模拟集成电路设计

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1、陈国平上海理工上海理工大学上海理工大学上海理工大学上海理工大学 电子信息教研室电子信息教研室电子信息教研室电子信息教研室 陈国平陈国平陈国平陈国平 Email:gp_模拟集成电路设计模拟集成电路设计模拟集成电路设计模拟集成电路设计模拟集成电路设计模拟集成电路设计模拟集成电路设计模拟集成电路设计教材教材教材教材：CMOS集成放大器设计集成放大器设计集成放大器设计集成放大器设计 国防工业国防工业国防工业国防工业，王自强王自强王自强王自强 参考参考参考参考：CMOS模拟集成电路设计模拟集成电路设计模拟集成电路设计模拟集成电路设计 电子工业电子工业电子工业电子工业，Allen/冯军冯军冯军冯军 模拟模

2、拟模拟模拟CMOS集成电路设计集成电路设计集成电路设计集成电路设计 西安交大西安交大西安交大西安交大，Razavi/陈贵灿陈贵灿陈贵灿陈贵灿陈国平上海理工第第第第2章章章章 CMOS器件模型器件模型器件模型器件模型MOS管的符号管的符号管的符号管的符号陈国平上海理工2.1 MOS管工作原理管工作原理管工作原理管工作原理VGS=0时时时时,无电流无电流无电流无电流VGS0时时时时,产生耗尽层产生耗尽层产生耗尽层产生耗尽层陈国平上海理工VGSVTH时时时时,产生反型层产生反型层产生反型层产生反型层VDS0时时时时,产生电流产生电流产生电流产生电流陈国平上海理工VDS=VGS-VTH时时时时,沟道预

3、夹断沟道预夹断沟道预夹断沟道预夹断VDSVGS-VTH时时时时,沟道夹断沟道夹断沟道夹断沟道夹断VDS=VDG+VGS,VDG+VGSVGS-VTH, VDG-VTH,VGDVTH，沟道内就出现了电流沟道内就出现了电流沟道内就出现了电流沟道内就出现了电流。实际实际实际实际情况并不是这样情况并不是这样情况并不是这样情况并不是这样。即使在即使在即使在即使在VGSVTH时时时时，沟道内仍然有沟道内仍然有沟道内仍然有沟道内仍然有电流存在电流存在电流存在电流存在。当当当当VGS接近接近接近接近VTH时时时时，漏极电流下降到漏极电流下降到漏极电流下降到漏极电流下降到10-710-8A。当当当当VGSVTH

4、时时时时，漏极电流按指数规律下降漏极电流按指数规律下降漏极电流按指数规律下降漏极电流按指数规律下降。这这这这时时时时，栅极电压对漏极电流的控制从饱和区的平方律变栅极电压对漏极电流的控制从饱和区的平方律变栅极电压对漏极电流的控制从饱和区的平方律变栅极电压对漏极电流的控制从饱和区的平方律变成了亚阈值区的指数规律成了亚阈值区的指数规律成了亚阈值区的指数规律成了亚阈值区的指数规律。陈国平上海理工2.3 大信号模型大信号模型大信号模型大信号模型陈国平上海理工0.8mCMOS工艺参数工艺参数工艺参数工艺参数(SPICE LEVEL 1)V0.80.7强反型层表面势垒强反型层表面势垒强反型层表面势垒强反型层

5、表面势垒2|F|V-10.050.04沟道长度调制参数沟道长度调制参数沟道长度调制参数沟道长度调制参数V1/20.570.4体阈值参数体阈值参数体阈值参数体阈值参数A/ V250110跨导参数跨导参数跨导参数跨导参数(饱和区饱和区饱和区饱和区)KV-0.70.7阈值电压阈值电压阈值电压阈值电压(VBS=0)VT0单位单位单位单位PMOSNMOS参数描述参数描述参数描述参数描述符号符号符号符号工业界标准的工业界标准的工业界标准的工业界标准的MOS管模型管模型管模型管模型BSIM3v3(SPICE LEVEL 49)陈国平上海理工Hspice模拟模拟模拟模拟 Ex 2-1 M12100MOS1W=

6、5U L=1U VDS 205 VGS 101 .MODEL MOS1 NMOS LEVEL=1 VTO=0.7 KP=110U GAMMA=0.4 LAMBDA=0.04 PHI=0.7 .DC VDS 0 5 0.1 VGS 1 5 1 $VGS 0 5 0.1 .PRINT DC V(1)V(2) I(M1) .END陈国平上海理工陈国平上海理工2.4 小信号模型小信号模型小信号模型小信号模型 跨导跨导跨导跨导 在饱和区在饱和区在饱和区在饱和区，跨导为漏源电压一定时跨导为漏源电压一定时跨导为漏源电压一定时跨导为漏源电压一定时，漏极电流随漏极电流随漏极电流随漏极电流随 栅源电压的变化率栅源

7、电压的变化率栅源电压的变化率栅源电压的变化率。|2)(2122)(212)()1)(/)1 ()(21222DSOXnTHGSOXnOXnTHGSDSTHGSTHGSOXnTHGSOXnDSTHGSOXnGSDSTHGSOXn GSDS mILWCVVLWCLWCVVI VVVVLWCVVLWCVVVLWCVVVVLWCVIg= =+=+=陈国平上海理工跨导跨导跨导跨导gm用来表示用来表示用来表示用来表示MOS管的电压转变电流的能管的电压转变电流的能管的电压转变电流的能管的电压转变电流的能 力力力力，跨导越大则表示该跨导越大则表示该跨导越大则表示该跨导越大则表示该MOS管越灵敏管越灵敏管越灵敏

8、管越灵敏，在同样在同样在同样在同样 的过驱动电压的过驱动电压的过驱动电压的过驱动电压(VGSVTH)下能引起更大的电流下能引起更大的电流下能引起更大的电流下能引起更大的电流。 VDS为常数为常数为常数为常数。1）在在在在W/L为常数时为常数时为常数时为常数时，跨导与过驱跨导与过驱跨导与过驱跨导与过驱 动电压成正比动电压成正比动电压成正比动电压成正比，或与漏极电流或与漏极电流或与漏极电流或与漏极电流ID的平方根成正比的平方根成正比的平方根成正比的平方根成正比。 2）若漏极电流若漏极电流若漏极电流若漏极电流ID恒定恒定恒定恒定，则跨导与过驱动电压成则跨导与过驱动电压成则跨导与过驱动电压成则跨导与过

9、驱动电压成 反比反比反比反比，而与而与而与而与W/L的平方根成正比的平方根成正比的平方根成正比的平方根成正比。陈国平上海理工MOS管的交流小管的交流小管的交流小管的交流小 信号模型信号模型信号模型信号模型跨导跨导跨导跨导gm|22)(DSOXn THGSDS THGSOXnmILWCVVIVVLWCg=陈国平上海理工线性区线性区线性区线性区跨导跨导跨导跨导DSOXn GSDS mDSDSTHGSOXnDSVLWCVIgVVVVLWCI=)(2212在线性区跨导在线性区跨导在线性区跨导在线性区跨导gm和和和和VDS之间成线性关系之间成线性关系之间成线性关系之间成线性关系，VDS越小越小越小越小，

10、 MOS管的工作状态越接近深线性区管的工作状态越接近深线性区管的工作状态越接近深线性区管的工作状态越接近深线性区，跨导值就越小跨导值就越小跨导值就越小跨导值就越小。 所以所以所以所以，当我们希望栅极电压对漏极电流具有较强控制当我们希望栅极电压对漏极电流具有较强控制当我们希望栅极电压对漏极电流具有较强控制当我们希望栅极电压对漏极电流具有较强控制 作用时作用时作用时作用时，要把要把要把要把MOS管偏置在饱和区管偏置在饱和区管偏置在饱和区管偏置在饱和区。|22)(DSOXn THGSDS THGSOXnmILWCVVIVVLWCg=陈国平上海理工输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻ro把把把把MOS管栅

11、极看成信号的输入端管栅极看成信号的输入端管栅极看成信号的输入端管栅极看成信号的输入端，栅源之间的电压栅源之间的电压栅源之间的电压栅源之间的电压 VGS看成是输入电压看成是输入电压看成是输入电压看成是输入电压，它控制输出电流它控制输出电流它控制输出电流它控制输出电流IDS的大小的大小的大小的大小；把把把把 漏极看成输出端漏极看成输出端漏极看成输出端漏极看成输出端，漏源之间的电阻漏源之间的电阻漏源之间的电阻漏源之间的电阻ro就是输出电阻就是输出电阻就是输出电阻就是输出电阻。DSDS ds DSDS oVIgIVr=,VGS=常数常数常数常数陈国平上海理工饱和区饱和区饱和区饱和区：() ()()DS

12、dsDSTHGSOXnDSDSDSDS oDSTHGSOXnDSIgIVVLWCVIIVrVVVLWCI= =+1211 /112122输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻ro和沟道长度调制系数和沟道长度调制系数和沟道长度调制系数和沟道长度调制系数，漏极电流漏极电流漏极电流漏极电流IDS成反比成反比成反比成反比。陈国平上海理工背栅跨导背栅跨导背栅跨导背栅跨导（衬底跨导衬底跨导衬底跨导衬底跨导）gmbBSFmmbmmbBSFDSTHGSOXn BSDS mbVggggVVVVLWCVIg=+=|22/|22)1)(0VGS=常数常数常数常数， VDS=常数常数常数常数 =gmb/gmF是反型层的表面

13、电势是反型层的表面电势是反型层的表面电势是反型层的表面电势) |2|2(0FBSFTHTHVVV+=陈国平上海理工把把把把MOS管栅极作为输入端管栅极作为输入端管栅极作为输入端管栅极作为输入端，漏极作为输出端漏极作为输出端漏极作为输出端漏极作为输出端。这时这时这时这时 MOS可以看成一个用来放大信号的器件可以看成一个用来放大信号的器件可以看成一个用来放大信号的器件可以看成一个用来放大信号的器件。|1211|2/DSOXn DSDSOXnom mdsdsoinoutdsooutinmdsILWCIILWCrggiir vvAirvvgi=陈国平上海理工高频小信号模型高频小信号模型高频小信号模型高频小信号模型完整的完整的完整的完整的MOS管小信号模型管小信号模型管小信号模型管小信号模型陈国平上海理工小结小结小结小结 MOS管工作原理管工作原理管工作原理管工作原理 MOS管的管的管的管的V/I特性特性特性特性 大信号模型大信号模型大信号模型大信号模型 小信号模型小信号模型小信号模型小信号模型