拉扎维模拟CMOS集成电路设计前十章全部课件

重邮光电工程学院模拟CMOS集成电路设计[美]理查德·拉扎维著西安交通大学出版社©2003重邮光电工程学院第一章模拟集成电路设计绪论重邮光电工程学院自然界信号的处理高速、高精度、低功耗ADC的设计是模拟电路设计中的难题之一高性能放大器和滤波器设计也是热点研究课题（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重邮光电工程学院数字通信数字信号通过有损电缆的衰减和失真失真信号需放大、滤波和数字化后才再处理重邮光电工程学院数字通信100100使用多电平信号以减小所需的带宽1011组合二进制数据DAC多电平信号ADC传送端接收端确定所传送电平重邮光电工程学院磁盘驱动电子学存储数据恢复数据硬盘存储和读出后的数据重邮光电工程学院无线接受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重邮光电工程学院光接收机转换为一个小电流高速电流处理器激光二极管光敏二极管光纤系统重邮光电工程学院传感器(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重邮光电工程学院模拟设计困难的原因是什么（1）？模拟集成电路设计绪论Ch.1#10A.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。B.模拟电路对噪声、串扰和其它干扰比数字电路要敏感得多。C.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。重邮光电工程学院模拟设计困难的原因是什么？D.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和布局的。E.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。F.现代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。重邮光电工程学院CMOS技术的发展及展望时间19741977198019831986L（微米）6.04.03.02.01.219891995199820012004200720100.50.350.250.180.130.10.07由于器件尺寸的不断缩小，几G～几十G的模拟CMOS电路已经产生。（fT∝1/L2）重邮光电工程学院为什么要学习CMOS模拟电路设计？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。重邮光电工程学院第二章MOS器件物理基础模拟集成电路设计绪论Ch.1#15重邮光电工程学院MOSFET的结构重邮光电工程学院MOSFET的结构衬低（bulk、body）*D、S是对称的，可互换！*所有pn结必须反偏！*BJT的pn结偏值呢？Ldrawn：沟道总长度LD：横向扩散长度Leff：沟道有效长度，Leff＝Ldrawn－2LD重邮光电工程学院同一衬底上的NMOS和PMOS器件MOS管所有pn结必须反偏:*N-SUB接VDD！*P-SUB接VSS！*阱中MOSFET衬底常接源极S重邮光电工程学院MOS器件符号MOS管等效于一个开关!重邮光电工程学院MOS器件的阈值电压VTN（P）(a)栅压控制的MOSFET(c)反型的开始(b)耗尽区的形成(d)反型层的形成重邮光电工程学院NMOS管VGSVT、VDS=0时的示意图耗尽层重邮光电工程学院NMOS管VGSVT、0VDSVGS-VT时的示意图重邮光电工程学院NMOS沟道电势示意图（1）VGVDVtVGSVDSVtVGDVGVDVGVSVSVDVGSVSDVGSVDS沟道未夹断条件边界条件:V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDS重邮光电工程学院NMOS沟道电势示意图（2）dq(x)CoxWdx[vGSv(x)VTH]边界条件:V(x)|x=0=0,V(x)|x=L=VDS重邮光电工程学院I/V特性的推导(1)重邮光电工程学院沟道单位长度电荷(C/m)IQdvI/V特性的推导(2)电荷移动速度(m/s)QdWCox(VGSVTH)Qd(x)WCox(VGSV(x)VTH)Qd：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重邮光电工程学院x0V0LVDSIDdxWCoxn[VGSV(x)VTH]dVIDWCox[VGSV(x)VTH]ndV(x)dxLIDnCoxW[(VGSVTH)VDS12VDS2]I/V特性的推导(3)IDWCox[VGSV(x)VTH]v对于半导体：(ID为常数)vDSL02D0v(x))]12[ix][nCoxW((vGSVTH)v(x)重邮光电工程学院I/V特性的推导(4)L12IDnCoxW[(VGSVTH)VDSVDS2]三极管区(线性区)IDnCoxW2L(VGSVTH)2每条曲线在VDS＝VGS－VTH时取最大值，且大小为：重邮光电工程学院NMOS管VGSVT、VDSVGS+VT时的示意图电子耗尽区重邮光电工程学院饱和区的MOSFET（VDS≥VGS－VT）L12IDnCoxW[(VGSVTH)VDSVDS2]IDnCoxW2L(VGSVTH)2V'DSVGSVTH(Pinchoff)Qd(x)WCox(VGSV(x)VTH)当V(x)接近VGS-VT，Qd(x)接近于0，即反型层将在X≤L处终止，沟道被夹断。重邮光电工程学院饱和区MOSFET的I/V特性ActiveRegion模拟集成电路设计绪论Ch.1#31重邮光电工程学院MOS管在饱和区电流公式)2THnoxGSD2Li1(C)W(vVμn的典型值为：μn≈580[cm2/Vs]2oxoxt≈50A,Coxoxt≈0.02m,Coxoxt≈0.1m,C0.35fF/m6.9fF/m21.75fF/m2重邮光电工程学院三极管区的MOSFETL12IDnCoxW[(VGSVTH)VDSVDS2]LIDnCoxW(VGSVTH)VDS,VDS2(VGSVTH)RON1LnCoxW(VGSVTH)等效为一个压控电阻重邮光电工程学院饱和区MOSFET的I/V特性VDS=VGS-VTID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-VTVDS重邮光电工程学院MOSFET的跨导gmgmIDVGSVDSconstantLnCoxW(VGSVTH)Lgm2nCoxWID2IDVGSVTH重邮光电工程学院MOS管工作状态的判断gActiveActivedgdNMOS饱和条件：Vd≥Vg＋VTHNPMOS饱和条件：Vd≤Vg＋|VTHP|判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs重邮光电工程学院MOS管的开启电压VT及体效应QdepCoxVTHMS2F,whereMSgatesiliconFkTqlnNsubniQdep4qsiFNsubCox：单位面积栅氧化层电容ΦMS：多晶硅栅与硅衬底功函数之差Qdep耗尽区的电荷,是衬源电压VBS的函数重邮光电工程学院MOS管的开启电压VT及体效应VTHVTH02FVSB2F,2qsiNsubCox无体效应源极跟随器有体效应模拟集成电路设计绪论Ch.1#38重邮光电工程学院MOSFET的沟道调制效应重邮光电工程学院MOSFET的沟道调制效应LL’L'LL1/L'1(1L/L)L1/L'1(1VDS),VDSL/LIDLnCoxW2L(VGSVTH)2(1VDS)重邮光电工程学院考虑沟道调制效应后的跨导gmgmnCoxWL(VGSVTH)(1VDS)λ∝1/L∂ID/∂VDS∝λ/L∝1/L2gm2nCoxWLID(1VDS)gm2IDVGSVTH,(unchanged)重邮光电工程学院MOS管跨导gm不同表示法比较跨导gm123上式中:重邮光电工程学院亚阈值导电特性VGSIDI0expkTq(ζ1,是一个非理想因子)模拟集成电路设计绪论Ch.1#43重邮光电工程学院MOS器件版图重邮光电工程学院2MOS电容器的结构oxoxoxoxt≈0.1m,Ct≈0.02m,Coxox0.35fF/m6.9fF/m21.75fF/m2。t≈50A,C模拟集成电路设计绪论Ch.1#45重邮光电工程学院MOS器件电容重邮光电工程学院减小MOS器件电容的版图结构对于图a:CDB=CSB=WECj+2(W+E)Cjsw对于图b:CDB=(W/2)ECj+2((W/2)+E)CjswCSB=2((W/2)ECj+2((W/2)+E)Cjsw==WECj+2(W+2E)Cjsw重邮光电工程学院栅源、栅漏电容随VGS的变化曲线C1=WLCoxC3=C4=COVWCov：每单位宽度的交叠电容MOS管关断时:CGD=CGS=CovW,CGB=C1//C2MOS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,蔼CGD=CovW,CGB=0,C2被沟道屏蔽重邮光电工程学院MOS小信号模型roVDS1IDID/VDS12LnCoxW(V)2GSVTH1ID重邮光电工程学院衬底跨导gmbgmbVBSIDnCoxW2L(VGSVTH)VBSVTHAlso,VTHVBSVTHVSB(2FVSB)1/22gmbgm22FVSBgm模拟集成电路设计绪论Ch.1#50重邮光电工程学院栅极电阻模拟集成电路设计绪论Ch.1#51重邮光电工程学院完整的MOS小信号模型重邮光电工程学院NMOS器件的电容--电压特性积累区强反型重邮光电工程学院本章基本要求1.掌握MOSFET电流公式及跨导公式。2.掌握MOSFET小信号等效电路。3.掌握MOSFET的二阶效应、用作恒流源的结构特点及其饱和的判断条件。4.了解MOS管的PN结必须反偏，会根据MOS管B连接的方式判定是哪种衬底。重邮光电工程学院第三章单级放大器模拟集成电路设计绪论Ch.1#55重邮光电工程学院模拟电路设计的八边形法则重邮光电工程学院模拟设计的小信号概念(1)设函数:若:非线性系统的输入输出特性则增益:(X0,f(X0))就是静态工作点。重邮光电工程学院模拟设计的小信号概念(2)dngmvgsGSVTH)vgsLW(Vik'重邮光电工程学院模拟设计的小信号概念(3)2gsngsTHGS2nGSTHnTHgsGSnTHGSdnk'1Wv2LW2LL1W)22L)2V)v2LV)k'(Vk'(V1Wk'(VvVWi1k'(vViDID2gsn?gsnGSnTHgsdnGS2L1WWL2LLW1Wk'vVTH)vgsk'v2k'(Vik'(VV)vMOS管总电流为:MOS管的交流电流分量为:|vgs|2(VGSVTH)小信号的假定条件:通常认为“«”两边之比1:10时,“«”的条件成立,|vgs(t)|可视为小信号模拟集成电路设计绪论Ch.1#59重邮光电工程学院模拟设计的小信号概念(例)假定VGS–VTH=1V,则|vgs(t)|可视为小信号的变化范围为:|vgs(t)|0.1·2(VGS–VTH)0.2V注意该值(|vgs(t)|0.2V)比BJT相对与VBE=0.7V的|vbe(t)|10mV大得多,这是因为Id与Vgs成平方关系,而Ic与Vbe成指数关系,Ic=f(vbe)曲线比Id=f(vgs)曲线陡峭得多。模拟集成电路设