模拟cmos集成电路设计拉扎维MOS器件物理基础PPT学习教案.pptx

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1、会计学1模拟模拟cmos集成电路设计集成电路设计(shj)拉扎维拉扎维MOS器件物理基础器件物理基础第一页，共61页。授课授课(shuk)内容内容绪论绪论(xln)重要性、一般重要性、一般(ybn)概念概念单级放大器单级放大器无源无源/有源电流镜有源电流镜差动放大器差动放大器放大器的频率特性放大器的频率特性噪声噪声运算放大器运算放大器反馈反馈稳定性和频率补偿稳定性和频率补偿共源、共漏、共栅、共源共栅共源、共漏、共栅、共源共栅定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大器频率特弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大器频

2、率特性分析性分析统计特性、类型、电路表示、各类单级放大器噪声分析、统计特性、类型、电路表示、各类单级放大器噪声分析、噪声带宽噪声带宽特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析多极点系统、相位裕度、频率补偿多极点系统、相位裕度、频率补偿器件物理基础器件物理基础MOSFET结构、结构、IV特性、二级效应、器件模型特性、二级效应、器件模型带隙基准源带隙基准源与电源无关、与温度无关、与电源无关、与温度无关、PTAT电流、恒电流、恒Gm、速度与噪声、速度与噪声基本基本/共源共栅共源共

3、栅/有源电流镜有源电流镜第1页/共61页第二页，共61页。上一讲上一讲n n研究(ynji)模拟电路的重要性n n模拟电路设计的难点n n研究(ynji)AIC的重要性n n研究(ynji)CMOS AIC的重要性n n电路设计一般概念n n抽象级别n n健壮性设计n n符号第2页/共61页第三页，共61页。上一讲上一讲n n数字电路无法完全取代模拟电路，模拟电路是现代电路系统中必不可少(b b k sho)的一部分n n模拟电路设计的难点比数字电路不同n n关注点、噪声和干扰、器件二阶效应、设计自动化程度、建模和仿真、工艺、数模混合n nAIC具有高速度、高精度、低功耗、大批量时成本等优点n

4、 n用CMOS工艺设计、加工AIC具有加工成本低、易实现数模混合等优点，被广泛采用第3页/共61页第四页，共61页。掌握器件掌握器件(qjin)物理知识的必物理知识的必要性要性n n数字电路设计师一般不需要进入器件内部，只把它当开关用即可n nAIC设计师必须进入器件内部，具备器件物理知识n nMOS管是AIC的基本元件n nMOS管的电特性与器件内部的物理机制密切相关，设计时需将两者结合起来考虑n n器件级与电路级联系的桥梁(qioling)？n n器件的电路模型第4页/共61页第五页，共61页。本讲本讲n n基本概念基本概念n n简化模型开关简化模型开关n n结构结构(jigu)(jigu

5、)n n符号符号n nI/VI/V特性特性n n阈值电压阈值电压n nI-VI-V关系式关系式n n跨导跨导n n二级效应二级效应n n体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性n n器件模型器件模型n n版图、电容、小信号模型等版图、电容、小信号模型等第5页/共61页第六页，共61页。本讲的目的本讲的目的(md)n n从AIC设计者角度，看器件(qjin)物理；本讲只讲授MOS器件(qjin)物理基础知识n n理解MOS管工作原理n n基于原理，掌握电路级的器件(qjin)模型n n直流关系式I/V特性n n交流关系式小信号电路中的参数第6页/共61页第七页

6、，共61页。MOS管简化管简化(jinhu)模型模型简化简化(jinhu)模型模型开关开关由由VG控制的一个开关控制的一个开关第7页/共61页第八页，共61页。MOS管的结构管的结构(jigu)提供提供(tgng)载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏源漏在物理结构上是完全源漏在物理结构上是完全(wnqun)对称的，靠什么区分开？对称的，靠什么区分开？Bulk（body）最重要的工作区域最重要的工作区域？受受VG控制的沟道区控制的沟道区第8页/共61页第九页，共61页。MOS管的结构管的结构(jigu)衬底电压衬底电压(diny)要保证源漏要保证源漏PN结

7、反偏，对阈值电压结反偏，对阈值电压(diny)有影响有影响同一同一(tngy)衬底上的衬底上的NMOS和和PMOS管（体端不同）管（体端不同）独享一个阱的独享一个阱的 MOS管在管在AIC设计中有特殊应用设计中有特殊应用第9页/共61页第十页，共61页。MOS管的符号管的符号(fho)四端四端(s dun)器件器件省掉省掉B端端在在Cadence analogLib库中，当库中，当B、S端短接时端短接时AIC设计中一般设计中一般(ybn)应采用该应采用该符号？符号？需明确体端连接需明确体端连接？电流方向电流方向数字电路用数字电路用只需区别只需区别开开MOS管管类型即可类型即可第10页/共61页

8、第十一页，共61页。本讲本讲n n基本概念基本概念n n简化模型简化模型(mxng)(mxng)开关开关n n结构结构n n符号符号n nI/VI/V特性特性n n阈值电压阈值电压n nI-VI-V关系式关系式n n跨导跨导n n二级效应二级效应n n体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性n n器件模型器件模型(mxng)(mxng)n n版图、电容、小信号模型版图、电容、小信号模型(mxng)(mxng)等等第11页/共61页第十二页，共61页。沟道电荷沟道电荷(dinh)的产生的产生当当VG大到一定大到一定(ydng)程度时，程度时，表面势使电子从表面

9、势使电子从源流向沟道区源流向沟道区VTH定义定义(dngy)为为表面电子浓度等于衬表面电子浓度等于衬底多子浓度时的底多子浓度时的VG第12页/共61页第十三页，共61页。阈值电压阈值电压栅与衬底功函数栅与衬底功函数(hnsh)差差工艺确定工艺确定(qudng)后，后，VTH0就固定了，设计者无法改变就固定了，设计者无法改变常通过沟道常通过沟道(u do)注入把注入把VTH0调节到合适值调节到合适值0第13页/共61页第十四页，共61页。I/V特性沟道特性沟道(u do)随随VDS的变化的变化第14页/共61页第十五页，共61页。I/V特性特性(txng)推导推导I(VDS,VGS)第15页/共

10、61页第十六页，共61页。I/V特性特性(txng)推导推导I(VDS,VGS)第16页/共61页第十七页，共61页。I/V特性特性(txng)线性区线性区过驱动过驱动(q dn)电压电压三极管区三极管区欧姆欧姆(u m)区区线性区线性区第17页/共61页第十八页，共61页。I/V特性特性(txng)当当VDSVGS-VTH时？时？是否是否(sh fu)仍仍按抛物线变化？按抛物线变化？沟道区两端的电压沟道区两端的电压(diny)差不再等于差不再等于VDS，保持为，保持为VGS-VTH公式不再适用公式不再适用推导时是针对反型沟道区上的长度和电压差进行积分推导时是针对反型沟道区上的长度和电压差进行

11、积分第19页/共61页第二十页，共61页。I/V特性特性(txng)当当VDSVGS-VTH时时L随随VDS变化很小时，电流变化很小时，电流(dinli)近似恒定，饱和区近似恒定，饱和区第20页/共61页第二十一页，共61页。I/V特性特性(txng)当当VDSVGS-VTH时时Pinch-off区区Active区区Saturation区区电流近似只电流近似只于于W/L和和VGS有关有关(yugun)，不随不随VDS变化变化第21页/共61页第二十二页，共61页。I/V特性特性(txng)当当VDSVGS-VTH时时用作电流用作电流(dinli)源或电流源或电流(dinli)沉（沉（curre

12、nt sink）第22页/共61页第二十三页，共61页。I/V特性特性(txng)PMOS管管定义定义(dngy)从从D流向流向S为正为正0.8 m nwell：p=250cm2/V-s,n=550cm2/V-s0.5 m nwell：p=100cm2/V-s,n=350cm2/V-sPMOS管电流管电流(dinli)驱动能力比驱动能力比NMOS管差管差第23页/共61页第二十四页，共61页。跨导跨导gmVGS对对IDS的控制能力的控制能力IDS对对VGS变化变化(binhu)的灵敏度的灵敏度第24页/共61页第二十五页，共61页。跨导跨导gm由于饱和区由于饱和区gm大，一般用饱和区工作的大，

13、一般用饱和区工作的 MOS管做信号管做信号(xnho)放大放大线性区时？线性区时？第25页/共61页第二十六页，共61页。MOS管工作管工作(gngzu)在哪个区在哪个区？ActiveActive第26页/共61页第二十七页，共61页。本讲本讲n n基本概念基本概念n n简化模型开关简化模型开关n n结构结构n n符号符号n nI/VI/V特性特性(txng)(txng)n n阈值电压阈值电压n nI-VI-V关系式关系式n n跨导跨导n n二级效应二级效应n n体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性n n器件模型器件模型n n版图、电容、小信号模型等版图

14、、电容、小信号模型等第27页/共61页第二十八页，共61页。二级效应二级效应(xioyng)n n前面VTH、I/V、gm等推导都是基于(jy)最简单假设n n忽略了VDS对L的影响等二级效应n n二级效应是AIC设计必须要考虑的因素n n会对电路一些性能指标带来不可忽视的影响n n如输出电阻RO、体效应引起的体跨导gmbn n包括n n体效应、沟长调制效应、亚阈值导电性、热载流子效应、速度饱和、垂直电场引起的迁移率退化、温度特性等第28页/共61页第二十九页，共61页。阈值电压和体效应阈值电压和体效应(xioyng)第29页/共61页第三十页，共61页。阈值电压和体效应阈值电压和体效应(xi

15、oyng)体效应体效应(xioyng)系数，典型值系数，典型值0.3-0.4V-1/2第30页/共61页第三十一页，共61页。体效应对电路性能体效应对电路性能(xngnng)影影响响体效应会导致设计体效应会导致设计(shj)参量复杂化，参量复杂化，AIC设计设计(shj)通常不希望有体效应。但也有利用体效应工作的通常不希望有体效应。但也有利用体效应工作的电路电路第31页/共61页第三十二页，共61页。利用利用(lyng)体效应工作的电路体效应工作的电路实例实例VsnVgpVinMp1Mp2MnVrefIoIoutUS Patent：5998777V-I转换转换(zhunhun)电电路路第32页

16、/共61页第三十三页，共61页。沟道长度沟道长度(chngd)调制效应调制效应LL假设假设(jish)：短沟道短沟道MOS管时该近似会明显影响管时该近似会明显影响(yngxing)精度精度第33页/共61页第三十四页，共61页。沟长调制沟长调制(tiozh)效应效应AIC设计中通常不希望设计中通常不希望ID随随VDS变化。变化。会降低放大器的输出电阻，会导致偏置会降低放大器的输出电阻，会导致偏置(pin zh)电流改变，等。电流改变，等。第34页/共61页第三十五页，共61页。亚阈值亚阈值(y zh)导电性导电性截止截止(jizh)弱反型弱反型中反型中反型强反型强反型渐进的连续渐进的连续(li

17、nx)变化过程，变化过程，VGSVTH时仍有时仍有IDS存在存在 1,系数，系数，zi:t当当VDS大于大于200mV时时带来功耗；被存储的带来功耗；被存储的信息的丢失信息的丢失第35页/共61页第三十六页，共61页。亚阈值亚阈值(y zh)导电性导电性GrayVt 为阈值电压为阈值电压VT 为热电压为热电压(diny)n：由工艺：由工艺(gngy)决定决定It：VGS=Vt、W/L=1、VDSVVT T时的漏电流时的漏电流第36页/共61页第三十七页，共61页。用亚阈值用亚阈值(y zh)特性确定阈值特性确定阈值(y zh)电压电压n n如何如何(rh)(rh)测量确定阈值电压？测量确定阈值

18、电压？测深线性区的测深线性区的MOS管的导通电阻管的导通电阻(dinz)RON随随VGS的变化的变化VGIDSVDVSVGSIDS/VDS第37页/共61页第三十八页，共61页。用亚阈值用亚阈值(y zh)特性确定阈值特性确定阈值(y zh)电压电压n n粗略粗略(cl)(cl)估算方法估算方法n nID/W=1ID/W=1 A/A/mm所对应的所对应的VGSVGS为为VTH VTH，此时，此时MOSMOS管工作在亚阈区附近。为什么？管工作在亚阈区附近。为什么？在在ID一定时，一定时，W逐渐逐渐(zhjin)增大会导致增大会导致VGS逐渐逐渐(zhjin)接近接近VTH；再增大时会进入亚阈值区

19、；再增大时会进入亚阈值区第38页/共61页第三十九页，共61页。亚阈值亚阈值(y zh)区时的跨导区时的跨导强反型时的跨导强反型时的跨导:在在ID一定时，亚阈值区的跨导比强反型区时大，一定时，亚阈值区的跨导比强反型区时大，有利于实现较大放大倍数有利于实现较大放大倍数(bish)，且功耗极，且功耗极低低但单位沟道宽度的源漏电流但单位沟道宽度的源漏电流ID/W小，只能小，只能(zh nn)用于极低速电路用于极低速电路双极晶体管：双极晶体管：第39页/共61页第四十页，共61页。电压电压(diny)限制限制n n栅击穿(j chun)n n不可恢复的损伤n nPN结击穿(j chun)n n源漏穿通

20、n n热载流子效应第40页/共61页第四十一页，共61页。本讲本讲n n基本概念基本概念n n简化模型简化模型(mxng)(mxng)开关开关n n结构结构n n符号符号n nI/VI/V特性特性n n阈值电压阈值电压n nI-VI-V关系式关系式n n跨导跨导n n二级效应二级效应n n体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性n n器件模型器件模型(mxng)(mxng)n n版图、电容、小信号模型版图、电容、小信号模型(mxng)(mxng)等等第41页/共61页第四十二页，共61页。MOS器件器件(qjin)版图版图n n根据电特性(txng)要求和工

21、艺设计规则设计斜视图（斜视图（birds eye，angled view）俯视图（俯视图（vertical view）栅接触栅接触(jich)孔开在沟道区外孔开在沟道区外AIC设计希望源漏设计希望源漏PN结寄生电容小结寄生电容小第42页/共61页第四十三页，共61页。MOS器件器件(qjin)版图版图第43页/共61页第四十四页，共61页。MOS管中的电容管中的电容(dinrng)n n分析(fnx)MOS管交流特性时必须考虑电容影响C3、C4：覆盖电容；由于边缘电力线的影响，不能简：覆盖电容；由于边缘电力线的影响，不能简单单(jindn)地等于地等于WLDCOXC5、C6：结电容；：结电容；

22、=底电容底电容+侧壁电容侧壁电容第44页/共61页第四十五页，共61页。MOS管中的电容管中的电容(dinrng)n n寄生电容往往随偏置电压的变化(binhu)而变化(binhu)n nEDA工具在寄生参数提取时会自动提取每个节点精确的寄生电容值第45页/共61页第四十六页，共61页。MOS管中的电容管中的电容(dinrng)低低电容电容(dinrng)版图版图折叠折叠(zhdi)结结构的版图漏端寄构的版图漏端寄生电容小生电容小第46页/共61页第四十七页，共61页。MOS管中的电容管中的电容(dinrng)不不同工作区同工作区n n截止(jizh)区L为有效沟道为有效沟道(u do)长度长

23、度第47页/共61页第四十八页，共61页。MOS管中的电容管中的电容(dinrng)不不同工作区同工作区n n深三极管区n n饱和(boh)区CGB常被忽略常被忽略(hl)第48页/共61页第四十九页，共61页。MOS大信号大信号(xnho)和小信号和小信号(xnho)模型模型n n大信号模型(mxng)n n由I-V特性关系式、CGS等电容的电容值构成n n信号相对于偏置工作点而言比较大、会显著影响偏置工作点时用该模型(mxng)n n小信号模型(mxng)n n信号相对于偏置工作点而言比较小、不会显著影响偏置工作点时用该模型(mxng)简化计算n n由gm、gmb、rO等构成低频小信号模型

24、(mxng)，高频时还需加上 CGS等寄生电容、寄生电阻（接触孔电阻、导电层电阻等）第49页/共61页第五十页，共61页。MOS饱和区时的小信号饱和区时的小信号(xnho)模型模型第50页/共61页第五十一页，共61页。MOS饱和区时的小信号饱和区时的小信号(xnho)模型模型i:t或或eit第51页/共61页第五十二页，共61页。MOS管的完整小信号管的完整小信号(xnho)模模型型n n对于手算，模型(mxng)不是越复杂越好。能提供合适的精度即可第52页/共61页第五十三页，共61页。MOS小信号模型小信号模型(mxng)中的电中的电阻阻n n通常忽略(hl)n n合理设计版图能减小电阻

25、第53页/共61页第五十四页，共61页。MOS SPICE模型模型(mxng)n n模型(mxng)精度决定电路仿真精度n n最简单的模型(mxng)Level 1，0.5mn n适于手算第54页/共61页第五十五页，共61页。NMOS管与管与PMOS管管n n在大多数工艺中，NMOS管性能比PMOS管好n n迁移率4：1，高电流驱动能力，高跨导n n相同尺寸(ch cun)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n n对nwell 工艺，用PMOS管可消除体效应n n独占一个阱第55页/共61页第五十六页，共61页。长沟道长沟道(u do)器件和短沟道器件和短沟

26、道(u do)器件器件n n前面的分析是针对长沟道器件（4m以上(yshng)）而言n n对短沟道器件而言，关系式必须修正n n用简单模型手算，建立直觉；用复杂模型仿真，建立严密第56页/共61页第五十七页，共61页。MOS管用作电容器时管用作电容器时n n两端(lin dun)器件第57页/共61页第五十八页，共61页。总结总结(zngji)n n基本概念基本概念n n简化模型开关简化模型开关n n结构结构(jigu)(jigu)n n符号符号n nI/VI/V特性特性n n阈值电压阈值电压n nI-VI-V关系式关系式n n跨导跨导n n二级效应二级效应n n体效应、沟道长度调制效应、亚阈

27、值导电性体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性n n器件模型器件模型n n版图、电容、小信号模型等版图、电容、小信号模型等第58页/共61页第五十九页，共61页。作业作业(zuy)n n2.24,2.26第59页/共61页第六十页，共61页。下一讲下一讲绪论绪论(xln)重要性、一般重要性、一般(ybn)概念概念单级放大器单级放大器无源无源(w yun)/有源有源电流镜电流镜差动放大器差动放大器放大器的频率特性放大器的频率特性噪声噪声运算放大器运算放大器反馈反馈稳定性和频率补偿稳定性和频率补偿版图和封装版图和封装共源、共漏、共栅、共源共栅共源、共漏、共栅、共源共栅定性分析、定量分析、共模响应、

28、吉尔伯特单元定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大器频率特性分析器频率特性分析统计特性、类型、电路表示、各类单级放大器噪统计特性、类型、电路表示、各类单级放大器噪声分析、噪声带宽声分析、噪声带宽特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析叉指、对称、叉指、对称、ESD等等多极点系统、相位裕度、频率补偿多极点系统、相位裕度、频率补偿器件物理基础器件物理基础MOSFET结构、结构、IV特性、二级效应、器件模型特性、二级效应、器件模型带隙基准源带隙基准源与电源无关、与温度无关、与电源无关、与温度无关、PTAT电流、恒电流、恒Gm、速度与噪声、速度与噪声基本基本/共源共栅共源共栅/有源电流镜有源电流镜第60页/共61页第六十一页，共61页。