) - 吾p o t l 一吉咒正 饱和区 屺。厶厶 i d s ( z t c ) =华鲁互 盟2 l 卜警15 】” l j 线性区 ( 2 2 3 ) 饱和区 由上式也可以得出，零温度系数点的漏源电流i 船( z t c ) 是与温度无关的量n 2 。 除了在理论上可以推导出零温度系数点存在的条件外，也可以通过实验的方 法验证z t c 点存在的正确性，图2 1 就给出了一组根据实验所测得的数据绘制 的曲线图，实验所用的m o s 管的主要参数和理论计算结果如表2 1 所示 表2 12 5 。c - - 2 7 5 实验用m o s 管参数 参数u 皓( z t c )u 。( z t c ) 、参数值 t o xw lp ou ( 2 5 ) 线性区计饱和区计 、 类型n 算值算值 p m o s1 0 0 r i m 5 0 6 3 5 m v 一1 5 v2 1 v2 9 5 v 8 第二章高温c m o s 模拟集成电路的设计规则 由图2 1 可以看出，对于m o s 场效应管来说，在2 5 一2 0 0 之间只有一个明 显的z t c 点，在z t c 点m o s 管的漏源电流不会随着温度的变化而变化，而m o s 管的漏源电流是由p n 结泄漏电流和本征电流两部分构成的，当温度高于2 0 0 后，由于，m o s 管内的p n 结泄漏电流急剧增大，会使得m o s 管的漏源电流整体 上移，从而偏离z t c 点，因此，工作温度高于2 5 0 。c 以上的m o s 管不存在z t c 点， 也就不在本文的研究范围之内。 ，、 c i 、 口 i - 4 揍 删 慧 瞧 漏 图2 1 ( a ) 图2 一l ( b ) 9 高温c m o s 运算放大器的研究与设计 2 3 偏置在零温度系数点的m o s 管的小信号参数 “耻急l 唧胁常数 汜2 4 ， k - j 华( 峙u t ) g o s 一吣刈脚线岖 ( 2 2 5 ) k r 2 1 丝垂雩丛里p g 。一u r ) 2 【，岱一u r u 傩饱和区 。乙2 5 啦少”譬 黜区 ( 2 2 6 ) 口卜胁毛譬附嘲 他2 6 1 0 第二章高温c m o s 模拟集成电路的设计规则 将跨导g 。在饱和区的关系式的两边分别对时间t 求导，可得跨导g 。的相对温度 系数，其值为 一1 亟：一1 塑一 !幽 ( 2 2 7 ) g 。d td tu a s ( z r c ) 一u 7 ( r ) d t 当m o s 管偏置在零温度系数点时，根据式2 2 可将上式变换为： 一1 一d g ：上监+ ! d u r ( r ) ( 2 2 8 ) g 。d t i d s d t u 傩( z t c ) 一u7 ( 2 ) d t 由于在零温度系数点时漏源电流工d s ( z t c ) 对时间的变化率亡等= 。，所以 可以将匕式变换为： 上亟： g 。d tu c s ( z t c ) 一坼( ，) d t ( 2 2 9 ) 从上式可得出，m o s 管的跨导g 。在饱和区时随温度的变化情况，主要由m o s 管的阈值电压u 。决定，其具体的数值关系，也可以通过下式求出，将式2 6 代 入到跨导g 。在饱和区的关系式即式2 2 6 ，可得： “耻i m 觚) ( 争1 5 景明州 ( 2 3 0 ) 根据上式求出g 的归一化函数为： g 。( 丁) = g m ( 互) ( 鲁) 2 5 一“ ( 2 3 1 ) 典型情况下，取m - - 2 ，所以根据上面的推导可以得出，m o s 管的跨导g 在 饱和区时与温度的关系为g o c t 吨5 。 木输出电导g 。 输出电导g 。在零温度系数点时可定义为： 岛( z t c ) = l o s f ( z t c ) ( 2 - 3 2 ) 其中i 嘴( z t c ) 是与温度无关的量，而厄尔利电压u 。也是与温度无关的量，因 此在零温度系数点的输出电导g 。是一个与温度无关的量。 半电容 由于m o s 管内部有两个p n 结，栅极和漏极，栅极和源极间以及栅极和衬底之 高温c m o s 运算放大器的研究与设计 间都会产生电荷存储效应，在m o s 场效应管的小信号模型中，可以用p n 结的耗 尽层电容以及栅下面耗尽层的电容c d s 表示，除此之外，m o s 管的栅极和漏极， 栅极和源极之间会产生交叠，形成交叠电容。即m o s 场效应管的小信号参数中的 电容包括有交叠电容、p n 结的耗尽层电容以及栅下面耗尽层的电容c d s ，这些电 容与温度之间的变化关系非常微弱，可以忽略，因此，可以认为在零温度系数点 的电容是不随温度变化的恒量。 当m o s 管偏置在零温度系数点时，都工作于饱和区，其小信号模型如下图： s 图2 2 其中，c g d 、c g s 和c d s 是m o s 管的小信号等效电容，其大小与温度无关， g d ( z t c ) 是m o s 管的输出电导，其大小也是与温度无关的恒量，因此，偏置在零 温度系数点的m o s 管的下信号模型的温度特性主要由m o s 管的跨导g 决定。根 据前面的推导可知，置在零温度系数点的m o s 管工作在饱和区时，其跨导g 。与 温度的关系为g o c t 吨5 ，即跨导g 随着温度的升高而减小，对m o s 管所构成的模 拟集成电路的主要影响为增益下降，其变化情况如下图所示： 1 2 第二章高温c m o s 模拟集成电路的设计规则 增益 a v l a v 2 f ( 一3 d b ) 频率 图2 3 2 4 高温c m o s 模拟集成电路的设计规则 前面分析了m o s 场效应管在零温度系数点时的一些主要参数和技术指标的 温度特性，在本节中，就高温c m o s 模拟集成电路的一些设计规则进行分析和推 导。由于m o s 管内部有两个p n 结，在高温时会产生极大的反向泄漏电流，会对 电路的主要参数和工作状态产生相应的影响，因此，在设计高温c m o s 模拟集成 电路时，首先必须对高温c m o s 模拟集成电路的设计规则做出一些规定。下面就 以一个比较典型的c m o s 模拟放大电路为例来说明在设计高温c i o s 模拟集成电路 应遵循的一些规则n 5 1 。 + v d d1 = ( a ) 1 3 u o 高温c m o s 运算放火器的研究与设计 + v d d + v d d d 3 i ) 2 d 1 ( b ) + v d d i u o r 2 ( 1 | r 2 ，t ) 图2 4由n m o s 管组成的放大电路 图( a ) 是放大电路的高温大信号等效电路； ( b ) 是由m o s 管所组成的子电路： 图( c ) 是由二极管所组成的子电路；( d ) 是二极管所组成的子电路的电流源等效电路 对于图2 4 ( a ) 所示的的放大电路的高温大信号等效电路来说，构成该电 路所有的m o s 管都是n m o s 管。每个m o s 管的源极和漏极之间的二极管就是m o s 管的漏极p n 结。为了分析的方便，可以把这个电路分为两个子电路，分别如图 2 4 ( b ) ( c ) 所示。图( b ) 所示的是本征m o s 管组成的子电路；图( c ) 所示的 是由m o s 管的漏极二极管所组成的子电路，它反映了所有m o s 管中的泄漏电流的 1 4 第二章高温c m o s 模拟集成电路的设计规则 影响。对于由m o s 管所构成的模拟集成电路来说，当它工作于正常温度范围的时 候，其内部的泄漏电流的数值非常小。因此，在分析c m o s 模拟集成电路的设计 规则时，m o s 管的泄漏电流对电路的影响可以忽略，这个电路的输出特性可以用 图2 4 ( b ) 所示等效电路进行分析。 但是当c m o s 模拟集成电路工作于高温环境时，其泄漏电流会急剧增大，在 设计高温c m o s 模拟集成电路时，必须要考虑泄漏电流对电路性能及主要参数的 影响1 。因此，在分析高温c m o s 模拟集成电路时，必须要考虑图2 4 ( c ) 中 由二极管所构成的子电路的影响。在c m o s 高温集成模拟电路中，实际上这些二 级管都是反向偏置的，反向偏置的二极管的电阻非常大。在分析过程中，可以将 其等效为恒流源，即等效为图2 4 ( d ) 所示。用图2 4 ( d ) 所示电路分析高 温c m o s 模拟集成电路会更加简便，下面就采用图2 4 ( d ) 所示电路对高温c m o s 模拟集成电路的设计规则进行分析。 对于二极管的泄漏电流来说，其大小与导电沟道的宽度w 以及温度t 有关， 因此，泄漏电流i 。( w ，t ) 是沟道的宽度w 以及温度t 的函数。另外，对于任何 一个电路而言，其各节点必须要满足基尔霍夫电流定律，图2 4 ( d ) 所示电路 中的节点也不例外，所以，对图2 4 ( d ) 所示电路中的节点a 应用基尔霍夫电 流定律，可以得到： 厶。( 彤，t ) = 厶：( ，r ) + k ( ，t ) ( 2 3 3 ) 在高温环境下，为了减小二极管反向泄漏电流对d o s 管沟道电流的影响，必 须满足式2 3 3 ，同时，必须使得i 盼= i 腔，下面推导一下，为了满足以上的要求， m o s 的参数应遵循什么规则。具体推导过程如下，假设泄漏电流的密度为j 。，m o s 管的漏源p n 结的结深和长度是固定的，因此，可以将式2 3 3 变换为下式： 上式可写成： 厶仃) = 厶仃) + 山( 丁) 呢 ( 2 3 4 ) 同理由于i 船= i 艘也可得出： 联= + ( 2 3 5 ) 对于图2 4 所示的高温c m o s 管电路来说，构成该电路的4 个m o s 管的宽度必 1 5 高温c m o s 运算放大器的研究与设计 须满足以下条件，即： w ，= w 2 + w s = w 。+ w s 1 3 3( 2 3 7 ) 通过上面的分析可得出结论，对于高温c m o s 模拟电路来说，在设计的时候， m o s 管的宽度不能随意而定，必须由电路的结构决定。 下面就以一个简单的全增强型n m o s 放大电路为例来说明上述限制对高温 c m o s 模拟电路的影响。 如图2 5 所示，是一个由n m o s 管所构成的全增强型n t o s 放大电路，该电 7 i 图2 - - 5 路中的两个n m o s 管均工作于饱和区，从图中可求出该电路的交流小信号电压增 益为： 弘糌 弦3 8 ， 其中k i ，是比例系数。根据前面得出的结论，当电路遵循上述的设计规则 时，可知w 。= w 。，代入到式2 - - 3 8 中，可以得到电路的交流小信号电压增益为： 耻层 3 对于该电路来说，在遵循上述的设计规则的前提下，只要合理的选择m o s 管的尺寸，就可以得到指定的电压增益。 现在再来分析一下当电路不遵循上述的设计规则时的后果，以图2 - - 4 所示 1 6 第二章高温c m o s 模拟集成电路的设计规则 电路为例进行分析，假设电路中的m o s 管都工作在饱和区，为了使电路能够得到 一个合适的电压增益，不再遵循前面所得出的设计规则，令 此时，该电路的二极管等效电路不再满足基尔霍夫电流定律，对于节点a 来说，为了满足基尔霍夫电流定律，就需要将m ：，m 。及m 。所在支路的m o s 管本征 电流增大以对节点a 进行补偿。为了m o s 工作在z t c 点，这些m o s 管的栅源极 u 岱( z t c ) 是固定的，当电流增大时会引起节点a 的电压v 下降，当节点a 的电 压v 下降到v _ u 吣。 u 。一u ，( t ) 时，这时m o s 管m 。将会离开饱和区，这时电路就会 不再提供增益，而电路也会失去其原本的作用。 综上所述，可得出，在设计高温c m o s 模拟电路时，为了使电路能够正常工 作，必须要满足以下规则即：即要让该电路的二极管等效子电路中的每个节点都 满足基尔霍夫电流定律( 流过同一节点的电流的代数和为零) 。 1 7 高温c m o s 运算放大器的硼f 究与设计 第三章高温c m o s 模拟集成电路的设计过程 3 1 高温c m o s 模拟集成电路的结构分析 在前面几章中，对m o s 场效应管的温度特性，零温度系数点存在的条件以及 高温c m o s 模拟集成电路的设计规则分别进行了分析和推导。在本章中，就高温 c m o s 模拟集成电路的整个的设计及各部分电路的结构进行设计。 我们所设计的高温c m o s 模拟集成电路要求在高温环境下使用时，其主要性 能和技术指标能够保证稳定，尽量减小温度对电路的影响，同时，对于c m o s 模 拟集成电路来说，应具有高增益、低失调、低输出电阻特性。本着这样的原则我 们对高温c m o s 模拟集成电路的结构进行以下的设计n 引。 1 、偏置电路的确定 为了使得高温c m o s 模拟集成电路工作在零温度系数点，即使温度发生变化 电路也会保持稳定的工作状态，首先要设定一个合适的偏置电压u 。( z t c ) ，因 此，在设计电路时，必须设计一个合适的电压偏置电路。 2 、输入级的确定 为了体现电路较强的抗干扰能力，在设计输入级时，可采用差分放大电路 作为高温c m o s 模拟集成电路的输入级， 3 、中间级的确定 对于高温c m o s 模拟集成电路来说，中间级的主要作用就是实现放大作用， 因此，在设计高温c m o s 模拟集成电路时，中间级采用共源共栅放大电路。 4 、输出级的确定 对于高温c m o s 模拟集成电路来说，输出级主要考虑电路的带负载能力，输 出阻抗以及频率特性，在设计的时候，为了实现输出级具有较强的带负载能力， 低的输出阻抗和好的频率响应特性，主要采用源极跟随器作为高温c m o s 模拟集 成电路的输出级。 综合以上分析，我们可以基本确定本设计的高温c m o s 模拟集成电路的主体 结构，它包括偏置电路级、输入级、中间级、输出级。整体结构如图4 1 所示。 下面就对这几部分电路的结构和主要指标仅仅具体的设计。 第三章高温c m o s 模拟集成电路的设计过程 图3 1 高温c i i o s 模拟集成电路结构示意图 3 2 偏置电路的设计 对于高温c m o s 模拟集成电路来说，偏置电路的主要作用就是为电路提供一 个合适的偏置电压u c s ( z t c ) ，让m o s 管的漏源电流i 。( z t c ) 工作在零温度系数点， 以使得电路在高温环境下也能保持稳定的工作状态。在设计时，我们可以采用有 源器件构成的方法来实现。 v d d i d s v s s 图3 2i l o s 管构成的电压偏置电路 1 9 道 高温c m o s 运算放大器的研究与设计 当m o s 管的源极和栅极连接在一起的时候，其功能与电阻相似，因此我们可 以用几个m o s 管构成高温c i d o s 模拟集成电路的电压偏置电路，下面就重点设计 和分析一下用m o s 管所构成的高温c m o s 模拟集成电路的电压偏置电路的结构和 特性。 我们这里采用4 个m o s 管串联起来组成一个类似于电阻分压器的电路，其具 体构成如图3 2 所示的就是由m o s 管所构成的高温c m o s 模拟集成电路的电压偏 置电路，电路正常工作时，图中所示的m o s 管都工作于饱和区，对于该电路来说， 当工作于室温环境时，m o s 的泄漏电流数值较小，对漏源电流的影响可以忽略， 但是，当工作于高温环境时，m o s 管中p n 结的泄漏电流会急剧增大，因此，在 设计高温c m o s 模拟集成电路的电压偏置电路时，必须考虑m o s 管中p n 结的泄漏 电流的作用 1 7 1 得出下图所示的电路图 7 d d v 道 7 s s 图3 3 高温等效电压偏置电路 根据高温c m o s 模拟电路的设计规则可知，要想使电路在高温环境下能够正 常工作，而不影响电路的主要性能和指标，m o s 管中各节点的泄漏电流的代数和 2 0 第三章高温c m o s 模拟集成电路的设计过程 应该为零。设图中p m o s 管中泄漏电流的密度为j 胁导电沟道宽度为w 。：n m o s 管中 泄漏电流的密度为j 刚，导电沟道宽度为w i j m o s 管中p n 结的结深为x 。，结长为 d 。，n m o s 管和p m o s 管的结深和结长都相等。所以，对于电路中任意一个节点， 根据基尔霍夫电流定律可得： = 删 ( 3 1 ) 由上式可得： 监：鱼- n ( 3 2 ) w pj 咔 n 半的大小根据m o s 管的制作工艺不同而不同，具体设计电路时n ：i ：的大小可 以实测，由式3 2 可得出，在设计电路时，m o s 管的宽度可以由n 木的大小决定。 除了可以由n 木的大小决定m o s 管的宽度以外，在设计高温c m o s 模拟集成电 路的电压偏置电路时，为了让m o s 管的泄漏电流匹配，在选择m o s 管时，必须让 n m o s 管和p m o s 管对应出现。在满足m o s 管的尺寸条件下，使得电路中任