跨导运算放大器及其Spice电路模型的构建.doc

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1、2.1CMOS模拟集成电路基本单元2.1.1MOS场效应管的基本结构绝缘栅场效应管又叫作MOS场效应管，意为金属-氧化物-半导体场效应管。图2.1为MOS场效应管的结构和电路符号。图中的N型硅衬底是杂质浓度低的N型硅薄片。在它上面再制作两个相距很近的P区，分别引为漏极和源极，而由金属铝构成的栅极则是通过二氧化硅绝缘层与N型衬底及P型区隔离。这也是绝缘栅MOS场效应管名称的由来。因为栅极与其它电极隔离，所以栅极是利用感应电荷的多少来改变导电沟道去控制漏源电流的。MOS场效应管的导电沟道由半导体表面场效应形成。栅极加有负电压，而N

2、型衬底加有正电压。由于铝栅极和N型衬底间电场的作用，使绝缘层下面的N型衬底表面的电子被排斥，而带正电的空穴被吸引到表面上来。于是在N型衬底的表面薄层形成空穴型号的P型层，称为反型层，它把漏源两极的P区连接起来，构成漏源间的导电沟道。沟道的宽窄由电场强弱控制。MOS场效应管的栅极与源极绝缘，基本不存在栅极电流，输入电阻非常高。[20,21]图2.1　MOS场效应管的结构和电路符号Fig.2.1StructureandcircuitsymbolthatMOSField-EffectTransistor场效应管有P型和N型之分。这里

3、的P型或N型，指的是导电沟道是P型还是N型，即导电沟道中是空穴导电还是电子导电。因为场效应管中只有一种载流子参加导电，所以又常称为“单极型晶体管”。P型沟道和N型沟道的MOS场效应管又各分为“耗尽型”和“增强型”两种。耗尽型指栅极电压为零时，就存在导电沟道，漏源中间有一定电流。增强型MOS场效应管，则只有在栅极电压大于零的情况下，才存在导电沟道。2.1.2MOS场效应管的模型化2.1.2.1MOS场效应管的大信号模型MOS管的大信号（直流）特性可以用它的电流方程来描述。以N沟道增强型MOS管为例，特性曲线和电流方程如图2.2所

4、示。200电阻区饱和区截止区图2.2　　特性曲线和电流方程Fig.2.2Characteristicpropertycurveandelectriccurrentequation如果栅源偏置电压大于MOS管的阈值电压，则在P型衬底的表面由于静电感应会产生大量的电子，形成导电沟道。当漏区相对于源区加一正电压时，在器件内部的沟道中就会产生电流。MOS管的工作状态可分为三个区，即电阻区（线性区）、饱和区和截止区。（1）截止区：VGSVT且VDS

5、.1)其中，W是沟道宽度，L是沟道长度，VT阈值电压，称为跨导参数，是载流子的沟道迁移率，是单位电容的栅电容。（3）饱和区：VGS>VT且VDS>VGS－VT。临界饱和条件为VDS=VGS-VT，临界饱和时的漏极电流为：(2.2)在饱和区，VDS增大时，ID几乎不变，所以上式也是饱和区的漏极电流一般公式。当考虑到沟道长度调变效应之后，饱和区的MOS管漏极电流为：(2.3)其中，λ为沟道长度调制系数，对于长度为L的MOS管，其大信号特性可近似认为λ是常数，并只取决于生产工艺，而与无关。[22,23]2.1.2.2MOS场效应管的

6、小信号模型输入信号的幅度与电源电压相比较一般很小，它在直流偏置工作点附近变化时，可以近似认为器件工作在线性区间。大信号特性可以确定器件的直流工作点，小信号特性可以用来设计器件和电路的性能。MOS管的小信号模型可以直接由直流模型得出。在大多数应用中，MOS管被偏置在饱和区工作，考虑到栅源、栅漏及漏源之间的寄生电容，MOS管的饱和区小信号模型如图2.3所示。(2.4)式中，为跨导，表征输入电压对输出电流的控制能力。对于在饱和区工作的模型参数，应用式2.2和2.4得：(2.5)其中，是漏极的直流电流。图2.3　小信号模型Fig.2.

7、3Smallsignalmodel当电路在低频工作时可以不考虑这些寄生电容的影响，此时的小信号等效电路如图2.4所示。图2.4不考虑电容影响的小信号等效电路Fig.2.4Smallsignalequivalentcircuitthatdo’tconsidercapacitanceaffects2.1.3CMOS电流镜电流镜是模拟集成电路中普遍存在的一种标准部件，在传统的电压模式运算放大器设计中，电流镜用来产生偏置电流和作为有源负载。2.1.3.1基本CMOS电流镜(a)基本NMOS电流镜（b）基本PMOS电流镜图2.5　基本C

8、MOS电流镜Fig.2.5FundamentalCMOSelectriccurrentmirror基本CMOS电流镜如图2.5所示，其中图(a)为NMOS电流镜，图(b)为PMOS电流镜。在图(a)中，M1的栅源短接，VDSI>VGS-VTI，所以Ml总工作于饱和区。只要VD