《CMOS模拟集成电路设计(拉扎维课件)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CMOS模拟集成电路设计(拉扎维课件)（235页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、王永生Harbin Institute of Technology Microelectronics CenterCMOSCMOS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 绪论、绪论、MOSMOS器件物理基础器件物理基础提纲2009-1-162HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生提纲提纲提纲提纲? ?1 1、绪论绪论? ?2 2、MOSMOS器件物理基础器件物理基础绪论2009-1-163HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生1 1、绪论、绪论、绪论、绪论? ?
2、先修课程：先修课程：模拟电路基础模拟电路基础、器件模型、集成电路原理器件模型、集成电路原理? ?教材：教材：模拟模拟CMOSCMOS集成电路设计，集成电路设计， 美美 毕查德毕查德. .拉扎维拉扎维 著，陈贵灿著，陈贵灿 程军程军 张瑞智张瑞智 等译，西安交通大学出版社。等译，西安交通大学出版社。? ?参考教材：参考教材：CMOSCMOS模拟电路设计（第二版）（英文版），模拟电路设计（第二版）（英文版）， 美美 Phillip E. Phillip E. Allen, Douglas R. Allen, Douglas R. HolbergHolberg 著，电子工业出版社。著，电子工业出版社
3、。模拟集成电路的分析与设计，模拟集成电路的分析与设计，Paul R. GrayPaul R. Gray， Paul Paul J. HurstJ. Hurst，Stephen H. LewisStephen H. Lewis，Robert G. MeyerRobert G. Meyer著，著， 高等教育出版社。高等教育出版社。绪论2009-1-164HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生? ?研究模拟集成电路的重要性研究模拟集成电路的重要性Eggshell Analogy of Analog IC Design (Paul Gray)? ?
4、研究研究CMOSCMOS模拟集成电路的重要性模拟集成电路的重要性绪论2009-1-165HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生SystemsCircuitsDeviceschapter3单级放大器chapter4差动放大器chapter5电流源chapter6频率特性chapter7噪声chapter8反馈chapter9运算放大器chapter10稳定性 及频率补偿chapter11带隙基准chapter12开关电容电路chapter2 MOS器件物理chapter14振荡器PLLAD/DAChapter13非线 性与不匹配simplec
5、omplexchapter1绪论MOS器件物理基础2009-1-166HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生2 2、MOSMOS器件物理基础器件物理基础器件物理基础器件物理基础? ?2.1 2.1 基本概念基本概念? ?2.1.1 MOSFET2.1.1 MOSFET的结构的结构? ?栅（栅（G: gateG: gate）、）、源（源（S: sourceS: source）、）、漏（漏（D: drainD: drain）、）、衬底（衬底（B: bulkB: bulk）（以（以n n型为例）型为例）MOS器件物理基础2009-1-167HIT
6、 MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生?MOSFET是一个四端器件是一个四端器件N阱阱?CMOS技术技术MOS器件物理基础2009-1-168HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生? ?2.1.2 MOS2.1.2 MOS符号符号MOS器件物理基础2009-1-169HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生? ?2.2 MOS2.2 MOS的的I/VI/V特性特性? ?2.2.1 2.2.1 阈值电压阈值电压 （以（以NN型型FETFET为例
7、）为例）耗尽（耗尽（b b）；）；反型开始（反型开始（c c）；）；反型（反型（d d）MOS器件物理基础2009-1-1610HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生? ?阈值电压（阈值电压（V VTHTH）定义定义NFETNFET的的V VTHTH通常定义为界面的电子浓度等于通常定义为界面的电子浓度等于P P型衬型衬 底的多子浓度时的栅压。底的多子浓度时的栅压。MSMS是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差；是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差；q q是电子电荷，是电子电荷，NNsubsub是衬底是衬底 掺杂浓度，掺杂浓度，QQdepdep是耗尽区电荷
8、，是耗尽区电荷，C Coxox是单位面积的栅是单位面积的栅 氧化层电容；氧化层电容；si si表示硅介电常数。表示硅介电常数。MOS器件物理基础2009-1-1611HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生? ?“ “本征本征” ”阈值电压阈值电压通过以上公式求得的阈值电压，通常成为通过以上公式求得的阈值电压，通常成为“ “本征本征(native)(native)” ”阈值阈值 电压，典型值为电压，典型值为- -0.1V.0.1V.在器件制造工艺中，通常通过向沟道区注入杂质来调整在器件制造工艺中，通常通过向沟道区注入杂质来调整V VTHTH对
9、于对于NMOSNMOS，通常调整到通常调整到0.7V0.7V（依工艺不同而不同）依工艺不同而不同）MOS器件物理基础2009-1-1612HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生? ?2.2.2 MOS2.2.2 MOS器件的器件的I/VI/V特性特性 NMOSNMOS? ?截止区截止区(V(VGSGS 1 1，V VT TkT/qkT/qMOS器件物理基础2009-1-1617HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生? ?2.3.4 2.3.4 电压限制电压限制? ?栅氧击穿栅氧击穿 过高
10、的过高的GSGS电压。电压。? ?“ “穿通穿通” ”效应效应 过高的过高的DSDS电压，漏极周围的耗尽层变宽，会到达源电压，漏极周围的耗尽层变宽，会到达源 区周围，产生很大的漏电流。区周围，产生很大的漏电流。MOS器件物理基础2009-1-1618HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生? ?2.4 MOS2.4 MOS器件模型器件模型? ?2.4.1 MOS2.4.1 MOS器件电容器件电容? ?栅和沟道之间的氧化层电容栅和沟道之间的氧化层电容? ?衬底和沟道之间的耗尽层电容衬底和沟道之间的耗尽层电容? ?多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容
11、多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容C C3 3，C C4 4，每单每单 位宽度交叠电容用位宽度交叠电容用C Covov表示表示? ?源源/ /漏与衬底之间的结电容漏与衬底之间的结电容C5C5，C6C6，结电容结电容Cj0是在反向电压是在反向电压VR为为0时的电容，时的电容，B是结的内建电势，是结的内建电势，m=0.30.4MOS器件物理基础2009-1-1619HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生? ?器件关断时，器件关断时，C CGDGD=C=CGSGS= =C CovovWW，C CGBGB由氧化层电容和耗尽区电容串连得到由氧化层电容和
12、耗尽区电容串连得到? ?深深三极管区时，三极管区时，V VDD V VS S，? ?饱和区时，饱和区时，在三极管区和饱和区，在三极管区和饱和区，CGB通常可以被忽略。通常可以被忽略。等效电容：等效电容：MOS器件物理基础2009-1-1620HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生? ?2.4.2 MOS2.4.2 MOS小信号模型小信号模型DTHGSIVV2)(=DI1=MOS SPICE模型2009-1-1621HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生? ?MOS SPICEMOS SP
13、ICE模型模型? ?在电路模拟（在电路模拟（simulationsimulation）中，中，SPICESPICE要求每个器件都有一要求每个器件都有一 个精确的模型。个精确的模型。? ?种类种类? ?1 1st st代：代：MOS1MOS1，MOS2MOS2，MOS3MOS3；? ?2 2ndnd代：代：BSIMBSIM，HSPICE levelHSPICE level2828，BSIM2BSIM2? ?3 3rdrd代：代：BSIM3BSIM3，MOS model9MOS model9，EKV(EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz)? ?目前工艺厂家最常提供的目前工艺厂家最
14、常提供的MOS SPICEMOS SPICE模型为模型为BSIM3v3BSIM3v3 （UC Berkeley） BSIM web site: http:/www-device.eecs.berkeley.edu/bsim3? ?仿真器：仿真器：? ?HSPICEHSPICE；SPECTRESPECTRE；PSPICEPSPICE；ELDOELDO? ?WinSPICEWinSPICE；Spice OPUSSpice OPUSFree!MOS SPICE模型2009-1-1622HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生? ?基本的基本的SPI
15、CESPICE仿真仿真时间独立性时间独立性时间独立时间独立时间（频率）依赖时间（频率）依赖线性线性小小信号，信号，R Rin in, A, Av v, R, Routout (.TF)(.TF)小信号频率频小信号频率频 率，零极点响应率，零极点响应 （.AC.AC） 非线非线 性性DCDC工作点，工作点，DCDC分析分析I IDDf(Vf(VDD, V, VGG, V, VS S, V, VB B) )(.OP, .DC)(.OP, .DC)大大信号瞬态响应信号瞬态响应 Slew RateSlew Rate （.TRAN.TRAN）线线 性性MOS SPICE模型2009-1-1623HIT
16、MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生? ?例：采样例：采样spicespice模拟模拟MOSMOS管的输出特性管的输出特性*Output Characteristics for NMOS M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0uVGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5.op .dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds) .probe*model .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.endMOS SPICE模型2009-1-1624HIT MicroelectronicsHIT Microelectronics王永生王永生? ?例：采样例：采样spicespice进行进行DCDC分析分析* DC analysis for AMP M1 2
