第八章模拟单元与变换电路.doc

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1、第八章模拟单元与变换电路在VLSI中的模拟集成电路单元主要用于处理连续的小信号，它要求电路的每一个组成单元必须是精确的，因此，模拟集成电路的设计较之数字逻辑的设计是比较困难的。在VLSI技术中所设计和应用的模拟集成电路应与主流技术相融合，应以MOS模拟集成电路为主要的设计对象。在本章中的模拟集成电路设计将主要讨论MOS电路技术。8.1模拟集成电路中的基本元件电阻、电容和晶体管是模拟集成电路的主要积木单元，MOS晶体管在第二章中已作了介绍，这里将主要讨论电阻和电容的设计。我们还将考虑一些分布参数对元件性能的影响。8.

2、1.1电阻电阻是基本的无源元件，在集成工艺技术中有多种设计与制造电阻的方法，根据阻值和精度的需要可以选择不同的电阻结构和形状。1.掺杂半导体电阻扩散电阻所谓扩散电阻是指采用热扩散掺杂的方式构造而成的电阻。这是最常用的电阻之一，工艺简单且兼容性好，缺点是精度稍差。制造扩散电阻的掺杂可以是工艺中的任何热扩散掺杂过程，可以掺N型杂质，也可以是P型杂质，还可以是结构性的扩散电阻，例如在两层掺杂区之间的中间掺杂层，典型的结构是N-P-N结构中的P型区，这种电阻又称为沟道电阻。当然，应该选择易于控制浓度误差的杂质层做电阻，保证

3、扩散电阻的精度。图8.1是一个扩散电阻的结构示意图。图8.1扩散电阻结构示意图离子注入电阻同样是掺杂工艺，由于离子注入工艺可以精确地控制掺杂浓度和注入的深度，并且横向扩散小，因此，采用离子注入方式形成的电阻的阻值容易控制，精度较高。离子注入的电阻结构如图8.2所示。图8.2离子注入形成的电阻结构掺杂半导体电阻的几何图形设计电阻的几何图形设计包括两个主要方面：几何形状的设计和尺寸的设计。（a）形状设计与考虑图8.1和图8.2给出的只是一个简单的电阻图形，实际的电阻图形形式是多种多样的，图8.3给出了一些常用的扩散电阻

4、的版图形式。图8.3常用的扩散电阻图形从图中可以看出有的电阻条宽，如（b）、（d）、（e）图结构，有的电阻条窄，如（a）、（b）图结构，有的是直条形状的电阻，如（a）、（b）图所示，有的是折弯形状的电阻，如（c）~（e）所示，有的是连续的扩散图形，如（a）~（d）图结构，有的是用若干直条电阻由金属条串联而成，如（e）图所示。那么，在设计中根据什么来选择电阻的形状呢？一个基本的依据是：一般电阻采用窄条结构，精度要求高的采用宽条结构；小电阻采用直条形，大电阻采用折弯形。因为在电阻的制作过程中，由于加工所引起的误差，如扩

5、散过程中的横向扩散、制版和光刻过程中的图形宽度误差等，都会使电阻的实际尺寸偏离设计尺寸，导致电阻值的误差。电阻条的宽度W越宽，相对误差的越小，反之则越大。与宽度相比，长度的相对误差则可忽略。因此，对于有精度要求的电阻，要选择合适的宽度。因为在光刻工艺加工过程中过于细长的条状图形容易引起变形，同时考虑到版图布局等因素，对于高阻值的电阻通常采用折弯形的几何图形结构。（b）电阻图形尺寸的计算根据具体电路中对电阻大小的要求，可以非常方便的进行设计，所需的参数是工艺提供的各掺杂区的方块电阻值，一旦选中了掺杂区的类型，可以依据

6、下式计算。（8.1）其中，R□是掺杂半导体薄层的方块电阻，L是电阻条的长度，W是电阻条的宽度，L/W是电阻所对应的图形的方块数。因此，只要知道掺杂区的方块电阻，然后根据所需电阻的大小计算出需要多少方块，再根据精度要求确定电阻条的宽度，就能够得到电阻条的长度。这样的计算实际上是很粗糙的，因为在计算中并没有考虑电阻的形状对实际电阻值的影响，在实际的设计中将根据具体的图形形状对计算加以修正，通常的修正包括端头修正和拐角修正。（c）端头和拐角修正因为电子总是从电阻最小的地方流动，因此，从引线孔流入的电流，绝大部分是从引线孔

7、正对着电阻条的一边流入的，从引线孔侧面和背面流入的电流极少，因此，在计算端头处的电阻值时需要引入一些修正，称之为端头修正。端头修正常采用经验数据，以端头修正因子k1表示整个端头对总电阻方块数的贡献。例如k1=0.5，表示整个端头对总电阻的贡献相当于0.5方。图8.4给出了不同电阻条宽和端头形状的修正因子经验数据，图中的虚线是端头的内边界，它的尺寸通常为几何设计规则中扩散区对孔的覆盖数值。对于大电阻L》W情况，端头对电阻的贡献可以忽略不计。对于折弯形状的电阻，通常每一直条的宽度都是相同的，在拐角处是一个正方形，但这个

8、正方形不能作为一个电阻方来计算，这是因为在拐角处的电流密度是不均匀的，靠近内角处的电流密度大，靠近外角处的电流密度小。经验数据表明，拐角对电阻的贡献只有0.5方，即拐角修正因子k2=0.5。图8.4不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子当采用图8.3中（e）图结构时，由于不存在拐角并且电阻条比较宽，所以这种结构的电阻精度比较高。但缺点是这种电阻占用的面积比较大