08_有源器件和模拟电路基础2

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1、《射频集成电路设计基础》讲义有源器件和模拟电路基础－IIßMOS管SPICE模型与等效电路ß附录®MOSFETSPICE参数ß双极型晶体管(三极管)®长沟道MOS管公式小结ß低频放大器设计与分析复习®PN结的正偏ßCMOS与Bipolar的比较ß参考文献东南大学射频与光电集成电路研究所,Oct-19,2003<<>><>↵1of32MOS管SPICE模型与等效电路•阈值电压与体效应阈值电压的组成Vth=VFB++2φfQBCox(1)–VFB，平带电压(Flat-bandvoltage)：包含克服衬底材料

2、与栅极材料的接触电位差φMS以及克服栅氧层内寄生电荷Q0(正值)所需要的栅极电压，即V=φ–()QC(2)FBMS0ox++而φ=V–V≈–0V±.56，对于n和p掺杂的多晶栅，分别有MSJ,subJ,gateFφ=(–0V–.56n+poly)MSF(3)φ=(–0V+.56p+poly)MSF–2φ，表面反型电位：出现反型层(自由电子浓度等于掺杂浓度)时衬底表面f所需达到的电位，φ=V即衬底的费米电压值fF射频集成电路设计基础>有源器件和模拟电路基础－II>MOS管SPICE模型与等效电路<<>><>

3、↵2of32–:QC表面电位为2φ时为维持耗尽层电荷所需的栅氧层压降Boxf»如果衬底接地，可以算出表面电位为2φ时衬底耗尽层深度和电荷面密度Xf（耗尽层单位面积电荷）QB2ε()2φfX=-------------------,Q==qNX2qε()2φN(4)BAfAqNA其中NA为P型半导体掺杂浓度»如果源极与衬底之间加上偏压VSB，于是QB=2qεNA()2φf+VSB(5)综合以上情况，MOS管的阈值电压表示为Vth=VFB++2φf2qεNA()2φf+VSBCox(6)如果令γ=2qεNC(

4、7)Aox射频集成电路设计基础>有源器件和模拟电路基础－II>MOS管SPICE模型与等效电路<<>><>↵3of32则Vth=VFB++2φfγ2φf+VSB，令VSB=0时的阈值电压为Vt0，则V=V++2φγ2φ(8)t0FBffVth=Vt0+γ()2φf+2VSB–φf(9)因此，VSB的变化将引起阈值电压的变化，这称为体效应。通常衬底偏压是固定的，因此VSB的变化由源极电压的变化所造成的。–衬底跨导1W忽略沟道长度调制效应，根据饱和区电流的表达式I=---µC-----()V–V2，DoxGS

5、th2LVSB通过对Vth的控制影响栅极电流的变化，可以定义衬底跨导gmb:∂IDγµCox()WL()VGS–Vthgmb==----------------------------------------------------------------------(10)∂VBS22φf+VSB进一步观察可以发现γgmb==-----------------------------⋅ηgm⋅gm(11)22φf+VSB射频集成电路设计基础>有源器件和模拟电路基础－II>MOS管SPICE模型与等效电路

6、<<>><>↵4of32gmb∂Vthγη==--------–-----------=-----------------------------(12)gm∂VBS22φf+VSB•沟道长度调制与输出电阻1W由于I=---µC-----()V–V2()1+λV，可以定义MOS管的输出电阻DoxGSthDS2L∂VDS111rO==--------------⋅-------------------------------------------------------------------------

7、≈--------(13)∂IDλ()12µCox()WL()VGS–Vth2λIDrO(或rds,gds)在模拟电路设计中是一个很重要的参数，它限制了MOS放大器所能达到的最大增益。与沟道长度λλL有关，L越小，越大，越小。在低频电路ro(如运算放大器)中，可以达到roMΩ的量级，但在亚微米(submicron)的高频电路中只有几百到几rokΩ；如果其影响非常关键，先了解不同偏置条件对其影响将非常有帮助•MOS管的小信号等效电路现在我们已经知道了MOS管的漏极电流与栅极和漏极偏置的关系，给出了小信号工作

8、时的跨导gm、衬底跨导gmb、输出电阻rO以及栅极与源漏之间、源漏与射频集成电路设计基础>有源器件和模拟电路基础－II>MOS管SPICE模型与等效电路<<>><>↵5of32衬底之间的电容Cgs,Cgd,Csb,Cdb，这些信息已经足够我们用电阻、电容和压控电流源这些线性元件来构造MOS管的小信号等效电路CgdG+DgmbvbsCgsvgsgmvgsroCgb−CdbS−vbsCsbB+虽然这里的元件个数并不太多，但电容和受