高级模拟集成电路设计

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1、高级模拟集成电路设计高级模拟集成电路设计高级模拟集成电路设计高级模拟集成电路设计 (Analog Design Essentials)(Analog Design Essentials)2009年9月11日 唐长文 副教授 http:/ 复旦大学/微电子学系/射频集成电路设计研究小组版权版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-012-MOSTMOST与双极性晶体管模型的比较与双极性晶体管模型的比较与双极性晶体管模型的比较与双极性晶体管模型的比较?M

2、OS晶体管模型?双极型晶体管模型?MOS与双极型晶体管的比较Ref.: W. Sansen : Analog Design Essentials, Springer 2006复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-013-从双极型到从双极型到从双极型到从双极型到MOSMOS晶体管晶体管晶体管晶体管Ref.: Toshiba Table 1-4复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0160-栅极漏电流栅极漏电

3、流栅极漏电流栅极漏电流ox-22 G2 nm4 10 A/cmtJG2 nAI2 G5(A/cm )4.5 10 exp()6.5JL100.51.52 nm2.5310-8Lmin的单位为nm10-610-410-2100102104JG(A/cm2)Vox(V)Al/SiO2/Si0.1 COMS：m100.5 ：m2.5 nm1.0 nm1.5 nm复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0161-?MOS晶体管模型 ?线性区：MOST线性电阻和模拟开关 ?强反型区：MOST放大器 ?弱反型与强

4、反型的转换点 ?强反型与速度饱和的转换点 ?寄生电容与特征频率fT?双极型晶体管模型?MOST与双极型晶体管的比较目录目录目录目录复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0162-MOSTMOST电容电容电容电容CosCoxtCodCdbCsbCcbLMWMLeffLDn+n+VGVDVSp型衬底VB复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0163-MOSTMOST电容电容电容电容C CGSGS和和和和C C

5、GDGDGSox2 3CWLCGS2 fFCWox minoxminox ox502 fF/mLCLtGDgdoCWC=当L=Lmin时，复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0164-当当当当i idsds= = i igsgs时，时，时，时，MOSTMOST的特征频率的特征频率的特征频率的特征频率f fT Tox GSoxmGST22() 32CWCWLCgKVVKLn=m TGST2 GS13()22 2gfVVCn L=sat1 2/L v=sat 2v L3?2moxsatgWC v=gs

6、gsGSdsmgsiv Csig v=复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0165-高速设计高速设计高速设计高速设计低高L高(0.5 V)低(0.2 V)VGS -VT高速高增益决定的比率，能效比!GSTVVmDS/gI复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0166-最大特征频率最大特征频率最大特征频率最大特征频率f fT T与沟道长度与沟道长度与沟道长度与沟道长度L L的关系的关系的关系的关系10 1

7、L (micron)1001 0.1VGS-VT=0.2 V0.5 V10f (GHz)1 VfT fTsatfmTGST23()22fVVnL=sat Tsat2vfL=T m BD1ff=+BD BD oxCC处理器处理器射频电路射频电路复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0167-当VGST=0.2 V，Lmin IDSW IDS=ctIDS VGSIDS VGST=ctIDS=ct VGST W VGST=ctW VGST W=ct VGST 所有L=LminfTfTfTVGST=VGSV

8、TIDSW复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0171-jSB0 SBSBjSjDB0 DBDBjD1/1/CCVCCV=+=+MOSTMOST的的的的电容电容电容电容C CSBSB和和和和C CDBDBjSjD0.50.7 V复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0172-vgsrDSCGDCGSCGRGgmvgsRF MOSTRF MOST模型模型模型模型GGSGDCCC=+Ref.: Tin, T

9、r. CAD, April 1998, 372 Ref.: Sansen, etal, ACD, XDSL,RFMOS models, Kluwer 1999复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0173-“ “单页单页单页单页” ” MOSTMOST模型模型模型模型2 DSGSTmGSTDSE DSo DSTDSGSGSTTa 2s t()2()213 2()222I VWIKVVL WWgKVVKILLV LrrIfVLVvVnL=GST2 n2 p100 A/0.2 VV40 A/VVVKKE

10、nEp5 V/m8 V/mVV7 sat10 cm/sv复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0174-参量数目的增加参量数目的增加参量数目的增加参量数目的增加BSIM4 : http:/www-device.eecs.berkeley.edu/bsim3/bsim_ent.html Model 11 : http:/en- EKV : http:/legwww.epfl.ch/ekv/model.htmla: :BSIM1 b: :BSIM2 c: :BSIM3 version 2.0 d: :B

11、SIM3 version 3.0 e: :BSIM3 version 3.1 f: :BSIM3 version 3.2.2 g: :BSIM4 4.0.01986 1988 1990 1992 1994 1996 2000 2002 2004abcdefg20406080100120140160180200复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0175-基准测试基准测试基准测试基准测试1. 弱反型转换点的IDS和能效比gm/IDS 2. 速度饱和转换点的IDS和能效比gm/IDS 3. 在VDSs

12、at附近的输出导纳 4.VDS等于零时，电流和电容的连续性 5. 热噪声和1/f 噪声 6. 高频时的输入阻抗(s11)和跨导 (s21)复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0176-目录目录目录目录?MOS晶体管模型?双极型晶体管模型?MOS与双极型晶体管的比较复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0177-双极型晶体管双极型晶体管双极型晶体管双极型晶体管CBEhBbB bEhBEhCEhEbChEb

13、ChCbEhEChEBhBbBhIhIbIbIhCCEBhEC2dBLXEXepiXsub 型衬底型外延层型 隔离XBWBWB型外延层掩埋层掩埋层复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0178-双极型晶体管的双极型晶体管的双极型晶体管的双极型晶体管的I ICECE与与与与V VBEBE的关系的关系的关系的关系BE k /q CESeV TII=-15 S10 AI k /q26 mVT=101000当时，CE BEII=不多不少， 恰好为0.7 V0.7 V：300 Kk =复旦大学射频集成电路设计

14、研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0179-gmvberovberrB双极型晶体管双极型晶体管双极型晶体管双极型晶体管的小信号模型的小信号模型的小信号模型的小信号模型: : : :g gmm和和和和r ro oCECE m BEd dk /qiIgvT=mCE1 k /qg IT=-140 VBEBE BECEmdd ddvvriig=E o CErV I=EnEp20 V10 VVVr复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-

15、0180-双极双极双极双极型型型型晶体管晶体管晶体管晶体管的的的的电容电容电容电容C C jBEDCCC=+jBEBEjE11-/CV=jE0.7 VCD为扩散电容rCC复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0181-扩散电容扩散电容扩散电容扩散电容C CD DCECEB DFFmF BEBEd dk /qiIQC gvvT=2 B F n2WD=10200 ps基区穿越时间现在s tBaW vrCC复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯必究，版权所有，侵犯必究-0182-双极型晶体管的电容双极型晶体管的电容双极型晶体管的电容双极型晶体管的电容C C 和和和和C CCSCSjBC0 jBCjBCBCjCjCS0 CSjCSjCSCSjS1-/1/CCCCVCCCCV=+jCjS0.5 VrCC复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文版权2009，版权所有，侵犯