VLSI系统设计5

VLSI系统设计 第5章模拟单元与变换电路 2011 2012 2 5 1模拟集成电路中的基本元件 电阻 电容和晶体管是模拟集成电路的主要积木单元 1 3 电阻是基本的无源元件 在集成工艺技术中有多种设计与制造电阻的方法 根据阻值和精度的需要可以选择不同的电阻结构和形状 1 掺杂半导体电阻 扩散电阻 所谓扩散电阻是指采用热扩散掺杂的方式构造而成的电阻 这是最常用的电阻之一 工艺简单且兼容性好 缺点是精度稍差 1 5 1模拟集成电路中的基本元件电阻 4 误差 结深误差 浓度误差 横向扩散误差 端头误差 相对误差 1 5 1模拟集成电路中的基本元件电阻 扩散电阻 5 离子注入电阻 同样是掺杂工艺 由于离子注入工艺可以精确地控制掺杂浓度和注入的深度 并且横向扩散小 因此 采用离子注入方式形成的电阻的阻值容易控制 精度较高 端头采用重掺杂进一步减小了误差 1 5 1模拟集成电路中的基本元件电阻 6 结构对比 1 5 1模拟集成电路中的基本元件电阻 7 电阻的几何图形设计包括两个主要方面 几何形状的设计和尺寸的设计 形状设计与考虑 1 5 1模拟集成电路中的基本元件掺杂半导体电阻的几何图形设计 8 一个基本的依据是 一般电阻采用窄条结构 精度要求高的采用宽条结构 小电阻采用直条形 大电阻采用折弯形 窄线条除了设计规则的限制外 还必须考虑电流容量的的限制 多晶硅电阻和扩散电阻通常电流容限为0 5 1ma um 5 1模拟集成电路中的基本元件掺杂半导体电阻的几何图形设计 1 9 5 1模拟集成电路中的基本元件掺杂半导体电阻的几何图形设计 电迁移 迁徙 造成的断条 1 10 这样的计算实际上是很粗糙的 因为在计算中并没有考虑电阻的形状对实际电阻值的影响 在实际的设计中将根据具体的图形形状对计算加以修正 通常的修正包括端头修正和拐角修正 5 1模拟集成电路中的基本元件电阻几何图形尺寸设计 1 11 1 5 1模拟集成电路中的基本元件电阻几何图形尺寸设计 端头修正 注入电流的扩展过程经验数据 12 对于折弯形状的电阻 通常每一直条的宽度都是相同的 在拐角处是一个正方形 但因为在拐角处的电流密度不均匀 靠近内角处的电流密度大 靠近外角处的电流密度小 经验数据表明 拐角对电阻的贡献只有0 5方 即拐角修正因子k2 0 5 1 5 1模拟集成电路中的基本元件电阻几何图形尺寸设计 拐角修正 13 制作电阻的衬底是和电阻材料掺杂类型相反的半导体 电阻区和衬底构成PN结 为防止这个PN结导通 衬底必须接一定的电位 要求在任何工作条件下 该PN结不能处于正偏状态 1 5 1模拟集成电路中的基本元件衬底电位与分布电容 14 PN结的存在导致了掺杂半导体电阻的另一个寄生效应 寄生电容 电阻的衬底通常都是处于交流零电位 使得电阻对交流地存在旁路电容 如果将电阻的一端接地 并假设寄生电容沿电阻均匀分布 则电阻幅模的 3db带宽近似的为 其中 RS是电阻区的掺杂层方块电阻 C0是单位面积电容 L是电阻的长度 1 5 1模拟集成电路中的基本元件衬底电位与分布电容 15 2 薄膜电阻 可以利用多种薄膜材料制作电阻 主要的薄膜电阻有多晶硅薄膜电阻和合金薄膜电阻 薄膜电阻是无极性电阻 1 5 1模拟集成电路中的基本元件电阻 16 以N 硅作为下极板的MOS电容器 1 5 1模拟集成电路中的基本元件电容 17 V 以重掺杂的多晶硅作为电容的上极板 1 5 1模拟集成电路中的基本元件电容 18 以多晶硅作为下极板的MOS电容器 1 5 1模拟集成电路中的基本元件电容 19 真空电容率 8 85 10 14F cm 1 是二氧化硅的相对介电常数 约等于3 9 两者乘积为3 45 10 13F 1 如果极板间氧化层的厚度为80nm 0 08 可以算出单位面积电容量为4 3 10 4 也就是说 一个1万平方微米面积的电容器的电容只有4 3pF 5 1模拟集成电路中的基本元件电容 1 20 寄生电容 1 5 1模拟集成电路中的基本元件电容 21 叠层电容 1 5 1模拟集成电路中的基本元件电容 22 对于跨接在一个放大器输入和输出端之间的电容 因为密勒效应将使等效的输入电容放大 容抗 1 5 1模拟集成电路中的基本元件电容的放大 密勒效应 23 抽象成栅控电阻 正面栅 背面栅 5 1模拟集成电路中的基本元件MOSFET 四极 S G D B 器件 在数字逻辑中 跨导有作用吗 24 5 1模拟集成电路中的基本元件MOSFET 在模拟电路中 MOSFET工作在饱和区 25 5 1模拟集成电路中的基本元件MOSFET 1 非饱和区饱和区截止区 饱和区工作 26 5 1模拟集成电路中的基本元件MOSFET MOS晶体管主要电参量 MOS晶体管的跨导gm 控制特性MOS器件的直流导通电阻MOS器件的交流电阻MOS器件的最高工作频率 交流特性MOS器件的衬底偏置效应 背栅控制特性 1 电阻特性 27 5 1模拟集成电路中的基本元件MOSFET跨导gm 控制特性 1 MOS晶体管 电压控制电流源 受控关系表征参数 跨导 非饱和区饱和区 反映材料特性和几何形状决定的电阻 反映由工作点决定的电阻 反映栅电压对电阻的控制能力 28 5 1模拟集成电路中的基本元件MOSFET电阻特性 1 29 5 1模拟集成电路中的基本元件MOSFET电阻特性 有源电阻 30 1 交直流电阻均和宽长比有关 31 5 1模拟集成电路中的基本元件MOSFET电阻特性 有源电阻应用 单个电阻 直流 交流差别与应用分压电阻 直流分压 交流分压 衰减直流 衰减交流 1 32 5 1模拟集成电路中的基本元件MOSFET频率特性 1 定义 当对栅极输入电容CGC的充放电电流和漏源交流电流的数值相等时 所对应的工作频率为MOS器件的最高工作频率 所以 所以 最高工作频率与MOS器件的沟道长度的平方成反比 减小沟道长度L可有效地提高工作频率 反映载流子运动速度 反映载流子数量 电流 反映载流子运动路程 33 5 1模拟集成电路中的基本元件MOSFET衬底偏置效应 背栅控制特性 1 反偏PN结的耗尽层将展宽 阈值电压的数值提高 直流参数 为保证沟道导电水平维持 则 34 5 1模拟集成电路中的基本元件MOSFET衬底偏置效应 背栅控制特性 1 交流特性呢 沟道电流将受到衬偏电压vbs的调制 VBS ibs 35 5 2基本偏置电路电流偏置电路 在通常情况下 大部分的MOS模拟集成电路中的MOS晶体管 不论是工作管 还是负载管都工作在饱和区 1 NMOS基本电流镜 2 36 2 5 2基本偏置电路电流偏置电路 多支路比例电流镜 37 2 5 2基本偏置电路电流偏置电路 38 2 5 2基本偏置电路电流偏置电路 问题 输出电流和输出管的VDS有关 直流 交流 原因 沟道长度调制效应 解决方案 适当增加沟道长度或改善电路 39 2 NMOS威尔逊电流镜 2 5 2基本偏置电路电流偏置电路 串联电流负反馈 设计思路 40 非电流镜结构 常用电流镜结构 2 电流偏置电路单元的基本设计思想与过程 问题 非电流镜关系 41 3 PMOS电流镜 2 5 2基本偏置电路电流偏置电路 42 电流源 镜 还有问题吗 假设所有MOS管匹配 5 2基本偏置电路电流偏置电路 VDS1 min VON VDS2 VGS2 VTN VONVGS1 VGS2 VTN VON 由此得到VD1 min VTN 2VON 2 43 5 2基本偏置电路电流偏置电路 结论 除基本电流镜外 其他电流镜输出点的最小电压都是VTN 2VON 应设法消除VTN 2 因为VGS1 VGS4 VTN VON 所以VGS2 VTN VON VDS3 VGS4 VTN VON VDS2 min VON 由此得到VD2 min VTN 2VON 44 5 2基本偏置电路电流偏置电路 提高动态范围的设计 2 M4 哪些电路可以改进呢 45 设计使VGS1 VTN 2VON 则 VDS3 VON VD2 2VON 5 2基本偏置电路电流偏置电路 提高动态范围的设计 2 VD2 min VTN 2VON 如果能将M3管的漏源电压减小到VON 则可以使VD2 min 2VON 之所以M3管漏源电压不能减小到VON 是因为VGS1 VGS2 VGS4 VDS3VG1 2VGS4 2VTN 2VON 缺点是VDS3 VDS4 且多一个参考电流支路 46 增加M5使VDS3 VDS4 且保持VGS4 VTN VON 克服问题1 2 VGS1 VTN 2VON VD5 VGS4 VTN VON 思考 电阻R可以采用有源器件替代吗 克服问题2 缺点是VDS3 VDS4 且多一个参考电流支路 47 4 参考支路电流 1 简单的电阻负载参考支路 由表达式可知 确定一个VGS1就可以确定一个R 如何确定VGS1呢 VGS1 VTN VON 2 5 2基本偏置电路电流偏置电路 电路简单 但缺点是参考电流受电源电压的影响较大 即电源抑制性能较差 48 2 有源负载的参考支路 2 5 2基本偏置电路电流偏置电路 作为参考支路 最主要的要求是电流值稳定即具有恒流特性 无功功耗小 基本原则是 M1 M3的VGS不能变 将6种基本负载与4种电流镜组合 共有48种基本偏置情况 上下负载 49 1 通用电压源 V1 VGS1 V2 VGS1 VGS2 2 5 2基本偏置电路电压偏置电路 50 Vdd VGS1 VDS2 2 5 2基本偏置电路电压偏置电路 51 2 基准电压源 带隙基准电压源 基准电压源 输出电压精确受电源电压波动小温度系数小 2 5 2基本偏置电路电压偏置电路 52 M1 M5匹配设计 同时引入了PNP晶体管Q1 Q3 其中 Q2是由n个Q1并联而成以保证比例n 电流越大 VBE越大 当电阻R1上的压降等于这个 VBE时 就能够保证X Y点电位相同 M1 M4各管工作状态相同 使电流镜电流严格相等 VBE2小于VBE1 2 53 PTAT源 带隙基准电压源 2 5 2基本偏置电路电压偏置电路 54 工作在亚阈值区的CMOS基准电压源 当MOS器件在极小电流下工作时 栅极下方呈现的沟道相当薄并且包含的自由载流子非常少 器件的这一工作区域被称为弱反型或亚阈值区 工作在亚阈值区的NMOS晶体管 当漏源电压大于几个热电势Vt kT q 时 其电流可以表示为 Von是弱反型导通电压 2 5 2基本偏置电路电压偏置电路 55 2 5 2基本偏置电路电压偏置电路 56 5 3放大电路单级倒相放大器 3 57 5 3放大电路单级倒相放大器 关键 RL是什么 普通电阻 有源电阻 58 3 5 3放大电路单级倒相放大器 59 3 5 3放大电路单级倒相放大器 60 3 5 3放大电路单级倒相放大器 vgs2 61 是表征衬底偏置效应大小的参数 称为衬底偏置系数 注意与器件 的区别 3 5 3放大电路单级倒相放大器 62 5 3放大电路单级倒相放大器 3 63 3 5 3放大电路单级倒相放大器 怎样克服衬偏的影响呢 这个需要考虑吗 64 5 3放大电路单级倒相放大器 3 65 3 66 提高工作管的跨导 最简单的方法是增加它的宽长比 减小衬底偏置效应的影响 采用恒流源负载结构 总结如下 要提高基本放大器的电压增益 可以从以下三个方面入手 5 3放大电路单级倒相放大器 3 67 CMOS推挽放大器 如果 3 5 3放大电路单级倒相放大器 68 差分放大器是模拟集成电路的重要单元 通常将它作为模拟集成电路的输入级使用 1 基本的MOS差分放大器 1 电路结构 3 5 3放大电路差分放大器 69 3 70 2 电流 电压特性因为匹配 所以VTN1 VTN2 VTN K1 K2 KN K N W L 器件都工作在饱和区 它们的电流关系为 3 5 3放大电路差分放大器 由此得到电流 电压方程 71 3 5 3放大电路差分放大器 72 3 MOS差分放大器的跨导 即当输入的差模信号幅度很小时 差分放大器的跨导就等于差分对管中的NMOS管单管的跨导 5 3放大电路差分放大器 3 能否将差分放大器的跨导产生的响应电流传到后级取决于负载结构 73 2 MOS差分放大器的负载形式 5 3放大电路差分放大器 3 74 增强型NMOS有源负载结构 差分放大器输入端的差模电压作用在M1和M2的栅源之间 如果M1的栅源信号电压 则M2的栅源信号电压为 因为信号对称 M1和M2的源极电位不会随着差模输入的幅值变化而变化 也就是说 对于差模输入 M1 M2的源极是交流地 3 5 3放大电路差分放大器 75 只有同时从差分放大器的两个支路取出电压信号 才是对差模信号完整的放大信号 由交流地概念 得到 差分放大器是由两个基本放大器组成 但每个放大器只放大了输入信号的一半 5 3放大电路差分放大器 和跨导结论是一致的 76 耗尽型NMOS有源负载结构 可以推知 E DNMOS差分放大器的电压增益和E DNMOS基本放大器相同 即 5 3放大电路差分放大器 77 PMOS恒流源负载 对这个电路的分析仍然可以借用对PMOS恒流源负载的基本放大器方法 并有相同的结果 通过对以上三种差分放大器电压增益的分析 可以得到这样的结论 这类MOS差分放大器双端输出的差模电压增益 等于构成它的单边放大器的电压增益 当输出电压信号取其单输出端时 等效的电压增