模拟集成电路课件 第3章CMOS器件模型.pdf

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1、第3章CMOS器件模型1.MOS晶体管简单大信号模型2.MOS晶体管小信号模型3.MOS器件模型发展进程1.MOS晶体管简单大信号模型n沟道MOS器件大信号模型的电压和电流的方向1.MOS晶体管简单大信号模型非饱和区工作在饱和区考虑沟道长度调制效应其他MOS管大信号模型的参数大信号模型还包括源/漏衬底结、源/漏欧姆电阻、各种电容和噪声。完整的大信号模型如图二极管表示源/漏与衬底pn结，为了管子能正常工作，必须反偏。在直流模型中主要为模拟泄漏电流电阻rD和rS分别表示漏极和源极的欧姆电阻。这些电阻的典型值为50—10

2、0Ώ，所以在较小漏极电流的情况下可以忽略。图中的电容可以分为三类。第一类有CBD，和CBS电容，它们与源区与衬底和漏区与衬底之间耗尽区上的反偏有关。第二类有CGD、CGS和CGB电容，它们都与栅极有关并且取决于管子的工作条件。第三类主要是寄生电容，与管子的工作条件无关。耗尽结电容是pn结上电压的函数。在高注入作用下，这个耗尽结电容被分为两个区域来计算。第一个区域的电容如下：为了更逼近耗尽电容的模型，把底面与周边分开表3．2．1给出了当氧化层厚度为140A、C=24.7x10-4F/m2MOS器ox件的CJ、CJSW、

3、MJ和MJSW的值。显然，在没有确定器件的几何尺寸之前，不知道源、漏和周边的面积就无法准确模拟耗尽结电容。但是为了进行设计，这些值可以假设。例如，可以考虑典型的源、漏区为1．8μm乘5um，于是对于V=0来说，n沟道和P沟道管BX的C值分别为12.1F和9.8F。BXC1和C3是交叠电容第三个重要的交叠电容是体和栅极的交叠而引起的。这是在沟道边缘栅极和体间产生的电容，是沟道有效长度Leff的函数。器件工作在饱和区，那么沟道将几乎伸到漏极，如果MOS器件工作在非饱和区则完全扩展到漏极。C2是栅极一沟道电容，表示如下：C4

4、是沟道一体电容，像CBS和CBD一样，它是一个随着电压变化的耗尽型电容。2.MOS晶体管小信号模型根据MOS管的直流电流－电压关系，建立了大信号模型。根据模型和公式来分析电路，可以得到电路的直流工作状态，也叫做直流工作点。那么当电路输入交流信号时，其中的MOS管又如何工作呢？这时就需要用MOS管的交流小信号模型来分析。MOS管的交流小信号分析以其直流工作点为基础，在工作点附近采用线性化方法得出模型，模型中的参数由直流工作点的电流、电压决定。同一个MOS管在不同直流工作点处得到的小信号参数是不同的。交流模型反映的

5、是MOS管对具有一定频率的信号的响应，它有别于MOS管的直流特性。直流模型和交流模型的关系如图所示。电导gbd和gbs是体一漏和体一源pn结的等效电导。因为这些结通常为反偏，因此电导非常小。定义如下：沟道电导g、g和g定义为mmbsds这些小信号模型的值取决于静态工作点所处的工作区如饱和区与vSB有关的小信号沟道跨导可以写成当源—体电位的交流值v不为零时，小信号沟道电导给SB出如下沟道电导通过λ与L有关亚阈值区•将亚阈值区的跨导公式和饱和区的跨导公式比较，我们看出，对于同一个MOS管（W/L相同），跨导gm在亚阈值

6、区和栅源电压VGS成指数关系，在饱和区和V成线性关系。GS•亚阈值区的跨导值小于饱和区的跨导值。输出电阻ro•MOS管的小信号模型中除了表示压控电流源特性的跨导gm外，还要考虑它作为一个器件具有的端口阻抗。衬底一端通常接在电路的最低（NMOS管）或最高（PMOS管）电位，对交流分析来说是接地的。或者衬底和源极相连，这时MOS可以看成一个3端口器件。因此我们只考虑MOS管栅极，源极和漏极端口之间的阻抗特性。•对于栅极－源极和栅极－漏极这两个端口而言，它们之间只存在电容，在低频下其阻抗极大，可以近似看成开路。而源极和漏极之

7、间由于存在沟道长度调制效应，电压V的变化会引起电流I的变化，可以将这一效应用一DSD个等效电阻r来表示。o•如图所示。习惯上把栅极看成信号的输入端，栅源之间的电压v看成是输入电压，它控制输出电流i的大小；gsd把漏极看成输出端，漏源之间的电阻r就是输出电阻。o（1）饱和区μCW2oxIDVGSVT1λVDS2LV111DSr0IDID/VDSμCWoxVV2IDGST2L•输出电阻r和沟道长度调制系数λ，漏极电流I成反比。oD•从MOS管的漏极输出来看，它相当于一个电流源和内阻

8、ro的并联，所以希望电阻r越大越好。那么我们需要减小λo和I的值。D•如果要减小λ，就需要增大MOS管的沟道长度L，这使得沟道面积变大，电容增加，造成MOS管的工作速度下降。•而降低电流I的同时，也降低了跨导g，因而对单独一个DmMOS管来说无法同时增大g和r。mo前面提到把MOS管栅极作为输入端，漏极作为输出端。这时MOS可以