高等模拟集成电路

《高等模拟集成电路》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、1ＣＭＯＳ模拟集成电路基础虽然模拟电路在早期主要是基于双极型电路，但随着ＣＭＯＳ工艺技术的不断发展，以及对数模混合集成电路需求的日益增长，采用与数字电路兼容的标准ＣＭＯＳ工艺实现模拟电路已成为一种必然的趋势。ＭＯＳ器件的速度逐渐提高，加之ＭＯＳ工艺本身在成本、功耗及集成度等方面的优势，随着各种更易于集成的新型电路的出现，ＣＭＯＳ电路在模拟集成电路方面显示出越来越大的发展潜力。本章从ＭＯＳ器件的基本特性及其模型入手，重点分析ＭＯＳ器件构成的ＣＭＯＳ基本放大电路、电流源电路的原理及特性，进而对模拟电路

2、的基本单元，即运算放大器电路的组成及特性，进行较深入的研究，同时对模拟电路中常用的基准电压源电路及模拟开关电路进行简要分析和介绍。本章内容是ＣＭＯＳ模拟集成电路的基础，可帮助读者较容易地进入后续各章内容的学习。1.1MOS器件基础及器件模型ＭＯＳ场效应晶体管是组成ＣＭＯＳ集成电路的基本元器件，器件的物理模型和数学模型是合理、准确地设计集成电路的基础。１．１．１结构及工作原理组成ＣＭＯＳ电路的有源器件是Ｎ沟道增强型和Ｐ沟道增强型ＭＯＳ场效应晶体管，分别简称为ＮＭＯＳ管和ＰＭＯＳ管。图１．１．１显示了

3、一个ＮＭＯＳ管的物理结构图及其电路符号。在Ｐ型衬底上有两个Ｎ型重掺杂区，称为源区和漏区。源区、漏区之间的硅表层是形成感应沟道的区域，沟道区表面覆盖一层ＳｉＯ２绝缘层，将其上方的多晶高等模拟集成电路２硅栅极与沟道隔离开来。沟道的长度和宽度分别用Ｌ和Ｗ表示。这种场效应管也叫做绝缘栅型场效应管。ＣＭＯＳ器件的制作工艺过程请参见第７章的内容。图１．１．１ＮＭＯＳ管的物理结构图及其电路符号图１．１．１所示的ＮＭＯＳ管的工作原理如下：可以看到，栅极与衬底之间通过ＳｉＯ２绝缘层构成了一个平行板电容器。当栅极与衬

4、底间存在电压时，与栅极相对的衬底表面就会产生感应电荷。考虑源极与衬底连接起来的情况，此时衬底与源极等电位。当栅源电压ＶＧＳ＞０时，Ｐ型衬底中的电子被吸引到表面，首先与表面的空穴复合，形成耗尽层；当ＶＧＳ继续增加，更多的电子聚集到表面，使得该区域内的电子成为多数载流子，表面层由Ｐ型转变为Ｎ型，也称为反型层。反型层将源区、漏区连接起来，成为导电沟道。参见图１．１．２。导电沟道开始形成时所对应的栅源电压ＶＧＳ叫做阈值电压或开启电压，记作ＶＴＨ。ＶＧＳ越大，形成的沟道越厚，沟道的电阻越小。在沟道形成之前，

5、即ＶＧＳ＜ＶＴＨ，源漏区之间没有导电通道，因此没有电流流过。当形成沟道以后，即ＶＧＳ＞ＶＴＨ，只要源漏之间的电压ＶＤＳ＞０，就会有电流从漏极通过导电沟道流向源极，形成漏极电流ＩＤ。由于从漏极沿沟道到源极会产生压降，因此沟道上的各点与栅极的电压差不再相等，沟道图１．１．２沟道的形成的厚度也就不再均匀，靠近漏极端的沟道最薄，靠近源极端的沟道最厚，如图１．１．３（ａ）所示。此时ＶＤＳ＜ＶＧＳ－ＶＴＨ，虽然沟道的形状略有变化，但当ＶＧＳ一定时，沟道电阻基本不变，漏极电流ＩＤ随ＶＤＳ线性增加，对应于图１．１

6、．４１ＣＭＯＳ模拟集成电路基础３图１．１．３ＶＤＳ对沟道的影响所示输出特性中的可变电阻区，也称为线性区（ｌｉｎｅａｒｒｅｇｉｏｎ）或三极管区（ｔｒｉｏｄｅｒｅｇｉｏｎ）。随着漏极电压的增加，漏端的沟道越来越薄。当漏端沟道的厚度减为零时，沟道夹断，此时栅极与漏极的电压ＶＧＤ＝ＶＴＨ，即ＶＤＳ＝ＶＧＳ－ＶＴＨ，如图１．１．３（ｂ）所示。沟道被夹断以后，若ＶＤＳ继续增加，即ＶＤＳ＞ＶＧＳ－ＶＴＨ，则沟道的夹断点向源极方向移动，漏极附近出现由耗尽层构成的夹断区，如图１．１．３（ｃ）所示。由于夹断点与栅极之

7、间的电压始终是ＶＴＨ，因此加在沟道上的电压也不发生变化，增加的压降全部落在夹断区上。此时的漏极电流ＩＤ应该保持不变。但随着ＶＤＳ的增加，夹断区增大，沟道的长度减小，沟道电阻略有减小，因此，漏极电流ＩＤ随ＶＤＳ的增加也略有增加。这就是沟道长度调制效应。沟道长度Ｌ越小，沟道长度调制效应越明显；Ｌ越大，恒流特性越好。该区域的输出特性对应高等模拟集成电路４于图１．１．４所示曲线的饱和区（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎ），又称为夹断区（ｐｉｎｃｈｏｆｆｒｅｇｉｏｎ）。通常称ＶＧＳ－ＶＴＨ为过驱电压（ｏｖｅ

8、ｒｄｒｉｖｅ），用ＶＯＶ表示，有时为方便起见，在电路分析过程中常用ＶＯＶ代替ＶＧＳ－ＶＴＨ。在可变电阻区，漏极电流ＩＤ与ＶＤＳ的关系表示为ＫＮＷ２ＩＤ＝［２（ＶＧＳ－ＶＴＨ）ＶＤＳ－ＶＤＳ］２Ｌ图１．１．４ＮＭＯＳ管输出特性（１．１．１）其中ＫＮ＝μｎＣｏｘ，称为ＮＭＯＳ管本征导电因子；μｎ为沟道电子迁移率；Ｃｏｘ是栅氧化层的单位面积电容；Ｗ／Ｌ是ＭＯＳ管的宽长比。从式（１．１．１）可以看出，当ＶＤＳ较小时，可不考虑二阶效应，即忽略其平方项。这时ＩＤ与ＶＤＳ近似呈线性关系，源漏之间