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CMOS模拟集成电路分析与设计模拟集成电路分析与设计第1页教材及参考书教材及参考书o教材：n吴建辉编著：“CMOS模拟集成电路分析与设计模拟集成电路分析与设计”(第二版第二版)，电子工业出版社。o参考书：nRazavi B:Design of analog CMOS integrated circuitsnAllen P E:CMOS Analog Circuit DesignnR.Jacob Baker:CMOS Mixed-Signal Circuit Design第2页引言引言o模拟电路与模拟集成电路模拟电路与模拟集成电路oWhy CMOS？o先进工艺下模拟集成电路挑战？先进工艺下模拟集成电路挑战？第3页半导体材料(衬底)有源器件特征第4页第一讲第一讲基本基本MOS器件物理器件物理第5页本章主要内容本章主要内容n本章是本章是CMOS模拟集成电路设计基础，主要内容为：模拟集成电路设计基础，主要内容为：1、有源器件：、有源器件：n主要从主要从MOS晶体管基本结构出发，分析其阈值电压及基本特征晶体管基本结构出发，分析其阈值电压及基本特征（输入输出特征、转移特征等）；（输入输出特征、转移特征等）；n介绍介绍MOS管寄生电容；管寄生电容；n讲解讲解MOS管主要二次效应，进而得出其低频小信号等效模型和管主要二次效应，进而得出其低频小信号等效模型和高频小信号等效模型；高频小信号等效模型；n介绍有源电阻结构与特点。介绍有源电阻结构与特点。2、无源器件：、无源器件：n模拟集成电路中惯用电阻、电容结构及其特点。模拟集成电路中惯用电阻、电容结构及其特点。3、等百分比缩小理论、等百分比缩小理论4、短沟道效应及狭沟道效应、短沟道效应及狭沟道效应5、MOS器件模型器件模型第6页1、有源器件、有源器件主要内容：主要内容：o几何结构几何结构o工作原理工作原理oMOS管寄生电容管寄生电容o电学特征电学特征oMOS管主要二次效应管主要二次效应o低频小信号等效模型低频小信号等效模型o高频小信号等效模型高频小信号等效模型o有源电阻有源电阻第7页有源器件有源器件MOS管管o结构与几何参数（结构与几何参数（1）第8页o结构与几何参数（结构与几何参数（2）：）：n在栅氧下衬底区域为器件有效工作区（即在栅氧下衬底区域为器件有效工作区（即MOS管沟道）。管沟道）。nMOS管两个有源区（管两个有源区（源区与漏区）源区与漏区）在制作时是在制作时是几何对称：几何对称：o普通依据电荷输入与输出来定义源区与漏区：普通依据电荷输入与输出来定义源区与漏区：n源端源端被定义为被定义为输出输出电荷（若为电荷（若为NMOS器件则为电子）端口；器件则为电子）端口；n而而漏端漏端则为则为搜集搜集电荷端口。电荷端口。o当该器件三端电压发生改变时，当该器件三端电压发生改变时，源区与漏区就可能改变作用而源区与漏区就可能改变作用而相互交换定义相互交换定义。n在模拟在模拟IC中还要考虑中还要考虑衬底（衬底（B）影响，衬底电位普通是经过一欧姆影响，衬底电位普通是经过一欧姆p区（区（NMOS衬底）以及衬底）以及n区区(PMOS衬底衬底)实现连接，所以在模实现连接，所以在模拟集成电路中对于拟集成电路中对于MOS晶体管而言，是一四端口器件。晶体管而言，是一四端口器件。有源器件有源器件MOS管管第9页o结构与几何参数（结构与几何参数（3）：）：n注意：在数字集成电路设计，因为源注意：在数字集成电路设计，因为源/漏区结二极管必须为反偏，漏区结二极管必须为反偏，NMOS晶体管衬底必须连接到系统最低电位，而晶体管衬底必须连接到系统最低电位，而PMOS晶体管衬底晶体管衬底（即为（即为n阱）必须连接到系统最高电位，即在数字集成电路中阱）必须连接到系统最高电位，即在数字集成电路中MOS晶体管可看成晶体管可看成三端口器件三端口器件。n对于单阱工艺而言，如对于单阱工艺而言，如n阱工艺，全部阱工艺，全部NMOS管含有相同衬底电位，管含有相同衬底电位，而对于而对于PMOS管而言能够有一个独立管而言能够有一个独立n阱，则能够接不一样阱电位，阱，则能够接不一样阱电位，即其衬底电位能够不一样。即其衬底电位能够不一样。n现在很多现在很多CMOS工艺线采取了双阱工艺，即把工艺线采取了双阱工艺，即把NMOS管与管与PMOS管都制作在各自阱内：管都制作在各自阱内：NMOS管在管在p阱内，阱内，PMOS管在管在n阱内；所阱内；所以，对于每一个以，对于每一个NMOS管与管与PMOS管都能够有各自衬底电位。管都能够有各自衬底电位。有源器件有源器件MOS管管第10页o结构与几何参数（结构与几何参数（4）：）：n沟道长度沟道长度L：o因为因为CMOS工艺自对准特点，其沟道长度定义为漏源之间栅工艺自对准特点，其沟道长度定义为漏源之间栅尺寸，普通其最小尺寸即为制造工艺中所给特征尺寸；尺寸，普通其最小尺寸即为制造工艺中所给特征尺寸；o因为在制造漏因为在制造漏/源结时会发生边缘扩散，所以源漏之间实际源结时会发生边缘扩散，所以源漏之间实际距离（称之为有效长度距离（称之为有效长度L）略小于长度）略小于长度L，则有，则有L L2d，其中，其中L是漏源之间总长度，是漏源之间总长度，d是边缘扩散长度。是边缘扩散长度。n沟道宽度沟道宽度W：垂直于沟道长度方向栅尺寸。垂直于沟道长度方向栅尺寸。n栅氧厚度栅氧厚度tox：则为栅极与衬底之间二氧化硅厚度。则为栅极与衬底之间二氧化硅厚度。有源器件有源器件MOS管管第11页oMOS管工作原理及表示符号（管工作原理及表示符号（1）：）：nMOS管可分为管可分为增强型与耗尽型增强型与耗尽型两类：两类：o增强型是指在栅源电压增强型是指在栅源电压VGS为为0时没有导电沟道，而时没有导电沟道，而必须依靠栅源电压作用，才能形成感生沟道必须依靠栅源电压作用，才能形成感生沟道MOS晶晶体管；体管；o耗尽型是指即使在栅源电压耗尽型是指即使在栅源电压VGS为为0时时MOS晶体管晶体管也存在导电沟道。也存在导电沟道。n这两类这两类MOS管基本工作原理一致，都是利用栅管基本工作原理一致，都是利用栅源电压大小来改变半导体表面感生电荷多少，源电压大小来改变半导体表面感生电荷多少，从而控制漏极电流大小从而控制漏极电流大小。有源器件有源器件MOS管管第12页oMOS管管工作原理工作原理及表示符号（及表示符号（2）：）：n当栅源电压当栅源电压VGS=0时，源区（时，源区（n型）、衬底（型）、衬底（p型）和漏区（型）和漏区（n型）型）形成两个背靠背形成两个背靠背PN结，不论结，不论VDS极性怎样，其中总有一个极性怎样，其中总有一个PN结是反结是反偏，所以源漏之间电阻主要为偏，所以源漏之间电阻主要为PN结反偏电阻，基本上无电流流过，结反偏电阻，基本上无电流流过，即漏电流即漏电流ID为为0，此时漏源之间电阻很大，没有形成导电沟道。，此时漏源之间电阻很大，没有形成导电沟道。n当栅源之间加上正向电压，则栅极和当栅源之间加上正向电压，则栅极和p型硅片之间组成了以二氧化硅型硅片之间组成了以二氧化硅为介质平板电容器，在正栅源电压作用下，介质中便产生了一个垂直为介质平板电容器，在正栅源电压作用下，介质中便产生了一个垂直于半导体表面由栅极指向于半导体表面由栅极指向p型衬底电场（因为绝缘层很薄，即使只有型衬底电场（因为绝缘层很薄，即使只有几伏栅源电压几伏栅源电压VGS，也可产生高达，也可产生高达105106V/cm数量级强电场），数量级强电场），这个电场排斥空穴而吸引电子，所以，使栅极附近这个电场排斥空穴而吸引电子，所以，使栅极附近p型衬底中空穴被型衬底中空穴被排斥，留下不能移动受主离子（负离子），形成耗尽层，同时排斥，留下不能移动受主离子（负离子），形成耗尽层，同时p型衬型衬底中少子（电子）被吸引到衬底表面。底中少子（电子）被吸引到衬底表面。有源器件有源器件MOS管管第13页oMOS管管工作原理工作原理及表示符号（及表示符号（3）：）：n当正栅源电压到达一定数值时，这些电子在栅极附近当正栅源电压到达一定数值时，这些电子在栅极附近p型硅表面便型硅表面便形成了一个形成了一个n型薄层，通常把这个在型薄层，通常把这个在p型硅表面形成型硅表面形成n型薄层称为反型薄层称为反型层，这个反型层实际上就组成了源极和漏极间型层，这个反型层实际上就组成了源极和漏极间n型导电沟道。因型导电沟道。因为它是栅源正电压感应产生，所以也称感生沟道。显然，栅源电压为它是栅源正电压感应产生，所以也称感生沟道。显然，栅源电压VGS正得愈多，则作用于半导体表面电场就愈强，吸引到正得愈多，则作用于半导体表面电场就愈强，吸引到p型硅表面型硅表面电子就愈多，感生沟道（反型层）将愈厚，沟道电阻将愈小。电子就愈多，感生沟道（反型层）将愈厚，沟道电阻将愈小。n感生沟道形成后，原来被感生沟道形成后，原来被p型衬底隔开两个型衬底隔开两个n型区（源区和漏区）型区（源区和漏区）就经过感生沟道连在一起了。所以，在正漏极电压作用下，将产生就经过感生沟道连在一起了。所以，在正漏极电压作用下，将产生漏极电流漏极电流ID。普通把在漏源电压作用下开始导电时栅源电压叫做开。普通把在漏源电压作用下开始导电时栅源电压叫做开启电压启电压Vth。n注意：注意：与双极型晶体管相比，一个与双极型晶体管相比，一个MOS器件即使在无电流流过时也器件即使在无电流流过时也可能是开通可能是开通。有源器件有源器件MOS管管第14页oMOS管管工作原理工作原理及表示符号（及表示符号（4）：）：n当当VGSVth时，外加较小时，外加较小VDS，ID将随将随VDS上升快速增大，此时为上升快速增大，此时为线性区，但因为沟道存在电位梯度，所以沟道厚度是不均匀。线性区，但因为沟道存在电位梯度，所以沟道厚度是不均匀。n当当VDS增大到一定数值（比如增大到一定数值（比如VGD=VGS，VDS=Vth），靠近漏端被），靠近漏端被夹断，夹断，VDS继续增加，将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，沟继续增加，将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，沟道被夹断后，道被夹断后，VDS上升时，其增加电压基本上加在沟道厚度为零耗上升时，其增加电压基本上加在沟道厚度为零耗尽区上，而沟道两端电压保持不变，所以尽区上，而沟道两端电压保持不变，所以ID趋于饱和而不再增加。趋于饱和而不再增加。另外，当另外，当VGS增加时，因为沟道电阻减小，饱和漏极电流会对应增增加时，因为沟道电阻减小，饱和漏极电流会对应增大。大。在模拟电路集成电路中饱和区是在模拟电路集成电路中饱和区是MOS管主要工作区管主要工作区。n若若VDS大于击穿电压大于击穿电压BVDS（二极管反向击穿电压），漏极与衬底之（二极管反向击穿电压），漏极与衬底之间间PN结发生反向击穿，结发生反向击穿，ID将急剧增加，进入雪崩区，此时漏极电将急剧增加，进入雪崩区，此时漏极电流不经过沟道，而直接由漏极流入衬底。流不经过沟道，而直接由漏极流入衬底。有源器件有源器件MOS管管第15页MOS管工作原理及管工作原理及表示符号表示符号（5）有源器件有源器件MOS管管第16页MOS管高频小信号电容管高频小信号电容oMOS管电容（管电容（1）第17页oMOS管电容（管电容（2）：）：n栅与沟道之间栅与沟道之间栅氧电容栅氧电容oC2=WLCox，其中，其中Cox为单位面积栅氧电容为单位面积栅氧电容ox/tox；n沟道沟道耗尽层电容耗尽层电容：on交叠电容交叠电容（多晶栅覆盖源漏区所形成电容，每单位宽度交叠（多晶栅覆盖源漏区所形成电容，每单位宽度交叠电容记为电容记为Col）：）：o包含栅源交叠电容包含栅源交叠电容C1WdCol与栅漏交叠电容与栅漏交叠电容C4=WdCol：因为是环状电场线，：因为是环状电场线，C1与与C4不能简单地写成不能简单地写成WdCox，需经过更复杂计算才能得到，且它值与衬底偏置相关。需经过更复杂计算才能得到，且它值与衬底偏置相关。MOS管高频小信号电容管高频小信号电容第18页oMOS管电容（管电容（3）：）：n源漏区与衬底间源漏区与衬底间结电容：结电容：Cbd、Cbso即为漏源对衬底即为漏源对衬底PN结势垒电容，这种电容普通由两部分组成：一个是结势垒电容，这种电容普通由两部分组成：一个是垂直方向（即源漏区底部与衬底间）底层电容垂直方向（即源漏区底部与衬底间）底层电容Cj，另一个是横向即源漏，另一个是横向即源漏四面与衬底间组成圆周电容四面与衬底间组成圆周电容Cjs，因为不一样三极管几何尺寸会产生不，因为不一样三极管几何尺寸会产生不一样源漏区面积和圆周尺寸值，普通分别定义一样源漏区面积和圆周尺寸值，普通分别定义Cj与与Cjs为单位面积电容为单位面积电容与单位长度电容。而每一个单位面积与单位长度电容。而每一个单位面积PN结势垒电容为：结势垒电容为：Cj0：PN结在零偏时单位底面积结电容（与衬底浓度相关）结在零偏时单位底面积结电容（与衬底浓度相关）VR：经过经过PN结反偏电压结反偏电压B：漏源区与衬底间：漏源区与衬底间PN结接触势垒差（普通取结接触势垒差（普通取0.8V）m：底面电容梯度因子，普通取介于：底面电容梯度因子，普通取介于0.3与与0.4间系数。间系数。MOS管高频小信号电容管高频小信号电容第19页oMOS管电容（管电容（4）：）：n源漏源漏总结电容总结电容可表示为：可表示为：H：源、漏区长度：源、漏区长度W：源、漏区宽度。：源、漏区宽度。n所以在总宽长比相同情况下，采取并联结构，即所以在总宽长比相同情况下，采取并联结构，即H不变，而每一管宽为原来几分之一，则由上式能够不变，而每一管宽为原来几分之一，则由上式能够发觉并联结构发觉并联结构MOS管结电容比原结构小管结电容比原结构小。MOS管高频小信号电容管高频小信号电容第20页MOS管电容随栅源电压改变管电容随栅源电压改变 第21页MOS管电容随栅源电压改变管电容随栅源电压改变截止区截止区o漏源之间不存在沟道，则有：漏源之间不存在沟道，则有：n栅源、栅漏之间电容为：栅源、栅漏之间电容为：CGD=CGS=ColW；n栅与衬底间电容为栅氧电容与耗尽区电容之间串联：栅与衬底间电容为栅氧电容与耗尽区电容之间串联：CGB=(WLCox)Cd/(WLCox+Cd)，L为沟道有效长度为沟道有效长度在截止时，耗尽区电容较大，故可忽略，所以在截止时，耗尽区电容较大，故可忽略，所以CGB=WLCox。nCSB与与CDB值相对于衬底是源漏间电压函数值相对于衬底是源漏间电压函数 第22页MOS管电容随栅源电压改变管电容随栅源电压改变饱和区饱和区 o栅漏电容大约为：栅漏电容大约为：WCol。o漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于CGS增大，增大，CGD减小，栅与沟道间电位差从源区减小，栅与沟道间电位差从源区VGS下下降到夹断点降到夹断点VGS-Vth，造成了在栅氧下沟道内垂直电，造成了在栅氧下沟道内垂直电场不一致。能够证实这种结构栅源过覆盖电容等效电场不一致。能够证实这种结构栅源过覆盖电容等效电容为：容为：2 WLCox/3o所以有：所以有：CGS=2WLCox/3+WCol 第23页MOS管电容随栅源电压改变管电容随栅源电压改变线性区线性区o漏源之间产生反型层而且沟道与衬底之间形成较厚耗漏源之间产生反型层而且沟道与衬底之间形成较厚耗尽层，产生较小耗尽层电容，此时栅极电容为：尽层，产生较小耗尽层电容，此时栅极电容为：CGD=CGS=WLCox/2+WCol o因为因为S和和D含有几乎相等电压，且栅电压改变含有几乎相等电压，且栅电压改变V就会就会使相同电荷从源区流向漏区，则其栅与沟道间电容使相同电荷从源区流向漏区，则其栅与沟道间电容WLCox等于栅源及栅漏间电容。等于栅源及栅漏间电容。第24页MOS管电容随栅源电压改变管电容随栅源电压改变总结总结o注意：注意：o在不一样区域之间转变不能由方程直接提供，只是依据趋势延伸而得在不一样区域之间转变不能由方程直接提供，只是依据趋势延伸而得。o当工作在三极管区与饱和区时，栅与衬底间电容常被忽略，这是因为反型层在当工作在三极管区与饱和区时，栅与衬底间电容常被忽略，这是因为反型层在栅与衬底间起着屏蔽作用，也就是说假如栅压发生了改变，电荷提供主要经由源栅与衬底间起着屏蔽作用，也就是说假如栅压发生了改变，电荷提供主要经由源与漏而不是衬底与漏而不是衬底。第25页MOS管电特征管电特征主要指：主要指：o阈值电压阈值电压oI/V特征特征o输入输出转移特征输入输出转移特征o跨导等电特征跨导等电特征 第26页MOS管电特征管电特征 阈值电压（阈值电压（NMOS）o在漏源电压作用下刚开始有电流产生时在漏源电压作用下刚开始有电流产生时VG为阈值电压为阈值电压Vth：MS：指多晶硅栅与硅衬底间接触电势差：指多晶硅栅与硅衬底间接触电势差称为费米势，其中称为费米势，其中q是电子电荷是电子电荷Nsub：衬底掺杂浓度：衬底掺杂浓度Qb：耗尽区电荷密度，其值为，其中：耗尽区电荷密度，其值为，其中是硅介电常数是硅介电常数Cox：单位面积栅氧电容，：单位面积栅氧电容，Qss：氧化层中单位面积正电荷：氧化层中单位面积正电荷VFB：平带电压，：平带电压，VFB 第27页MOS管电特征管电特征 阈值电压阈值电压o同理同理PMOS管阈值电压可表示为：管阈值电压可表示为：o注意：注意：n器件阈值电压主要经过改变器件阈值电压主要经过改变衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度、衬底表面浓度衬底表面浓度或或改变氧化改变氧化层中电荷密度层中电荷密度来调整，对于增强型来调整，对于增强型MOS管，适当增加衬底浓度，减管，适当增加衬底浓度，减小氧化层中正电荷即可使其阈值大于小氧化层中正电荷即可使其阈值大于0；而氧化层中正电荷较大或衬；而氧化层中正电荷较大或衬底浓度太小都可形成耗尽型底浓度太小都可形成耗尽型NMOS。n实际上，用以上方程求出实际上，用以上方程求出“内在内在”阈值在电路设计过程中可能不适用，阈值在电路设计过程中可能不适用，在实际设计过程中，常经过改变多晶与硅之间接触电势即：在实际设计过程中，常经过改变多晶与硅之间接触电势即：在沟道中在沟道中注入杂质注入杂质，或经过，或经过对多晶硅掺杂金属对多晶硅掺杂金属方法来调整阈值电压。比如：若方法来调整阈值电压。比如：若在在p型衬底中掺杂三价离子形成一层薄型衬底中掺杂三价离子形成一层薄p区，为了实现耗尽，其栅电区，为了实现耗尽，其栅电压必须提升，从而提升了阈值电压。压必须提升，从而提升了阈值电压。第28页MOS管电特征管电特征输出特征（输出特征（I/V特征）特征）oMOS晶体管输出电流电压特征经典描述是萨氏方程。晶体管输出电流电压特征经典描述是萨氏方程。o忽略二次效应忽略二次效应，对于，对于NMOS管导通时萨氏方程为：管导通时萨氏方程为：VGSVth：MOS管管“过驱动电压过驱动电压”L：指沟道有效长度：指沟道有效长度W/L称为宽长比称为宽长比，称为，称为NMOS管导电因子管导电因子oID值取决于工艺参数：值取决于工艺参数：nCox、器件尺寸、器件尺寸W和和L、VDS及及VGS。第29页MOS管电特征管电特征输出特征（输出特征（I/V特征）特征）o截止区：截止区：VGSVth，ID0；o线性区：线性区：VDSVGSVth，漏极电流即为萨氏方程。漏极电流即为萨氏方程。o深三极管区：深三极管区：VDS1是一非理想因子；是一非理想因子；ID0为特征电流：为特征电流：，m为工艺因子，所以为工艺因子，所以ID0与工艺相关；与工艺相关；而而VT称为热电压：称为热电压：。第59页亚阈值效应亚阈值效应亚阈值工作特点：亚阈值工作特点：o在亚阈值区漏极电流与栅源电压之间呈指数关系，这与在亚阈值区漏极电流与栅源电压之间呈指数关系，这与双极型晶体管相同。双极型晶体管相同。o亚阈值区跨导为：亚阈值区跨导为：因为因为1，所以，所以gmID/VT，即，即MOS管最大跨导管最大跨导比双极型晶体管（比双极型晶体管（IC/VT）小。且依据跨导定义，）小。且依据跨导定义，ID不不变而增大器件宽变而增大器件宽W能够提升跨导，但能够提升跨导，但ID保持不变条件是保持不变条件是必须降低必须降低MOS管过驱动电压。管过驱动电压。第60页亚阈值效应亚阈值效应o所以在亚阈值区域，所以在亚阈值区域，大器件宽度（存在大寄大器件宽度（存在大寄生电容）或小漏极电流生电容）或小漏极电流MOS管含有较高增管含有较高增益。益。o为了得到亚阈值区为了得到亚阈值区MOS管大跨导，其工作管大跨导，其工作速度受限（大器件尺寸引入了大寄生电容）。速度受限（大器件尺寸引入了大寄生电容）。第61页温度效应温度效应 o温度效应对温度效应对MOS管性能影响主要表示在阈值管性能影响主要表示在阈值电压电压Vth与载流子迁移率随温度改变。与载流子迁移率随温度改变。o阈值电压阈值电压Vth随温度改变：以随温度改变：以NMOS管为例，管为例，阈值电压表示式两边对温度阈值电压表示式两边对温度T求导能够得到求导能够得到第62页温度效应温度效应o上式一直为负值，即上式一直为负值，即阈值电压随温度上升而阈值电压随温度上升而下降下降。o对于对于PMOS管则管则dVth/dT总为正值，即总为正值，即阈阈值电压随温度上升而增大值电压随温度上升而增大。第63页温度效应温度效应载流子迁移率随温度改变载流子迁移率随温度改变 o试验表明，对于试验表明，对于MOS管，假如其表面电场小管，假如其表面电场小于于105V/cm，则沟道中电子与空穴有效迁，则沟道中电子与空穴有效迁移率近似为常数，并约为半导体体内迁移率移率近似为常数，并约为半导体体内迁移率二分之一。二分之一。o试验还发觉，在器件工作正常温度范围内，试验还发觉，在器件工作正常温度范围内，迁移率与温度近似成反比关系迁移率与温度近似成反比关系。第64页温度效应温度效应o漏源电流漏源电流IDS随温度改变随温度改变 o依据以上分析，温度改变会引发阈值电压与迁依据以上分析，温度改变会引发阈值电压与迁移率改变，进而影响其漏源电流。由萨氏公式移率改变，进而影响其漏源电流。由萨氏公式两边对两边对T求导得：求导得：第65页温度效应温度效应o则有：则有：o因为温度改变对阈值电压与迁移率影响恰好是反向，因为温度改变对阈值电压与迁移率影响恰好是反向，漏源电流漏源电流IDS随温度改变取决于这两项综合，所以，随温度改变取决于这两项综合，所以，MOS管电性能温度稳定性比双极型晶体管好管电性能温度稳定性比双极型晶体管好。第66页MOS管小信号模型管小信号模型第67页MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-低频低频o小信号是指对偏置影响非常小信号。小信号是指对偏置影响非常小信号。o因为在很多模拟电路中，因为在很多模拟电路中，MOS管被偏置在饱和区，管被偏置在饱和区，所以主要推导出在饱和区小信号模型。所以主要推导出在饱和区小信号模型。o在饱和区时在饱和区时MOS管漏极电流是栅源电压函数，即管漏极电流是栅源电压函数，即为一个压控电流源，电流值为为一个压控电流源，电流值为gmVGS，且因为栅，且因为栅源之间低频阻抗很高，所以可得到一个理想源之间低频阻抗很高，所以可得到一个理想MOS管小信号模型，如图所表示。管小信号模型，如图所表示。第68页MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-低频低频(a)(b)第69页MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-低频低频o其中（其中（a）为理想小信号模型。）为理想小信号模型。o实际模拟集成电路中实际模拟集成电路中MOS管存在着二阶效应，而因管存在着二阶效应，而因为沟道调制效应等效于漏源之间电阻为沟道调制效应等效于漏源之间电阻ro；而衬底偏；而衬底偏置效应则表达为背栅效应，即可用漏源之间等效压置效应则表达为背栅效应，即可用漏源之间等效压控电流源控电流源gmbVBS表示，所以表示，所以MOS管在饱和时小信管在饱和时小信号等效模型如图号等效模型如图(b)所表示。所表示。o上图所表示等效电路是最基本，依据上图所表示等效电路是最基本，依据MOS管在电路管在电路中不一样接法能够深入简化。中不一样接法能够深入简化。第70页MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-高频高频o在高频应用时，在高频应用时，MOS管分布电容就不能忽管分布电容就不能忽略。即在考虑高频交流小信号工作时必须考略。即在考虑高频交流小信号工作时必须考虑虑MOS管分布电容对电路性影响，管分布电容对电路性影响，o所以所以MOS管高频小信号等效电路能够在其管高频小信号等效电路能够在其低频小信号等效电路基础上加入低频小信号等效电路基础上加入MOS管级管级间电容实现，如图所表示。间电容实现，如图所表示。第71页MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-高频高频第72页MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-高频高频o不一样工作状态（截止、饱和、线性）时不一样工作状态（截止、饱和、线性）时MOS管分布电容值不一样，所以若进行详细管分布电容值不一样，所以若进行详细计算比较困难，但能够经过软件模拟进行分计算比较困难，但能够经过软件模拟进行分析。析。o另外，在高频电路中必须注意其工作频率受另外，在高频电路中必须注意其工作频率受MOS管最高工作频率限制（即电路工作频率管最高工作频率限制（即电路工作频率如高于如高于MOS管最高工作频率时，电路不能正管最高工作频率时，电路不能正常工作）。常工作）。第73页CMOS中有源电阻中有源电阻第74页有源电阻有源电阻 oMOS管适当连接使其工作在一定状态（饱和区或是线性区），管适当连接使其工作在一定状态（饱和区或是线性区），利用其直流电阻与交流电阻能够作为电路中电阻元件使用。利用其直流电阻与交流电阻能够作为电路中电阻元件使用。o1MOS二极管作电阻二极管作电阻 MOS二极管是指把二极管是指把MOS晶体管栅极与漏极相互短接组成晶体管栅极与漏极相互短接组成二端器件，如图所表示。二端器件，如图所表示。第75页有源电阻有源电阻o由上图可知，由上图可知，MOS二极管栅极与漏极含有同电位，二极管栅极与漏极含有同电位，MOS管总是工作在饱和区，依据饱和萨氏方程可管总是工作在饱和区，依据饱和萨氏方程可知其转移特征曲线（漏极电流栅源电压间关系曲知其转移特征曲线（漏极电流栅源电压间关系曲线）以下列图所表示。线）以下列图所表示。NMOSPMOS第76页有源电阻有源电阻(一一)直流电阻直流电阻o此时此时NMOS管直流电阻为：管直流电阻为：oPMOS管直流电阻为：管直流电阻为：o由以上两式能够发觉：由以上两式能够发觉：MOS二极管直流电阻与器件二极管直流电阻与器件尺寸相关，而且还取决于尺寸相关，而且还取决于VGS值值。第77页有源电阻有源电阻（二）交流电阻（二）交流电阻o交流电阻能够视为交流电阻能够视为MOS管输出特征曲线在管输出特征曲线在VDSVGS时斜率，对于理想情况，即忽略沟时斜率，对于理想情况，即忽略沟道调制效应时，其值为无穷大。道调制效应时，其值为无穷大。o考虑沟道调制效应时，交流电阻是一有限值，考虑沟道调制效应时，交流电阻是一有限值，但远大于在该工作点上直流电阻，且其值基但远大于在该工作点上直流电阻，且其值基本恒定。本恒定。第78页有源电阻有源电阻1）忽略衬底偏置效应）忽略衬底偏置效应o首先依据饱和萨氏方程，可得到其电压与电首先依据饱和萨氏方程，可得到其电压与电流特征：流特征：o则有：则有：o上式说明当流过三极管电流确定后，上式说明当流过三极管电流确定后，MOS管管二端压降仅与几何尺寸相关二端压降仅与几何尺寸相关。第79页有源电阻有源电阻o再依据再依据MOS二极管低频小信号模型，有：二极管低频小信号模型，有：V1V和和IV/rogmV。所以小信号工作时。所以小信号工作时MOS二极管可近似为二极管可近似为一个两端电阻，其值为：一个两端电阻，其值为：由上式能够看出：由上式能够看出：o二极管连接二极管连接MOS管交流电阻等于其跨导倒数，且为一管交流电阻等于其跨导倒数，且为一非线性电阻。非线性电阻。o但因为在模拟电路中普通交流信号幅度较小，所以，在但因为在模拟电路中普通交流信号幅度较小，所以，在直流工作点确定后，能够认为其值为一恒定值。直流工作点确定后，能够认为其值为一恒定值。第80页有源电阻有源电阻2）考虑衬底偏置效应）考虑衬底偏置效应o假如考虑体效应，以下列图（假如考虑体效应，以下列图（a）所表示，因为衬底接）所表示，因为衬底接地电位，则有：地电位，则有：V1V，VbsV，其等效电路以，其等效电路以下列图（下列图（b）所表示。）所表示。（a)(b)第81页有源电阻有源电阻o依据依据KCL定理，由上图（定理，由上图（b）能够得到：）能够得到：o所以此时等效电阻为：所以此时等效电阻为：o上式即为考虑了衬底偏置效应与沟道调制效应小信号上式即为考虑了衬底偏置效应与沟道调制效应小信号电阻，由上式可知：在考虑衬底效应后，从电阻，由上式可知：在考虑衬底效应后，从M1源端源端看其阻抗降低了。看其阻抗降低了。第82页有源电阻有源电阻2MOS管栅极接固定偏置管栅极接固定偏置o依据依据MOS管栅极所接固定偏置大小不一样，管栅极所接固定偏置大小不一样，MOS管可工作于饱和区与三极管区。管可工作于饱和区与三极管区。o在实际应用中，依据输出端不一样，又可分在实际应用中，依据输出端不一样，又可分为漏输出与源输出两类工作方式。为漏输出与源输出两类工作方式。第83页有源电阻有源电阻1）漏输出，源极交流接地）漏输出，源极交流接地oVGS是固定，当是固定，当MOS管漏源电压大于栅极过驱动管漏源电压大于栅极过驱动电压时，电压时，MOS管工作于饱和区，忽略沟道调制效管工作于饱和区，忽略沟道调制效应时，其阻值为无穷大，但实际阻值应考虑沟道调应时，其阻值为无穷大，但实际阻值应考虑沟道调制效应，可用饱和萨氏方程求出：制效应，可用饱和萨氏方程求出：第84页有源电阻有源电阻o而当漏源电压小于栅极过驱动电压时，而当漏源电压小于栅极过驱动电压时，MOS管工作于三极管区，此时等效输出管工作于三极管区，此时等效输出电阻为：电阻为：第85页有源电阻有源电阻2）源输出，漏极交流接地）源输出，漏极交流接地o此时栅源电压随输出电压改变，当此时栅源电压随输出电压改变，当MOS管工作于饱和区时，管工作于饱和区时，其输出电阻为其输出电阻为1/gm；而当；而当MOS管工作于三极管区时，其输管工作于三极管区时，其输出电阻值为：出电阻值为：式中式中gm为器件跨导，而为器件跨导，而gd则为器件导纳。且有：则为器件导纳。且有：o所以此时输出电阻值较小。所以此时输出电阻值较小。第86页有源电阻有源电阻o总之，当总之，当MOS管在电路中作有源电阻时，管在电路中作有源电阻时，普通栅接固定电位（接漏是一个特例），这普通栅接固定电位（接漏是一个特例），这时依据栅电压大小来判定时依据栅电压大小来判定MOS管工作区域管工作区域（饱和区与三极管区），另外，输出端口是（饱和区与三极管区），另外，输出端口是源端或是漏端，其展现阻抗也不一样。源端或是漏端，其展现阻抗也不一样。第87页