模拟CMOS集成电路设计课件

模拟CMOS集成电路设计DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuit,InstituteofVLSIDesign,HefeiU.ofTech,1,PPT学习交流,第一讲基础知识,1,2,PPT学习交流,1.1概述,2,3,PPT学习交流,1、为什么需要模拟集成电路？,（1）为什么需要模拟电路处理自然界信号信号的采集、接收、放大、滤波（传感器、无线射频接收器、放大器、模拟滤波器）数字信号处理链路必需且重要的器件模拟信号到数字信号的转换，如ADC数字信号到模拟信号的转换，如DAC,自然界的信号大多是模拟信号,3,模拟集成电路的重要性,4,PPT学习交流,（2）为什么要集成电子（便携）设备的需求减小尺寸、重量降低功耗提高可靠性系统集成的需求SOC（Systemonachip）模拟/混合信号集成电路设计的需要,4,5,PPT学习交流,（3）模拟/混合信号IC发展趋势和主流应用方向,发展趋势：高速高精度低功耗小尺寸主流应用方向无线通信系统、蜂窝手机、数字电视、数码相机、医学图像处理、音频处理,5,6,PPT学习交流,2、集成电路工艺,6,速度高，功耗大，集成度低,最早MOS工艺，速度低,主流工艺，集成度高、功耗低、速度快、抗干扰性强,超高速、高频IC,光电集成器件,7,PPT学习交流,CMOS工艺,双阱工艺（集成N阱、P阱），提高器件密度，抑制寄生晶体管影响以及闩锁现象。,7,8,PPT学习交流,3、模拟集成电路设计流程,仿真占用大量设计时间需要对工艺、器件、电路的深入理解在各个不同的设计阶段都需要知识和经验模拟集成电路设计是基于电路知识和经验之上的艺术创造,8,电路设计,工艺,9,PPT学习交流,单元库,系统要求,系统设计和功能划分,系统仿真,寄存器传输级(RTL)设计,功能仿真,综合,门级仿真,自动布局布线,物理验证,后仿真,制版流片,系统及功能级设计,逻辑及电路设计,版图设计,单元库,封装测试,数字ASIC设计流程,9,10,PPT学习交流,1.2金属氧化物半导体晶体管（MOSFET),10,11,PPT学习交流,MOSTET，导电性由电容控制的器件。电容上的电压用来控制导电沟道电流强度。氧化层构成控制电容,11,NMOS管结构,漏极,源极,栅极,当VgsVth时，形成一个N型的反型层(少子），构成导电沟道。通过Vgs、Vds电压控制导电沟道中的电流强度。,12,PPT学习交流,MOS晶体管的版图和电路符号,沟道长度,沟道宽度,沟道宽度,12,13,PPT学习交流,13,14,PPT学习交流,1.3MOS管工作原理,14,15,PPT学习交流,（一）NMOS管工作原理,1、工作原理（1）VGS0两个有源区被衬底分隔，等效于背靠背的两个PN结源极和漏极之间没有电流。,15,16,PPT学习交流,（2）当VGS0，VGB0，VDS0衬底中的电子受到吸引，向衬底表面运动；空穴受到排斥，向衬底内部运动。向上运动的电子与表面的空穴复合，形成了一层耗尽层，形成一个栅极指向衬底的垂直电场EV。随着VGS的升高，电场EV越来越强，表面层吸引的电子越来越多，耗尽层也越来越厚。,16,17,PPT学习交流,当VGS增大到一定值时，在耗尽层和绝缘层之间形成一个N型薄层，称为“反型层”。该反型层将漏极和源极两个N有源区连通，构成了源漏之间的导电沟道。刚好产生反型层所需的VGS电压称为阈值电压或开启电压（Vth）。VGS电压越大，电场EV越强，吸引的电子越多，导电沟道就越厚。导电沟道出现后，若VDS=0，还不能产生沟道电流。,17,18,PPT学习交流,（3）当VGS0，VDS0如果VDS0，则电子从源极向漏极移动，产生了沟道电流ID。同时，由漏极沿沟道至源极将产生压降，栅极与沟道中各点的电压差不再相等，栅极与源极之间的电压VGS最高，和漏极之间的电压VGD最低。沟道中垂直方向的电场EV沿源极到漏极的方向逐渐变弱，导致沟道越来越窄。,ID,18,19,PPT学习交流,漏极电位进一步上升，当VDSVGSVTH时，即VGD0，负电压吸引空穴到衬底表面，形成耗尽层。当VSG增加到一定值（阈值电压）时，在栅极绝缘层和耗尽层之间形成P型反型层，从而形成导电沟道。,N衬底,26,27,PPT学习交流,当VSD0，开始有电流。电流的方向从源到漏。沟道电流随VSG增加而增加。当VSGVTH时，截止；当VSDVSGVTH时，PMOS工作在线性区；当VSDVSGVTH时，PMOS工作在深线性区；当VSDVSGVTH时，沟道被夹断，PMOS进入饱和区，电流相对恒定。,I,27,28,PPT学习交流,2、IV特性,p为空穴的迁移率，是电子迁移率的1/2到1/4，因此PMOS具有较低的“电流驱动能力”。当PMOS工作在饱和区时，电流为：,28,29,PPT学习交流,（三）跨导MOS管工作时，其漏极电流受过驱动电压控制，定义跨导为电压转换电流的能力：,当MOS管工作在饱和区时，其跨导为,1/Ron,深线性区等效电阻,当MOS管进入线性区时，跨导下降，故作为放大应用，通常使MOS管工作在饱和区,29,30,PPT学习交流,截止区：深线性区：线性区：饱和区：,un：载流子迁移率Cox：单位面积栅氧电容W/L：宽长比VTH：阈值电压,（四）IV特性总结,30,31,PPT学习交流,（五）对NMOS和PMOS工作状态的判别,当VGD不足以形成反型层时，沟道被夹断，饱和,VG-VDVTH进入线性区,D,D,S,S,G,G,31,32,PPT学习交流,（六）二级效应体效应沟道长度调制效应亚阈值导电性短沟道效应,32,33,PPT学习交流,1、体效应（背栅效应）,当VBS0时，栅极和衬底之间的电位差加大，耗尽层的厚度也变大，耗尽层内电荷量增加，造成阈值电压变大。,阈值电压是耗尽层电荷数的函数,33,34,PPT学习交流,2、沟道长度调制效应,当VDSVGSVTH时，导电沟道产生夹断MOS管的漏源电压VDS控制夹断区长度L=（LL）夹断区长度的变化导致MOS管沟道电流变化,定义：,受VDS控制,1/L,34,35,PPT学习交流,3、亚阈值导电性,VGSVTH时，沟道内仍然有一个弱反型层，并有漏电流存在，与VGS成指数关系。栅极电压对漏极电流的控制从饱和区的平方律变成亚阈值区的指数规律,漏电流以有限的速率下降，亚阈值导电导致较大的功率损耗。,35,36,PPT学习交流,（七）MOS器件电容,栅和沟道间的氧化层电容衬底和沟道间的耗尽层电容栅与源和漏间的交叠电容C3、C4源/漏区与衬底之间的结电容。分为：下极板电容Cj和侧壁电容Cjsw,电容存在于四个端子中的任意两个之间,不同结构的管子会具有不同的结电容,36,37,PPT学习交流,（八）NMOS小信号模型,MOS管的I/V特性构成MOSFET的大信号模型。当信号对偏置影响小，就可以用小信号模型简化计算，小信号模型是工作点附近的大信号模型的近似。,沟道长度调制效应等效模型,模拟电路中大多MOS被偏置在饱和区,基本小信号模型，ID=gmVGS,考虑沟道长度调制效应小信号模型,考虑沟道长度调制效应、体效应的小信号模型,体效应等效模型,37,38,PPT学习交流,1、沟道长度调制效应等效模型由于沟道长度调制，其漏电流的变化和VDS成线性关系，因此可以用一个线性电阻r0来等效沟道长度调制效应：,r0影响模拟电路的许多特性，如放大器的最大增益等。,2、体效应等效模型,衬底电势VBS影响阈值电压，因而