清华大学模拟集成电路分析与设计

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1、模拟集成电路分析与设计（池保勇）第二章模拟集成电路中的元器件无论多么复杂的电路，都是由一个个基本元器件搭起来的。相对于数字电路来说，模拟电路的性能与它们所用的元器件关系更密切，因此在介绍具体的电路之前，有必要介绍模拟集成电路中所用基本元器件的基本特性。本章对基本元器件的介绍，将以模拟集成电路应用为背景，让读者了解与模拟集成电路有关的基本元器件知识，但不过多涉及元器件本身的物理特性和理论推导。模拟集成电路中用到的元器件可分成三类：MOS晶体管、双极型晶体管和无源元件，因此本章分成三部分来分别介绍这些元器件的基本特性。随着CMOS工艺技术的发展和芯片集成度的提高，低

2、频模拟电路越来越广泛的使用CMOS工艺来实现，MOS晶体管是电路中使用最多的器件。但是，由于模拟电路的特殊性，双极型晶体管和电阻、电容（甚至电感）在很多模拟集成电路中也常遇到，因此，作为一个优秀的模拟集成电路设计工程师，除了很好的掌握MOS晶体管的特性之外，对双极型晶体管和各无源元件的特性也应该有所了解。2.1MOS晶体管在本部分，我们将首先介绍MOS晶体管的基本结构、电路图符号及其版图，让读者对MOS晶体管有一个基本了解；然后引入MOS晶体管的一阶I-V方程，这是本书中MOS晶体管最常采用的大信号I_V方程；接着讨论MOS晶体管在不同工作区的电容特性并给出MO

3、S晶体管的小信号等效模型；之后我们将简单讨论MOS晶体管的二阶特性，包括亚阈值导通特性、短沟效应和耐压能力，亚阈值导通特性在低功耗电路中得到广泛应用，短沟效应则在高速高频电路中有很多应用，晶体管的耐压能力直接影响着功率放大器的效率，因此是设计功率放大器必须要考虑的一个主要因素，晶体管的耐压特性也是设计静电防护电路（ESD）的基础；最后，我们将引入描述MOS晶体管性能的三个电路参数，这些电路参数之间是一一对应的，它们决定着电路的增益、速度和功耗，这些电路参数是本书后面各章介绍电路设计方法的基础。2.1.1概述勿扩散MOS晶体管是CMOS工艺提供的一种主要有源器件，

4、可分为NMOS管和PMOS管两种。图2-1给出了这两种晶体管的结构图。NMOS晶体管作在P型衬底上，P型衬底通过欧姆接触引出，形成NMOS管的体端；在P型衬底上有一层多晶硅，它形成NMOS管的栅极；多晶硅栅和自编教材试行本P型衬底之间有一层很薄的二氧化硅绝缘层（称为栅氧化层），它们形成MOS结构，使得多晶硅上的电压可以控制多晶硅栅极下面衬底的行为；在多晶硅栅两边的P型衬底中，形成了两个重掺杂的N型有源区，分别作为NMOS管的漏极和源极。与NMOS管不1同，PMOS管作在一个单独的阱中（称为N阱），该N阱通过欧姆接触引出，形成PMOS管的体端；同样，在N阱上有一层

5、多晶硅，它形成PMOS管的栅极；多晶硅栅和N阱之间有一层很薄的二氧化硅绝缘层（栅氧化层），它们形成MOS结构，使得多晶硅上的电压可以控制多晶硅栅极下面N阱的行为；在多晶硅栅两边的N阱中，形成了两个重掺杂的P型有源区，分别作为PMOS管的漏极和源极。需要注意的是，MOS管的源极和漏极在物理特性上是对称的，仅当它们在电学上连接起来时，根据晶体管的电学特性才能将它们区分开，1本书中如果没有特别指明，均假设所采用的CMOS工艺为N阱工艺，这是现在芯片制造厂家最常采用的工艺。但可能有一些芯片制造厂家会采用P阱工艺或双阱工艺，P阱工艺中PMOS位于N型衬底中，NMOS位于单

6、独的P阱中，而双阱工艺中PMOS管和NMOS管都位于单独的阱中。这两种特殊工艺下晶体管的其它特性同N阱工艺下的晶体管特性类似。模拟集成电路分析与设计（池保勇）对NMOS管来说，通常将电势高的有源区作为漏极，电势低的有源区作为源极，而对于PMOS管来说，通常将电势高的有源区称为源极，电势低的有源区称为漏极。图2-1MOS晶体管的结构图由图2-1可以看到，所有NMOS管的体端都共用P型衬底，P型衬底会和其它结构形成PN结，为了不影响晶体管的电学特性，要求P型衬底与其它结构形成的PN结是反偏的，因此NMOS管的体端通常接电路中的最低电位。而PMOS管则与NMOS管不同

7、，每一个PMOS管可作在一个单独的N阱中，因此所有PMOS管的体端电位并不一定要相同，但体端电位要保证N阱与PMOS管的两个有源区形成的PN结反偏，最简单的接法是将PMOS管的体端接电路中的最高电位。可以看到，MOS管是一个四端器件：栅极、源极、漏极和体端，在本书中，采用如图2-2所示的电路图符号来表示NMOS管和PMOS管。在实际应用中，由于NMOS管的体端通常接电路中的最低电位，而PMOS管的体端通常接电路中的最高电位，因此常将晶体管的电路图符号简化为如图2-3所示的形式。需要注意的是，图2-3表示的晶体管虽然只画出了三端，但它实际上是一个四端器件，该种电路

8、图符号隐含着NMOS管的