CMOS模拟集成电路的设计ch器件物理实用PPT课件

1、2.1 基本概念1漏漏（D: drain）、 栅栅（G: gate）、源源（S: source）、衬底、衬底（B: bulk）GSDMOSFET：一个低功耗、高效率的开关第1页/共41页 MOS符号2模拟电路中常用符号模拟电路中常用符号数字电路中常用数字电路中常用MOSFET是一个四端器件第2页/共41页2.2 MOS的I/V特性 沟道的形成3第3页/共41页4阈值电压VTHNMOS管的阈值电压通常定义为界面的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时的栅极电压。 OXOXOXTC通常通过沟道注入法来改变阈值电压的大小。第4页/共41页5 MOS器件的3个工作区VGSVTHDI =0第5页/共41页6,

2、GSTHDSGSTHVVVVV 当且时MOSFET 处于线性区处于线性区第6页/共41页Derivation of I/V Characteristics7Qd WCox(VGS VTH)Qd(x) WCox(VGSV(x) VTH)dIQv 第7页/共41页I/V Characteristics (cont.)8ID WCoxVGS V(x) VTHvIDdxx0LWCoxnVGS V(x) VTHdVV0VDSGiven v E and E(x) dV(x)dxID WCoxVGS V(x) VTHndV(x)dxIDnCoxWL(VGS VTH)VDS12VDS2第8页/共41页I/V

3、Characteristics (cont.)9IDnCoxWL(VGS VTH)VDS12VDS2第9页/共41页10IDnCoxWL(VGSVTH)VDS12VDS2()WDnoxGSTHDSLICVVV 深三极管区深三极管区线性区的线性区的MOSFET等效为一个线性电阻（导通电阻等效为一个线性电阻（导通电阻Ron）1()ONWnoxGSTHLRCVV 2()DSGSTHVVV 当时第10页/共41页11 过驱动电压过驱动电压 Vov 有效电压有效电压Veff 过饱和电压过饱和电压 Vsat一个重要的概念一个重要的概念（VGS-VTH ）2()2noxDGSTHC WIVVL,GSTHDS

4、GSTHVVVVV 且时2=GSTHDIWCn oxLVV 第11页/共41页12饱和区内，电流近似只与 W/L 和过饱和电压VGS-VTH 有关，不随源漏电压VDS变化2)(2THGSoxnDVVLWCI因此在因此在VGS不变的条件下不变的条件下MOSFET可以等效为可以等效为恒流源恒流源第12页/共41页 tanDmGSVDS constIgV 跨导是小信号跨导是小信号(AC)参数，用来表征MOSFET将电压变化转换为电流变化的能力。反映了器件的灵敏度 VGS对对ID的控制能力。的控制能力。 13引入重要的概念引入重要的概念 transconductance利用这个特点可以实现利用这个特点

5、可以实现信号的放大信号的放大如果在栅极上加上信号，则如果在栅极上加上信号，则 饱和区的饱和区的MOSFET可以看作是可以看作是受受VGS控制的电流源控制的电流源第13页/共41页tconsVDSGSDmVIgtan 14()WnoxGSTHLCVV2WnoxDLCI2DGSTHIVV 第14页/共41页15到此为止，我们已经学习了到此为止，我们已经学习了MOSFET的三种用途：的三种用途：开关管开关管恒流源恒流源放大管放大管分别处在什么工作区？分别处在什么工作区？第15页/共41页16怎么判断MOSFET处在什么工作区？对于,管子导通,且相对于足够高，即（,管子进入线性）区GDGTHDVVNM

6、 SVVOV 方法二：（源极电压不方便算出时）比较栅极Vg和漏端Vd的电压高低方法一：比较源漏电压Vds和过饱和电压Vsat的高低,DSGSTHVVV管子导通 且时，则管子进入区相反性区线是饱和 对于,管子导通,且相对于足够低，即（,管子进入线性）区GDGTHDVVPM SVVOV 第16页/共41页图中MOS管的作用是什么？应该工作在什么工作区？17思考题第17页/共41页即NMOS开关不能传递最高电位，仅对低电位是比较理想的开关相对的，PMOS开关不能传递最低电位，仅对高电位是比较理想的开关18第18页/共41页19第19页/共41页2.3 二级效应 体效应20其中，其中，为体效应系数，为

7、体效应系数，典型值典型值0.3-0.4V1/2第20页/共41页21沟道层通过Cox耦合到栅极，通过CD 耦合到体区。所以体区电压同样可以（通过CD的耦合作用）影响沟道中载流子的浓度，影响导电性，或者说阈值电压的大小。第21页/共41页22体效应对电路性能的影响体效应会导致设计参量复杂化， AIC设计通常不希望有体效应第22页/共41页23 沟道长度调制效应L越大，沟调效应越小！其中其中为沟道长度调制系数为沟道长度调制系数第23页/共41页沟调效应使饱和区的MOSFET不能再看成理想的电流源，而具有有限大小的输出电阻roDTHGSoxnDSDDDSoIVVLWCVIIVr1)(21/1224第

8、24页/共41页25 亚阈值导电性（弱反型）第25页/共41页2.4 MOS器件电容26分析高频交流特性时必须考虑寄生电容的影响根据物理结构，可以把MOSFET的寄生电容分为：第26页/共41页27 器件关断时，CGD=CGS=CovW，CGB由氧化层电容和耗尽区电容串连得到 深三极管区时，VD VS， 饱和区时，第27页/共41页大信号和小信号模型 大信号模型 小信号模型28第28页/共41页2.5 MOS小信号模型29第29页/共41页301D SoDDVrII gmb gm2 2FVSBgm小信号参数：小信号参数：第30页/共41页31MOS管的完整小信号模型对于手算，模型不是越复杂越好

9、。能提供合适的精度即可第31页/共41页32MOS SPICE模型模型精度决定电路仿真精度最简单的模型Level 1，0.5m适于手算第32页/共41页NMOS VS PMOS 在大多数工艺中，NMOS管性能比PMOS管好 迁移率4：1，高电流驱动能力，高跨导 相同尺寸和偏置电流时，NMOS管rO大，更接近理想电流源，能提供更高的电压增益 对Nwell 工艺，用PMOS管可消除体效应 独占一个阱，可以有不同的体电位33第33页/共41页34第34页/共41页长沟道器件和短沟道器件前面的分析是针对长沟道器件（4m以上）而言对短沟道器件而言，关系式必须修正用简单模型手算，建立直觉；用复杂模型仿真，得到精确结果。35第35页/共41页MOS管用作电容器时36第36页/共41页并联并联串联串联37思考：思考：第37页/共41页注意不要混淆管子的宽W和长L以及串并联关系！WL38倒比管第38页/共41页391. 解释什么是小信号跨导，给出饱和区解释什么是小信号跨导，给出饱和区MOSFET小信号跨小信号跨导的三种表达形式导的三种表达形式 复习题：复习题：2. 右图中右图中MOSFET的过饱和电压是多少？