集成电路分析与设计-8.ppt

1、集成电路分析与设计,第八章 模拟CMOS集成电路设计基础,本章概要,概述 MOSFET结构 MOSFET的I-V特性 MOSFET二级效应 MOS器件小信号模型,8.1概述,自然界信号的处理,（a）自然界信号的数字化 （ b）增加放大器和滤波器以提高灵敏度,8.1概述,数字通信,失真信号需放大、滤波和数字化后才再处理,数字信号通过有损电缆的衰减和失真,8.1概述,磁盘驱动电子学,硬盘存储和读出后的数据,8.1概述,无线接收机,无线接收天线接收到的信号(幅度只有几微伏)和噪声频谱,接收机放大低电平信号时必须具有极小噪声、工作在高频并能抑制大的有害成分,8.1概述,光纤系统,光纤系统,激光二极管,

2、光敏二极管,转换为一个小电流,高速电流处理器,8.1概述,传感器,(a) 简单的加速度表,(b) 差动加速度表,汽车触发气囊的加速度检测原理图,8.1概述,模拟电路设计的困难-1,模拟设计涉及到在速度、功耗、增益、精度、电源电压等多种因素间进行折衷，而数字电路只需在速度和功耗之间折衷。 模拟电路对噪声、串扰和其它干扰比数字电路要敏感得多。 器件的二级效应对模拟电路的影响比数字电路要严重得多。 高性能模拟电路的设计很少能自动完成，而许多数字电路都是自动综合布局的。,8.1概述,模拟电路设计的困难-2,模拟电路许多效应的建模和仿真仍然存在问题，模拟设计需要设计者利用经验和直觉来分析仿真结果。 现代

3、集成电路制造的主流技术是为数字电路开发的，它不易被模拟电路设计所利用，为了设计高性能的模拟电路，需不停开发新的电路和结构。,8.1概述,研究模拟CMOS集成电路的重要性,CMOS电路因其低成本、低功耗以及速度不断的提高已成为当今SOC设计的主流制造技术。由于模拟电路是SOC中不可缺少的部分，故高性能模拟CMOS电路的设计已成为当今的难点和热点。,8.2 MOSFET结构,器件结构,衬低（bulk、body）,Ldrawn：沟道总长度 LD：横向扩散长度,Leff：沟道有效长度， Leff Ldrawn2 LD,*D、S是对称的，可互换！ *所有pn结必须反偏！,8.2 MOSFET结构,同一衬

4、底的MOS管,*N-SUB接VDD！ *P-SUB接VSS！,*阱中MOSFET衬底常接源极S,MOS管所有pn结必须反偏:,8.2 MOSFET结构,MOS管符号,8.2 MOSFET结构,MOS器件阈值电压,(a)栅压控制的MOSFET (b)耗尽区的形成 (c)反型的开始 (d)反型层的形成,8.2 MOSFET结构,导电沟道的形成,耗尽层,NMOS管VGSVT、VDS=0时的示意图,8.2 MOSFET结构,沟道夹断,NMOS管VGSVT、 0VDS VGS-VT时的示意图,8.3 MOSFET的I-V特性,I-V特性推导-1,8.3 MOSFET的I-V特性,I-V特性推导-2,Qd

5、：沟道电荷密度,Cox：单位面积栅电容,WCox：MOSFET单位长度的总电容,Qd(x)：沿沟道点x处的电荷密度,V(x)：沟道x点处的电势,V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS,I-V特性推导-3,8.3 MOSFET的I-V特性,对于半导体：,(ID为常数),I-V特性推导-4,8.3 MOSFET的I-V特性,三极管区(线性区),每条曲线在VDSVGSVTH时取最大值，且大小为：,I-V特性推导-5,8.3 MOSFET的I-V特性,当V(x)接近VGS-VTH时Qd(x)接近于0，即反型层将在XL处终止，沟道被夹断。,NMOS管I-V特性,阴影部分为饱和区MOSFET的I

6、/V特性,8.3 MOSFET的I-V特性,线性区的MOSFET,8.3 MOSFET的I-V特性,等效为一个压控电阻,I-V特性分析,沟道电阻随VDS增加而增加导致曲线弯曲,曲线开始斜率正比于VGS-VT,8.3 MOSFET的I-V特性,MOSFET的跨导gm,8.3 MOSFET的I-V特性,MOS跨导随过驱动电压和漏电流的变化曲线,gm与VDS的关系,8.3 MOSFET的I-V特性,当VDSVb VTH，M1处于饱和状态，此时：,当VDSVb VTH，M1开始进入三极管区，此时：,MOS管工作状态的判断,8.3 MOSFET的I-V特性,NMOS饱和条件：VdVg-VTHN,PMOS

7、饱和条件：VdVg+|VTHP|,判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs！,体效应,无体效应,源极跟随器,有体效应,8.4 MOSFET二级效应,沟道调制效应-1,8.4 MOSFET二级效应,沟道长度调制效应：沟道夹断后，随着栅和漏之间的电压差增大，实际的反型沟道逐渐减小这种现象使ID/VDS特性曲线在饱和区出现非零斜率。这一效应成为“沟道长度调制”,沟道调制效应-2,8.4 MOSFET二级效应,上式中:,亚阈值导电性,8.4 MOSFET二级效应,亚阈值导电：当VGS下降到VGS VTH时，一个“弱” 的反型层仍然存在，并有一些源漏电流。甚至当VGS VTH ，ID也并非是无限小，

8、而是与VGS呈现指数关系，这种效应称作“亚阈值导电”。,1,是一个非理想因子,8.5 MOS器件模型,MOS器件版图,MOS器件电容,8.5 MOS器件模型,源和漏的结电容,对于图a:CDB=CSB = WECj + 2(W+E)Cjsw,对于图b: CDB=(W/2)ECj+2(W/2)+E)Cjsw CSB=2(W/2)ECj+4(W/2)+E)Cjsw = WECj +2(W+2E)Cjsw,8.5 MOS器件模型,栅源和栅漏电容,8.5 MOS器件模型,C3=C4=COVW Cov：每单位宽度的交叠电容,MOS管关断时: CGD=CGS=CovW, CGB=C1/C2,MOS管深线性区时: CGD=CGS=C1/2+CovW, CGB=0, C2被沟道屏蔽,MOS管饱和时: CGS= 2C1/3+CovW ,C