（电路与系统专业论文）基于cmos全差分运算放大器的全集成有源滤波器的设计.pdf

摘要 随着集成电路技术和通信技术的发展，全集成有源滤波器的设计已经成为国 际学术界所关注的前沿课题之一。特别是近年来，片上系统( s y s t e m o nac h i p ) 的发展也迫切需要解决有源滤波器的全集成问题。 本文在全面归纳总结国内外全集成有源滤波器的研究现状和发展动态的基 础上，从网络综合理论出发，较系统地研究了基于信号流图模拟法的全集成有源 滤波器的设计技术，利用双端接载的无源l c 梯形滤波电路具有响应对元件变化 灵敏度低的优点，将其作为原型滤波器，详细地推导了六阶b u t t e r w o r t h 低通滤 波器和六阶c h e b y s h e v 带通滤波器的信号流图，并实现了相应的基于反相积分器 的有源r c 滤波器和全差分有源r c 滤波器。并从全集成的角度出发，着重研究 了作为滤波器的关键部分的全差分运算放大器的特性对全集成有源滤波器的性 能的影响，在此基础上设计了一种适合于本文中所设计的全集成有源r c 低通和 带通滤波器的宽摆幅、低功耗的全差分运算放大器。在设计及仿真过程中，具体 的研究了运算放大器的各项性能指标对全集成有源滤波器的选频特性和稳定性 的影响，给出了在滤波器设计过程中如何选择适当的运算放大器的方法。 滤波器电路采用了特许半导体( c h a r t e r e d ) 0 3 5 u r nc m o s 工艺进行设计。通 过使用c a d e n c e 设计环境下的s p e c t r e 工具仿真，运放单位增益带宽达到 1 2 8 m h z ，相位裕度为6 1 。，低频增益7 8 d b ，功耗小于1 3 m w ，保证了全集成 有源滤波器的选频特性和稳定性。仿真结果表明，全集成有源r c 低通和带通滤 波器的各项性能指标都满足设计要求，并实现了滤波器的低功耗设计。 关键词：全集成有源滤波器信号流图c m o s 全差分运算放大器 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i ta n dt e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ， t h ed e s i g no ff u l l - i n t e g r a t e da c t i v ef i l t e r sh a sb e c o m eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n t a d v a n c e si na n a l o gv l s ia n da t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o ni nt h ea c a d e m i cw o r l d p a r t i c u l a r l y ，i n r e c e n ty e a r s ，t h ep r o b l e m ，w h i c hc r i e sf o rs o l v i n g ，i s t h e f u l l i n t e g r a t i o no ft h ea c t i v ef i l t e r s ，f o rt h ed e v e l o p m e n to fs y s t e m - o n - a - c h i p i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ei n t e r n a t i o n a la n dn a t i o n a lr e s e a r c h e ss t a t u sq u oa n dt h e d e v e l o p i n gt r e n d so f t h ef u l l - i n t e g r a t e da c t i v ef i l t e r sa r es y s t e m a t i c a l l yr e v i e w e d t h e d e s i g nt e c h n o l o g yo ff u l l - i n t e g r a t e da c t i v ef i l t e r st h a tb a s e do nt h et h e o r yo fn e t w o r k s y n t h e s i sa n ds i g n a lf l o wg r a p h i s d e e p l ys t u d i e d o nt h eb a s i so ft h ed o u b l y t e r m i n a t e dl cl a d d e r p r o t o t y p e ，w h o s em a g n i t u d er e s p o n s e i se x t r a o r d i n a r i l y i n s e n s i t i v et op e r t u r b a t i o n so ft h el ce l e m e n t sa n dt ot h et e r m i n a t i n gr e s i s t a n c e s ，t h e d e t a i l e ds i g n a lf l o wg r a p h so fs i x t h - o r d e rb u t t e r w o r t hl o w - p a s sf i k e ra n ds i x t h o r d e r c h e b y s h e vb a n d - p a s sf i l t e ra r ed e r i v e dr e s p e c t i v e l y , a n dt h ec o r r e s p o n d i n ga c t i v er c f i l t e r sb a s e do ni n v e r t i n gi n t e g r a t o ra n df u l l - d i f f e r e n t i a la c t i v er cf i l t e r sa r er e a l i z e d f o c u s i n go nt h ef u l l - i n t e g r a t i o n ，s p e c i a le m p h a s i si s l a i dt op o 缸o u tt h ei n f l u e n c e t h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef u l l yd i f f e r e n t i a lo p e r a t i o n a la m p l i f i e rm a k e st ot h ea c t i v e f i l t e r s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s ，af u l l yd i f f e r e n t i a lo p e r a t i o n a la m p l i f i e rw i t hw i d e r u n i t y g a i nb a n d w i d t ha n dl o wp o w e ri sd e s i g n e df o rt h es i x t h - o r d e rb u t t e r w o r t h l o w - p a s sf i l t e ra n ds i x t h - o r d e rc h e b y s h e vb a n d p a s sf i l t e ri nt h i sp a p e r ，a n dt h e na p r a c t i c a lm e t h o df o rc h o o s i n gt h es u i t a b l eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r i sp r o p o s e d f i l t e rc k c u ki sd e s i g n e dw i t hc h a r t e r e do 3 5 i _ t mc m o st e c h n o l o g yc k c u i ti s s i m u l a t e db yt h es p e c t r ei nc a d e n c e ，u n i t y - g a i nb a n d w i d t ho fo p e r a t i o n a la m p l i f i e r i sr e a c h e d12 8 m h z ，p h a s em a r g i ni s61 。，7 8 d bl o w - f r e q u e n c yg a i na n dp o w e r c o n s u m p t i o ni s l e s st h a n1 3 m w t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t a l lo f p r e d e f m e ds p e c i f i c a t i o n sa r es a t i s f i e da n d a c h i e v e dal o w - p o w e rd e s i g n k e yw o r d s ：f u l l - i n t e g r a t e da c t i v ef i l t e r s ，s i g n a lf l o wg r a p h ，c m o s ，f u l l y d i f f e r e n t i a lo p e r a t i o n a la m p l i f i e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘堂或其他教育机构的学位或证 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贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 毋嘲 签字日期：2 - 。o q 年f - 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 两 签字日翌：砂。歹年歹月另日 新硌嘉酬 签字日期：砂7 年月日 第一章绪论 1 1 滤波器的发展概述 第一章绪论 滤波器是一种电路元件相互连接而组成的选频网络，它通过对传递函数的设 计而使输入信号中的某些频率的信号通过，使其他频率的信号受到阻塞或者衰 减。早在1 9 1 5 年德国的瓦格纳( w a g n e r ) 和美国的坎贝尔( c a m p b e l l ) 就提出 了滤波器的概念，从那时候开始，滤波器的理论和技术就一直不断发展和完善， 从无源分立r l c 元件开始经历了集成线性元件、混合集成电路和单片集成电路 等一系列发展历程，取得了长足的进步。随着滤波器在现代通信系统、控制和测 量系统当中的广泛应用，滤波器的理论和技术的研究也就越来越被各国的学者和 科技工作人员所重视。 滤波器主要可以分为无源滤波器和有源滤波器两大类，2 0 世纪6 0 年代以 前无源滤波器得到了全面的发展，它是由无源元件如电阻、电感、电容组成的滤 波电路，其中无源l c 梯形网络是一种非常有用的结构，其主要的优势在于它对 元件的变化的敏感度低，性能稳定。由于电感的固有缺陷，如损耗大、体积大、 非线性、易引入干扰噪声又难以集成实现等，因而，从2 0 世纪5 0 年代开始人们 发现了使用有源电路来代替电感的滤波器实现方法，从而大大减小了电路的尺寸 和降低了电路的成本。2 0 世纪6 0 年代中期高质量的有源器件运算放大器的 问世对有源滤波器的发展起到了巨大的推动作用，2 0 世纪7 0 年代低成本的单片 运放初步制作成功，使人们用有源技术模拟电感成为可能，为有源r c 滤波器的 实现奠定了基础。2 0 世纪7 0 年代发展起来的混合集成电路技术把有源r c 滤波 器推向成熟，成为滤波器学科发展史上的重要里程碑。从此，滤波器的发展上了 一个新台阶，并且开始朝着低功耗、小体积、多功能、高精度、稳定可靠和价格 低廉的方向发展，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为了2 0 世纪7 0 年 代以后的主攻方向。2 0 世纪8 0 年代以来随着大规模集成电路的迅猛发展，滤波 器学科也进入了全集成系统发展的时期，有源滤波器开始朝着系统高度集成化、 元件单一性、低电源和微功耗等方向发展。 单片集成有源滤波器按其集成的技术可以分为标准双极性( b i p o l a r ) 、c m o s ( c o m p l e m e n t a r y - m e t a l - o x i d e - s e m i c o n d u c t o r ) 、声表面波s a w ( s u r f a c ea c o u s t i c w a v e ) 和b i c m o s ( b i p o l a r - c m o s ) 等。每一种技术都有其优点和缺点。标准 双极性工艺具有更高的带宽和更快的转换速率但是功耗和成本较高，声表面波具 第一章绪论 有高q 值和高频率但是其尺寸太大，而c m o s 工艺具有集成度高、成本低、功 耗小以及制作简单等优点，而且考虑到与数字电路的主流工艺相兼容，因此 c m o s 工艺的实现方法和设计技术成为当前单片集成的的主流。 1 2c m o s 模拟滤波器 模拟滤波器可以分为离散时间滤波器和连续时间滤波器。如图1 1 ： 模拟滤波器 离散时间模拟 滤波器 开关电 流滤波 器 开关电 容滤波 器 对数域 滤波器 连续时间模拟 滤波器 r c 有 源滤 波器 跨导容 滤波器 m o s f e t c 滤波器 图1 1 模拟滤波器的分类 离散时间滤波器是处理在时间上离散而在幅度上连续的信号，而连续时间滤 波器是处理在时间和幅度上都连续的信号，开关电容和开关电流滤波器均属于离 散时问滤波器，而对数域滤波器、r c 有源滤波器、跨导电容滤波器( g m - c ) 和 m o s f e t c 滤波器均为连续时间滤波器。离散时间滤波器的优点主要有：不需 要调谐，具有非常精确的时间常数；其缺点主要有：需要时钟通道，需要加抗混 叠滤波器，它的采样率限制了其应用频率。连续时间滤波器的主要优点有：没有 时钟通道，不需要采样，不需要加外抗混叠滤波器，具有比数字滤波器更低的功 耗，能处理更高的频率；与离散滤波器相比其缺点主要有：精确的时间常数必须 经过调谐才能获得，其跨导和电阻的线性度比较差。 1 2 1 离散时间按滤波器 离散时间滤波器就是处理离散时间信号的滤波器，开关电容滤波器和开关电 流滤波器是两种主要的离散时间滤波器的应用技术。其中开关电容滤波器性能较 好，是应用最为广泛的一种滤波器技术。开关电容滤波器的主要特性由时钟频率 第一章绪论 和电容的比值来确定，而这两个参数不受工艺和温度的变化的影响，因此这种滤 波器的积分时间常数比较精确，不需要进行调谐。然而到了高频应用时这种特性 不容易保持，因为开关电容滤波器在进行时域分析的时候，为了消除混叠效应， 其采样频率要求至少为其处理的信号的频率的两倍，这样所需要的频率较高，所 以不适合在高频段中的应用。 1 2 2 连续时间滤波器 所谓连续时间滤波器就是应用于连续时间信号处理当中的滤波器，它具有处 理速度快，结构简单，功耗小等突出的优点，当需要在低功耗条件下处理高频信 号( 1 m h z ) 时，模拟连续时间滤波器往往是唯一的选择。模拟连续时间滤波器 在处理连续时间信号的时候不需要进行a d 、d a 转换，采样和保持，也不需要 外加抗混叠滤波器，目前能处理的信号能达到几百m h z 。它的实现方法有很多 种，常见的有对数域滤波器、r c 有源滤波器、跨导( g m - c ) 滤波器、m o s e f t c 滤波器等，它们一般都采用c m o s 或标准双极性工艺来实现，而c m o s 工艺以 其低成本和低功耗的特点占据显著优势。 r c 有源滤波器一般由运算放大器、电容和电阻等元件组成，这类滤波器对 r c 有源元件的变化比较敏感，这就对这类滤波器的应用造成了很大的限制，但 是在低频处理当中具有非常广泛的应用。 r - m o s f e t c 滤波器是在r c 有源滤波器的基础上设计的，由般运算放大 器所构成的r c 有源滤波器的截止频率是固定的，不能够进行调节而且很难达到 很高的精度，r - m o s f e t c 滤波器就是在r c 有源滤波器的基础上设计的一种能 够调节滤波截止频率的滤波器，在r - m o s f e t - c 滤波器中我们使用了m o s 管代 替无源电阻，通过改变m o s 的栅极电压来改变m o s 管的电阻，从而实现高线 性度的调谐性能。 跨导电容滤波器具有更多的优点，最主要的是它具有较低的功耗和较高的应 用频率，它是由跨导g m 和电容c 组成的，普遍应用于高频领域。 1 3 集成滤波器所面临的问题 在滤波器进行集成时面临着许多的挑战和困难，在设计当中首要问题是全集 成滤波器的关键部分全差分运算放大器的性能对滤波器性能的影响。由于全 差分运放频率具有有限性，因此在滤波器的设计过程当中，如何正确的、适当的 选择或设计适用的运算放大器对提高所设计的滤波器的选频特性、输出动态范围 及稳定性具有重大意义；第二个问题就是实现滤波器的全集成，滤波器中的大电 第一章绪论 容值是实现连续时间滤波器的全集成的阻碍，而且全差分运放的有限驱动负载能 力也要求有较小的电容，因此在滤波器的设计中对各个元件的参数有了更高的要 求；第三个问题是保证元件的精确度和稳定性，温度的变化和工艺偏差均会影响 元件的精确度和稳定性。第四个问题也是集成电路发展面临的共同问题，就是低 功耗和低电压的要求，这是超大规模集成电路v l s i 发展的方向。 1 4 本文的主要工作和结构 本文所做的主要工作是：从网络综合理论出发，利用信号流图模拟法实现了 全集成有源r c 低通和带通滤波器的设计，并从本文的设计实例出发，设计了一 种适用于本文所设计的有源低通和带通滤波器的宽单位增益带宽的c m o s 全差 分运算放大器，并集中讨论了运放特性对滤波器性能的影响。 文中第二章简要的介绍了c m o s 器件的工作特性和典型的工艺，这是设计 c m o s 模拟集成电路的基础。第三章简要的介绍了低功耗的模拟i c 设计技术， 在吸收已有的相关技术成果基础上，结合本文所设计的滤波器实例的技术指标要 求，设计出了一种宽单位增益带宽、低功耗的全差分运算放大器。第四章利用信 号流图技术实现了六阶全差分有源r c 低通滤波电路，并通过相应的设计实例和 仿真结果表明了该设计方法的有效性和实用性。第五章详细地推导了六阶 c h e b y s h e v 带通滤波器的信号流图，并实现了相应的基于反相积分器的有源r c 滤波器和全差分有源r c 滤波器。第六章中重点研究了全差分运算放大器的各项 性能指标对全集成有源滤波器性能的影响。第七章为全文总结。 第二章a m o s 模拟电路及工艺基础 第二章c m o s 模拟电路及工艺基础 随着m o s 电路设计和工艺的进步和m o s 晶体管所具有的高集成度、低功 耗、高抗噪能力和高输入阻抗的等优点，m o s 管成为了当前模拟集成电路芯片 当中的重要器件。目前m o s 模拟集成电路业已成为模拟电路发展的主流，所以 不可能尽数论述，至于其电路形式，主要有n 沟e k d m o s 和c m o s 两种，与1 1 沟印m o s 相比，c m o s 具有更低的功耗、跨导大，已成为当前模拟集成电路 的主流工艺。基于其低功耗、高集成度等优点，本文设计了一种模拟c m o s 工 艺的全差分运算放大器，因此有必要对m o s 电路做简单的介绍。 2 1m o s 管的i 特性分析 互补m o s ( c m o s ) 由n m o s 和p m o s 构成，下面以n m o s 为例来讨论 它在各个工作区域的基本关系。 2 1 1n m o s f e t 特性 n m o s 电流方程为 厶= 华弦讣( 等) 协， 其中厶为漏电流，v z ：, s 为漏源电压，以为n 沟道器件的表面迁移率，c ：为 单位面积栅氧化物电容，w 为有效沟道宽度，l 为有效沟道长度，为阈值电 压，当= 一时，厶取得极值，峰值电流为： 厶矿三1 华( 一) 2 ( 2 - 2 ) 其中。一为过驱动电压，w l 为宽长比，等式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 是c m o s 模拟电路设计的基础，它描述了厶与工艺常数以c 二，器件的尺寸w 和l 以及 栅和漏相对于源的电位之间的关系。 基于式( 2 - 1 ) 模型的m o s 管由于圪。一不同，具有三种工作模式： ( 1 ) 截止区 当一0 时，m o s 管工作在截止区，此时厶= 0 ，在这个区域沟道等 第二章c m o s 模拟电路及工艺基础 _ 一_ _ - _ - _ _ _ 一 同于短路。 ( 2 ) 线性区 当一，m o s 管工作在线性区，也称为三极管区，式( 2 - 1 ) 变成 厶= 以巳警 ( 一) 一互1 矿2 廊 。一 ( 2 - 3 ) ( 3 ) 深三极管区 当2 ( v g s 一) ，m o s 管工作在深三极管区，此时 l 以巳等( 一v r ) v o s 2 ( v o s 一) ( 2 - 4 ) 也就是说，漏极电流是漏源电压的线性函数，这种线性关系表明源漏之 间的通道可以用一个线性电阻来表示，该电阻等于 耻南 ( 2 5 ) 这样，m o s f e t 就可以作为一个阻值由过驱动电压控制的电阻。注意，与 双极性晶体管不同，m o s 器件即使没有传输电流也可能导通。 ( 4 ) 饱和区 实际上当一 时，漏极电流并不遵守抛物线特性，这时厶相对恒 定，我们说器件工作在“饱和区”。其伏安特性表达为： 厶：丢华( 一) 2 ( 2 6 ) 上近似等于l ，此时易与无关。 对于p m o s 器件，式( 2 1 ) 和( 2 - 6 ) 分别表示为： 和 l = 一如巳w 上 、v , 一) 一互1 矿2 脚 厶：一丢华( 一) 2 。d2 一互丁l 卯一掰 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 此时出现负号是由于假设l 从漏流向源，而空穴沿着相反的方向移动，由 第二章c m o s 模拟电路及工艺基础 于空穴的迁移率是电子的l 2 到1 4 ，所以p m o s 器件具有较低的“电流驱动” 能力。 在模拟电路当中，m o s f e t 的跨导是一个非常重要的参数。根据以上分析 可以求得m o s f e t 在饱和区静态工作点( 、l 、) 处的小信号正向转移 跨导g 。 2 老k ， 协 = 以巳w 上、v 回, 一) ( 2 1 0 ) 从某种意义上来讲，岛代表了器件的灵敏度：对于一个大的来讲，的 一个微小的改变将会引起厶产生很大的变化。值得注意的是，饱和区的值等 于深三级管区如的倒数。 也可以表示为 岛= 瓢2 1 uc o 。wi 一 2 j d = = - - - ：- 一 。一 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 这几个表达式对于研究g 。随某一个参数变化的特性时都是有用的。例如， 式( 2 1 0 ) 表明，如果w l 保持恒定，则g ，随着过驱动电压的增大而增大，而 式( 2 1 1 ) 表示，如果，匾定的话，g 。随着过驱动电压的增大而减小，值得注 意的是当m o s 进入三极管区时跨导将下降，因此放大应用时应使m o s f e t 工作 在饱和区。饱和区和三极管区的差别可能被混淆，尤其是对p m o s 器件，所以 我们必须识别器件工作的漏端。 2 1 2 阈值电压 阈值电压是m o s f e t 中非常重要的一个参数，当栅极上的电压达到某一值 的时候，m o s 器件开始产生导电沟道，这个电压叫做开启电压也就是阈值电压。 m o s 场效应管是一个金属氧化物半导体结构的器件，它实际上可以看作是一个 电容，这个电容的电解质是二氧化硅，两极分别是栅极金属( 或多晶) 层以及硅 表层，在金属和半导体之间加上电压之后，半导体相对的两个面上要产生数量相 第二章c m o s 模拟电路及工艺基础 等、极性相反的电荷，以增强n m o s 管为例，当v g 上升的时候，半导体表面的 能带向上弯曲，而半导体表面也由多数载流子耗尽状态转变为少数载流子的强反 型状态，这时候我们称m o s 管开启，这个电压的大小可以表示为： ：中脚+ 2 f + 掣 ( 2 1 3 ) 、7 n r 式2 1 3 的意义很明显，其中三项分别是m o s 器件达到开启时需要克服的三 个电势，其中第一项是金属与半导体的功函数之差，第二项是半导体表面达到强 反型所需要的电势，f = ( k t q ) i n ( n , 曲一) ，q 是电子电荷，m 曲是衬底的掺 杂浓度，第三项则是金属绝缘体半导体结构形成的电容上的电势降，g ，是绝 缘体单位面积的电容，幺，是绝缘体内部的电荷，一般来说它是由工艺所决定的， 级是产生强反型时半导体表面的电荷。 2 2 二级效应 2 2 1 体效应 体效应是指衬底b 极与源极之间的电压圪。对，n 的控制作用。在增强型 n m o s f e t 中，= 0 或 0 。当 0 时，p 型衬底与源极相连的n 区间 的p n 结耗尽层变厚，要想维持够到中的载流予数量k 。= 0 与时相同，则需增加 。若在= 0 时，= 巧便出现n 沟道，那么，在 巧 才能出现n 沟道，即此时开启电压值随衬底与源极间的负偏压的数值增加而增 加。这种现象被成为“体效应”或“背栅效应”，考虑体效应后，巧h 为 = o + y ( 1 2 f + i 4 1 2 川 ( 2 - 1 4 ) 其中，。为开启e g 玉, ，y 称为体效应参数，其典型值在0 3 v 1 尼和0 4 v 忱 之间。 2 2 2 亚阈值导电性 亚阈值导电特性是指 巧时m o s f e t 的导电特性。上述m o s f e t 特性 的讨论中，我们一直假设当 巧时器件会突然关断。实际上，当巧时， 一个微弱的反型层仍然存在，此时源漏电流厶不为0 ，在亚阈值区，厶与成 指数规律，厶表示为： 第二章o d 0 s 模拟电路及工艺基础 易却坤鲁 2 2 3 沟道长度调试效应 ( 2 1 5 ) 集成电路的发展让工艺上最小可以达到的尺寸越来越小，现代工艺已经进入 了深亚微米时代，目前工艺的最小尺寸达到了0 0 9 u r n ，小的沟道尺寸使得m o s 器件的另外一个特性沟道长度调制效应的影响越来越明显，前面提到过当栅 和漏之间的电压加大到定的程度的时候，沟道就会出现夹断的现象，并且是漏 源电压越大，夹断点就越靠近源端，有效的沟道长度l 越小。根据式2 4 漏源之 间的电流越大，电流随着漏源电流的增加而增加，在建立m o s 管饱和区电流模 型的时候，加入一个修正项a ，得到： 厶：丢以巳w ，、v 回, 一) 2 ( 1 + a v o 。) ( 2 1 6 ) 由于电流公式的修改，m o s f e t 的跨导也相应修改为： g ，：心已孚( 一) ( 1 + a 。) ( 2 - 1 7 ) 参数a 的值反映了场效应管在饱和区工作时漏源电压对沟道电流影响的大 小，它的值越小则电流越理想，完是与沟道长度呈反比关系的一个参数，对于短 沟道器件，它的值比较大，所以沟道调制效应又称为短沟道效应。 从上述分析可以看出，由于存在衬底调制效应，在亚阈值区，m o s f e t 的 传输特性与b j t 类似，放大能力相似，m o s f e t 的这些特性在m o s 模拟集成电 路设计当中很有用。 2 3m o s f e t 的交流小信号模型 输入信号的幅度与电源电压相比一般很小，它在直流偏置工作点附近变化， 可以近似认为器件工作在线性区间。这种小信号的分析或者交流分析对模拟集成 电路的设计是必须的。大信号特性用来确定器件的直流工作点，小信号特性用来 设计器件和电路的性能。 m o s 管的小信号模型可以直接由大信号模型导出。在放大设计应用中，m o s 管在饱和区工作，其小信号模型如图2 1 所示， 第二章c m o s 模拟电路及工艺基础 g b c：gs；、；三sc：!)；。矿g丰】_。e：三) j m v b s | ，、i 高c d b 、u b f 、i 7 c s b ； b6 v r s + 图2 1m o s 管的小信号模型 通过在偏置点上产生一个小的增量，并计算它所引起的其它偏置参数的增量 就得到了小信号模型。由于漏电流是栅源电压的参数，所以引进了一个值为 g m v o s 的压控电流源，由于沟道长度调制，漏电流也随着漏源电压变化，这一效 应可以用一个压控电流源模拟，而如果一个电流源的电流值与它两端的电压呈线 性关系，则该电流源就等效于一个线性阻抗，所以我们用一个线性阻抗r o 来表 示沟道长度调制效应。通过推导可得 ，：盟： ! 扣cw - l ( v g , 一) 2 a ( 2 1 8 ) r o 近似等于l a 厶，它影响着模拟电路的许多特性，限定着大多数放大器的 最大电压增益。 衬底电势影响阈值电压，因而也影响栅源过驱动电压，在所有的其它的端 子电压恒定时，漏电流是衬底电压的函数。通过推导，。可以表示为 。岛赢( 2 - 1 9 ) 2 4 典型的c m o s 工艺 基本的多晶硅栅c m o s 工艺制造流程由九个掩模操作组成。完成一个成品 第二章c m o s 模拟电路及工艺基础 晶圆所需的工艺步骤将按照实际的顺序展示。为说明工艺，所采用的剖面图在垂 直方向上放大了2 5 倍。 ( 1 ) 初始材料 c m o s 集成电路通常制造在尽可能重掺杂硼的p 型( 1 0 0 ) 衬底上，以减小 衬底电阻。该措施通过减小衬底去偏置，具备了一定程度的抗c m o s 闩锁效应 能力。由于c m o s 工艺不需要n b l ，所以衬底掺杂仅受到固溶度的限制。 ( 2 ) 外延生长 c m o s 工艺的第一步是在衬底上生长一层轻掺杂的p 型外延层，该外延层 厚度，一般为5 1 0 岬，比标准双极工艺采用的外延层薄很多。n m o s 管在外延 层中直接形成，其中外延层作为背栅。由于该工艺不需要n 型埋层，所以覆盖 外延层的晶片可用作所有类型产品的初始材料。标准双极工艺则不具备这种规模 效应，因为每个产品需要不同结构的n b l 。 理论上，c m o s 工艺不需要外延层，因为m o s 管可以直接在p 型衬底上形 成。外延工艺增加了成本，但是采用p + 衬底可以提高抗闩锁效应的能力。另外， 与c z o c h r a l s k i 硅相比，可更加精确地控制外延层的电学特性，从而对m o s 晶体 管的参数有更好的控制。 ( 3 ) n 阱扩散 晶片被热氧化后，使用n 阱掩模版光刻甩在氧化层上的光刻胶。氧化刻蚀 出窗口后，从窗口注入一定剂量的磷离子。长时间的高温推结工艺产生深的轻掺 杂n 型区域，称为n 阱( 图2 2 ) 。典型的2 0 vc m o s 工艺的n 阱结深约为5 p m 。 阱推结过程中的热氧化在暴露的硅表面覆盖的一层很薄的氧化硅，称为缓冲氧化 层( p a do x i d e ) 。 如图2 2 中所示，在n 阱c m o s 工艺中，n m o s 晶体管位于外延层，而p m o s 晶体管位于阱中。反向掺杂阱区造成的总杂质浓度增加，使阱中多子的迁移率略 微降低。因此n 阱工艺是通过牺牲p m o s 管的性能来优化n m o s 管的性能。此 外，n 阱工艺可形成大多数设计者所偏好的衬底接地。 p 阱c m o s 工艺使用n + 衬底，n 型外延层和p 阱。n m o s 晶体管在p 阱中 形成，p m o s 晶体管在外延层中形成。这种工艺通过牺牲n m o s 管的性能来优 化p m o s 管的性能，但是由于电子的迁移率高于空穴，所以n m o s 管的性能仍 然优于p m o s 管。p 阱工艺要求衬底接最高电位。如果设计中包含多个参考公共 地的电源，由于难以区分电源顺序，所以偏置n 型衬底时常常会遇到困难。 第二章c i o s 模拟电路及工艺基础 图2 - 2 n 阱推结后的晶片 p 阱c m o s 工艺和n 阱c m o s 工艺同时存在。n 阱工艺提供了性能稍好的 n m o s 晶体管，并且允许使用接地的衬底。n 阱工艺同时还与b i c m o s 工艺向 上兼容，因此选用n 阱工艺来展示c m o s 技术。 ( 4 ) 反型槽 c m o s 工艺采用厚场氧化层，原因与标准双极工艺大体相同：这增加了厚场 阈值电压，并且减小了金属线与下层硅间的寄生电容。但与标准双极工艺不同的 是，基本c m o s 工艺采用l o c o s 技术选择性地生长厚氧化层，只在形成源器件 的区域留下薄的缓冲氧化层。芯片上的局部氧化区域称为场区，而被保护未形成 氧化层的区域称为槽区。 l o c o s 工艺首先在整个晶圆上淀积一层氮化硅，然后用反型槽掩模版光刻 氮化硅，最后采用选择性刻蚀除去场区上的氮化层( 图2 3 ) 。这步使用的掩模 版称为反型槽掩模版，因为它是由沟槽区的反色区形成。换句话说，就是该掩模 版对应于没有沟槽的区域，而不是有沟槽的区域。 l o c o s 中使用的氮化层必须位于薄氧化层( 称为缓冲氧化层) 之上，因为 氮化层的生长会产生机械应力，会引起硅中晶格位错。缓冲氧化层提供了一个机 械缓冲，可吸收应力防止其损害硅片。 噬耀 晰夕 p 型衬底 图2 3 淀积氮化层和反型槽光刻后的晶圆 第二章c m o s 模拟电路及工艺基础 ( 5 ) 沟道阻止注入 为了制造实用的m o s 晶体管，c m o s 工艺谨慎地减小阈值电压。l o c o s 场氧化层可以提高厚场阈值，但不会超过几个伏特。通常在场区下面选择性地注 入杂质以进一步提高厚场晶体管的阈值电压。p 型外延场区接受p 型的沟道阻止 注入，而n 阱场区接受n 型沟道阻止注入。因此沟道阻止形成需要两步连续的 离子注入。 为制造沟道阻止已开发出几种不同的技术。这里提供的方法包含使用大面积 硼注入，接着进行一定图形的磷注入。硼注入使用光刻l o c o s 氮化硅时留下的 光刻胶。该掩模暴露出了要淀积沟道阻止的场区，因此所有这些区域受到大面积 硼注入( 图2 - 4 a ) 。这步在外延区域设置了厚场阈值。 ( a ) j 一鼍l 。二工 咄延 肼 p 型衬晨 ( b ) 图2 - 4 ( a ) 大面积硼沟道阻止注入后晶圆和( b ) 选择性磷沟道阻止注入后晶圆 硼注入后立即在晶圆上再次涂光刻胶。因为沟道阻止注入不会影响其下的沟 槽区，先前的光刻胶可以仍可保留在原地。使用沟道阻止掩模版光刻再次涂胶的 晶圆，只露出n 阱场区。随后的磷注入对前面的大面积硼注入反向掺杂，把n m o s 的厚场区阈值提高到最大工作电压以上( 图2 4 b ) 。磷注入后，剥除晶圆上所 有光刻胶为l o c o s 氧化做准备。 第二章c m o s 模拟电路及工艺基础 ( 6 ) l o c o s 工艺和虚拟栅氧化 为提高l o c o s 速率常使用蒸汽；或者炉压可以升至5 1 0 倍大气压。l o c o s 氧化后，选用合适的刻蚀剂去除剩余的氮化阻挡掩模。图2 5 显示了所得晶圆剖 面图。在沟槽区边缘的曲线过渡区，称为“鸟嘴”，是由氮化物边缘下的氧化剂 扩散形成的。 k o o i 效应引起在沟槽区边缘周围的缓冲氧化层下形成氮化物淀积。这些淀 积物可能引起栅氧化层完整性的失效，但是可以通过虚拟栅氧化来消除。简短地 刻蚀剥除薄的缓冲氧化层而不会对厚场氧化层产生实质性地腐蚀。接下来，短暂 的干氧氧化在沟槽区生长一薄层称为虚拟栅氧化层( 或牺牲栅氧化层) 的氧化物。 任何保留的淀积氮化物将逐渐被氧化。如果虚拟栅氧化持续足够长的时间，所有 的氮化物都将被消耗。 图2 5l o c o s 氧化和去除氮化物后的晶圆 ( 7 ) 阈值调整 使用( 1 0 0 ) 硅有助于稳定m o s 晶体管的阂值电压，但是如果不进行阈值 注入调整，背栅掺杂和栅电极材料会抑制获得可用的阈值电压。例如，未经调整 的p m o s 管的阈值电压可能在1 5 v 到1 9 v 范围内变化，而n m o s 管可能在 0 2 v 到0 2 v 变化。一或两次阈值调整注入( 也称为所调整) 可重新设定阈值 电压达到目标值，通常n m o s 管为0 7 v ，p m o s 管为0 7 v 。 调整阈值电压有两种方法。第一种方法采用两步独立注入，一次用来设定 p m o s 管的所，而另一次用来设定n m o s 管的所。使用两步注入允许对两个阈 值分别优化。许多工艺不需要这种灵活性，这些工艺仅使用一步玢调整同时降 低p m o s 管的阈值电压并提高n m o s 管的阈值电压。如果适当注入，对于两种 类型的m o s 管都可获得范围从0 7 v 到0 9 v 的阈值电压，图2 - 6 说明了这个方 法。 晶圆涂上光刻胶后，使用所调整掩模版在将形成m o s 晶体管的区域开出窗 第二章c m o s 模拟电路及工艺基础 口。硼所调整注入将穿透虚拟栅氧化层掺杂下层的硅。所调整注入后，剥除虚 拟栅氧化层并露出沟槽区的硅表面。真正的栅氧化层采用干氧法减小由于表面态 和固定氧化层电荷引起的过量电荷。因为栅氧化层极薄，氧化过程必须非常短 图2 - 6v t 调整注入后的晶圆 暂。1 0 vm o s 晶体管一般要求3 0 0 a ( 0 0 3 9 i n ) 的栅氧化层，而3 v 的晶体管的 栅氧化层则可能小于1 0 0 a ( 0 0 1 9 m ) 。栅氧化层将形成m o s 晶体管的介质， 它还会覆盖稍后进行源漏注入的区域。 ( 8 ) 多晶硅淀积和光刻 用于形成栅电极的多晶硅层重掺杂磷，以使其电阻减小。尽管栅电极不传导 直流电流，但在开关的瞬间会有明显的交流电流通过，所以低阻多晶硅栅可在很 大程度上提高m o s 电路的开关速度。掺磷( 不是掺硼) 可产生与单步所调整兼 容的阈值电压。掺磷多晶硅栅也会减小由可动离子引起的阈值电压变化，实现 0 1 v 到0 2 v 的阈值电压控制。尽管淀积过程可以进行掺磷，但是大多数工艺首 先淀积本征多晶硅，然后用常规的淀积或注入技术对其进行掺杂。 现在必须使用多晶硅掩模光刻淀积多晶硅层( 图2 7 ) 。现代亚微米工艺可 以制造出栅长小于0 5 9 m 的多晶硅栅，栅长的任何变化直接影响所得晶体管跨 导。因此，对多晶硅的光刻和刻蚀成为c m o s 工艺中最关键的光刻步骤。这里 讨论的简单工艺形成的最小沟道长度约为2 9 m ，因此不要求与亚微米工艺同样高 的精度，但是对多晶硅栅的光刻仍然是最具挑战的光刻步骤。 第二章c m o s 模拟电路及工艺基础 图2 7 多晶硅淀积和光刻后的晶圆( 简化起见，沟道阻止注入和阈值电压调整注入没有出现 在本图和随后的剖面图中) ( 9 ) 源漏注入 现在完成的多晶硅栅可作为n m o s 和p m o s 管源漏自对准注入的掩模版。 注入可按任意的顺序进行。在图示的工艺中，先进行n 型的源漏注入( n s d ) ， 然后进行p 型源漏注入( p s d ) 。n s d 注入首先对晶圆涂光刻胶，然后用n s d 掩模版进行光刻。通过暴露的栅氧化层注入砷，形成了浅的、重掺杂n 型区。 多晶硅栅阻止了向栅下区域的直接注入，因此减小了栅源和栅漏交叠电容。一 旦完成n s d 注入，去掉晶圆表面残留的光刻胶。p s d 注入首先要再次涂光刻胶 并用p s d 掩模版光刻，通过暴露的栅氧化层注入硼，形成了浅的、重掺杂p 型 区。与n s d 注入相同，p s d 注入也相对于多晶硅自对准，因此p m o s 晶体管也 有最小的交叠电容。p s d 注入完成后，再次从晶圆表面去除光刻胶。短暂的退火 激活了注入的杂质，并使源区和漏区上的氧化层略微加厚。这次退火是工艺中的 最后一次高温步骤，对应于标准双极工艺中的发射区推结。图2 8 显示了源漏退 火后的晶圆剖面图。 啪珏一 ) p 型外珏 册 p 型衬底 图2 8n s d 和p s d 注入并退火后晶圆，衬底接触注入与源区注入相邻以节省面积 ( 1 0 ) 接触 - 1 6 - 第二章c m o s 模拟电路及工艺基础 尽管在源漏退火过程存在进一步氧化，但覆盖沟槽区的氧化层仍然很薄， 因而容易破损。大多数工艺在光刻接触孔前先淀积多层氧化物( 帆o ) ，m l o 可使沟槽区的氧化层加厚，同时覆盖并使暴露的多晶硅结构绝缘。金属连线现在 可以穿过沟槽区和多晶栅，而不存在氧化层破损的危险。 在晶圆上再次涂上光刻胶后，使用接触掩模版光刻接触孔区域。在重掺杂的 源区和漏区可以容易地形成欧姆接触，但背栅区掺杂浓度过低而无法直接形成欧 姆接触。在背栅接触附近增加n s d 或p s d 注入可以克服这个困难。多晶硅上开 孔形成了与栅电极的接触。 ( 1 1 ) 金属化 浅的n s d 和p s d 扩散易受结尖峰效应( j u n c t i o ns p i k i n g ) 的影响。大多数 c m o