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1、授课内容绪论重要性、一般概念单级放大器无源/有源电流镜差动放大器放大器的频率特性噪声运算放大器反馈稳定性和频率补偿共源、共漏、共栅、共源共栅定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大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、频率补偿器件物理基础MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型带隙基准源与电源无关、与温度无关、PTAT电流、恒Gm、速度与噪声基本/共源共栅/有源电流镜第1页/共61页上一讲研究模拟电路的重要性模拟
2、电路设计的难点研究AIC的重要性研究CMOS AIC的重要性电路设计一般概念抽象级别健壮性设计符号第2页/共61页上一讲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的一部分模拟电路设计的难点比数字电路不同关注点、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AIC具有高速度、高精度、低功耗、大批量时成本等优点用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页掌握器件物理知识的必要性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AIC设计师必须进入器件内部，具备器件物理知识MOS管是AIC的基本元件MO
3、S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器件级与电路级联系的桥梁？器件的电路模型第4页/共61页本讲基本概念简化模型开关结构符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等第5页/共61页本讲的目的从AIC设计者角度，看器件物理；本讲只讲授MOS器件物理基础知识理解MOS管工作原理基于原理，掌握电路级的器件模型直流关系式I/V特性交流关系式小信号电路中的参数第6页/共61页MOS管简化模型简化模型开关由VG控制的一个开关第7页/共61页MOS管的结构提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏源漏在物
4、理结构上是完全对称的，靠什么区分开？Bulk（body）最重要的工作区域？受VG控制的沟道区第8页/共61页MOS管的结构衬底电压要保证源漏PN结反偏，对阈值电压有影响同一衬底上的NMOS和PMOS管（体端不同）独享一个阱的MOS管在AIC设计中有特殊应用第9页/共61页MOS管的符号四端器件省掉B端在Cadence analogLib库中，当B、S端短接时AIC设计中一般应采用该符号？需明确体端连接？电流方向数字电路用只需区别开MOS管类型即可第10页/共61页本讲基本概念简化模型开关结构符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、
5、小信号模型等第11页/共61页沟道电荷的产生当VG大到一定程度时，表面势使电子从源流向沟道区VTH定义为表面电子浓度等于衬底多子浓度时的VG第12页/共61页阈值电压栅与衬底功函数差工艺确定后，VTH0就固定了，设计者无法改变常通过沟道注入把VTH0调节到合适值0第13页/共61页I/V特性沟道随VDS的变化第14页/共61页I/V特性推导I(VDS,VGS)第15页/共61页I/V特性推导I(VDS,VGS)第16页/共61页I/V特性线性区过驱动电压三极管区欧姆区线性区第17页/共61页I/V特性当VDSVGS-VTH时？是否仍按抛物线变化？沟道区两端的电压差不再等于VDS，保持为VGS-
6、VTH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第19页/共61页I/V特性当VDSVGS-VTH时L随VDS变化很小时，电流近似恒定，饱和区第20页/共61页I/V特性当VDSVGS-VTH时Pinch-off区Active区Saturation区电流近似只于W/L和VGS有关，不随VDS变化第21页/共61页I/V特性当VDSVGS-VTH时用作电流源或电流沉（current sink）第22页/共61页I/V特性PMOS管定义从D流向S为正0.8 m nwell：p=250cm2/V-s,n=550cm2/V-s0.5 m nwell：p=100cm2/V-s,n=350
7、cm2/V-sPMOS管电流驱动能力比NMOS管差第23页/共61页跨导gmVGS对IDS的控制能力IDS对VGS变化的灵敏度第24页/共61页跨导gm由于饱和区gm大，一般用饱和区工作的MOS管做信号放大线性区时？第25页/共61页MOS管工作在哪个区？ActiveActive第26页/共61页本讲基本概念简化模型开关结构符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等第27页/共61页二级效应前面VTH、I/V、gm等推导都是基于最简单假设忽略了VDS对L的影响等二级效应二级效应是AIC设计必须要考虑的因素会对电路一些性能
8、指标带来不可忽视的影响如输出电阻RO、体效应引起的体跨导gmb包括体效应、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页阈值电压和体效应第29页/共61页阈值电压和体效应 体效应系数，典型值0.3-0.4V-1/2第30页/共61页体效应对电路性能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。但也有利用体效应工作的电路第31页/共61页利用体效应工作的电路实例VsnVgpVinMp1Mp2MnVrefIoIoutUS Patent：5998777V-I转换电路第32页/共61页沟道长度调制效应LL假设：短沟道MOS管时
9、该近似会明显影响精度第33页/共61页沟长调制效应AIC设计中通常不希望ID随VDS变化。会降低放大器的输出电阻，会导致偏置电流改变，等。第34页/共61页亚阈值导电性截止弱反型中反型强反型渐进的连续变化过程，VGS VTH时仍有IDS存在 1,系数，zi:t当VDS大于200mV时带来功耗；被存储的信息的丢失第35页/共61页亚阈值导电性GrayVt 为阈值电压VT 为热电压n：由工艺决定It：VGS=Vt、W/L=1、VDSVVT T时的漏电流第36页/共61页用亚阈值特性确定阈值电压如何测量确定阈值电压？测深线性区的MOS管的导通电阻RON随VGS的变化VGIDSVDVSVGSIDS/V
10、DS第37页/共61页用亚阈值特性确定阈值电压粗略估算方法ID/W=1A/m所对应的VGS为VTH，此时MOS管工作在亚阈区附近。为什么？在ID一定时，W逐渐增大会导致VGS逐渐接近VTH；再增大时会进入亚阈值区第38页/共61页亚阈值区时的跨导强反型时的跨导:在ID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，且功耗极低但单位沟道宽度的源漏电流ID/W小，只能用于极低速电路双极晶体管：第39页/共61页电压限制栅击穿不可恢复的损伤PN结击穿源漏穿通热载流子效应第40页/共61页本讲基本概念简化模型开关结构符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、
11、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等第41页/共61页MOS器件版图根据电特性要求和工艺设计规则设计斜视图（birds eye，angled view）俯视图（vertical view）栅接触孔开在沟道区外AIC设计希望源漏PN结寄生电容小第42页/共61页MOS器件版图第43页/共61页MOS管中的电容分析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，不能简单地等于WLDCOXC5、C6：结电容；=底电容+侧壁电容第44页/共61页MOS管中的电容寄生电容往往随偏置电压的变化而变化EDA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/
12、共61页MOS管中的电容低电容版图折叠结构的版图漏端寄生电容小第46页/共61页MOS管中的电容不同工作区截止区L为有效沟道长度第47页/共61页MOS管中的电容不同工作区深三极管区饱和区CGB常被忽略第48页/共61页MOS大信号和小信号模型大信号模型由I-V特性关系式、CGS等电容的电容值构成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小信号模型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简化计算由gm、gmb、rO等构成低频小信号模型，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MOS饱和区时的小信号模型第
13、50页/共61页MOS饱和区时的小信号模型i:t或eit第51页/共61页MOS管的完整小信号模型对于手算，模型不是越复杂越好。能提供合适的精度即可第52页/共61页MOS小信号模型中的电阻通常忽略合理设计版图能减小电阻第53页/共61页MOS 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54页/共61页NMOS管与PMOS管在大多数工艺中，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第55页/共61页长
14、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，建立严密第56页/共61页MOS管用作电容器时两端器件第57页/共61页总结基本概念简化模型开关结构符号I/V特性阈值电压I-V关系式跨导二级效应体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性器件模型版图、电容、小信号模型等第58页/共61页作业2.24,2.26第59页/共61页下一讲绪论重要性、一般概念单级放大器无源/有源电流镜差动放大器放大器的频率特性噪声运算放大器反馈稳定性和频率补偿版图和封装共源、共漏、共栅、共源共栅定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大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、对噪声的影响性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析叉指、对称、ESD等多极点系统、相位裕度、频率补偿器件物理基础MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型带隙基准源与电源无关、与温度无关、PTAT电流、恒Gm、速度与噪声基本/共源共栅/有源电流镜第60页/共61页西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 感谢您的观看。第61页/共61页