1、cmos模擬集成電路分析與設計模擬集成電路分析與設計 teacher：何紅松：何紅松 tele-mail：教材及參考書教材及參考書o教材：教材：n吳建輝編著：吳建輝編著：“cmos模擬集成電路分析與設模擬集成電路分析與設計計”(第二版第二版)，電子工業出版社。，電子工業出版社。o參考書：參考書：nrazavi b: design of analog cmos integrated circuitsnallen p e: cmos analog circuit designnr.jacob baker: cmos mixed-signal circuit design引

2、言引言o 模擬電路與模擬集成電路模擬電路與模擬集成電路o cmos工藝？工藝？o 先進工藝下模擬集成電路的挑戰？先進工藝下模擬集成電路的挑戰？o 課程主題與學習目標課程主題與學習目標模擬電路與模擬集成電路模擬電路與模擬集成電路模擬電路模擬電路模擬集成電路模擬集成電路晶體管數晶體管數追求最少追求最少“不限不限”匹配性匹配性一般不要求一般不要求需很好匹配需很好匹配電阻值電阻值任意值任意值10-100k電容值電容值可以很大可以很大較小較小50pf寄生效應影響寄生效應影響較小較小較大較大分立元件音頻放大電路 集成音頻放大電路半導體材料(襯底)有源器件特性iiiivvbcnalsipga ge asin

3、sn sbtlpbbihbt：heterojunction bipolar transistor 異質結雙極型晶體管doubleschottky現代主要集成電路工藝現代主要集成電路工藝性能性能cmossi bjtsige bjt器件速度器件速度高高高高高高噪聲噪聲差差好好好好跨導跨導小小大大大大本征增益本征增益小小較大較大大大采用采用cmos工藝的原因：工藝的原因：低功耗，高容量的數字集成電路驅動低功耗，高容量的數字集成電路驅動易于與高密度的數字集成電路集成（易于與高密度的數字集成電路集成（bicmos太貴）太貴）先進工藝下模擬集成電路的挑戰先進工藝下模擬集成電路的挑戰o cmos工藝的發展以

4、特征尺寸的縮小為顯著特工藝的發展以特征尺寸的縮小為顯著特征。征。o 低功耗高性能的數字電路需求是促進低功耗高性能的數字電路需求是促進cmos工工藝發展的主要動力藝發展的主要動力o 先進工藝對模擬電路存在著明顯的優勢與劣勢：先進工藝對模擬電路存在著明顯的優勢與劣勢：n 主要優勢：低功耗、高頻率主要優勢：低功耗、高頻率n 主要劣勢：低擺幅、低本征增益、工藝偏差對電路的主要劣勢：低擺幅、低本征增益、工藝偏差對電路的顯著影響、相互干擾等顯著影響、相互干擾等o 對策：數字輔助等對策：數字輔助等課程主題課程主題o mos器件物理器件物理o 單級放大器單級放大器o 電流鏡電流鏡o 差分對差分對o 放大器的頻

5、率特性放大器的頻率特性o 運算放大器與跨導放大器運算放大器與跨導放大器o 反饋、穩定性及補償反饋、穩定性及補償o 電子噪聲等電子噪聲等學習目標學習目標o 較深入理解與模擬設計相關的較深入理解與模擬設計相關的mos器件特性器件特性o 建立模擬電路設計中限制與折中的概念建立模擬電路設計中限制與折中的概念o 學會構架一座復雜器件模型學會構架一座復雜器件模型/行為與基本的手算行為與基本的手算之間的橋梁之間的橋梁o 掌握一種系統的而不是盲目（掌握一種系統的而不是盲目（spice-monkey)的設計方式的設計方式o 通過一系列手算設計工程鞏固以上知識：通過一系列手算設計工程鞏固以上知識：n典型如：運算放

6、大器設計與優化典型如：運算放大器設計與優化第一講第一講基本基本mos器件物理器件物理本章主要內容本章主要內容n本章是本章是cmos模擬集成電路設計的基礎，模擬集成電路設計的基礎，主要內容為：主要內容為：o有源器件有源器件o無源器件無源器件o等比例縮小理論等比例縮小理論o短溝道效應及狹溝道效應短溝道效應及狹溝道效應omos器件模型器件模型1、有源器件、有源器件主要內容：主要內容： 1.1 幾何結構幾何結構與與工作原理工作原理 1.2 極間電容極間電容 1.3 電學特性電學特性與與主要的二次效應主要的二次效應 1.4 低頻及低頻及高頻高頻小信號等效模型小信號等效模型 1.5 有源電阻有源電阻1.1

7、 mos管管幾何結構幾何結構與工作原理與工作原理(1)omos管是一個四端口器件管是一個四端口器件n 柵極柵極(g)：柵氧下的襯底區域為有效工作區（即：柵氧下的襯底區域為有效工作區（即mos管的溝道）。管的溝道）。n 源極源極(s)與漏極與漏極(d)：在制作時是：在制作時是幾何對稱的。幾何對稱的。o一般根據電荷的輸入與輸出來定義源區與漏區：一般根據電荷的輸入與輸出來定義源區與漏區：n 源端源端被定義為被定義為輸出輸出電荷（若為電荷（若為nmos器件則為電子）的端口；器件則為電子）的端口；n 漏端漏端則為則為收集收集電荷的端口。電荷的端口。o當該器件三端的電壓發生改變時，當該器件三端的電壓發生改

8、變時，源區與漏區就可能改變作用源區與漏區就可能改變作用而相互交換定義而相互交換定義。n 襯底襯底(b)：在模擬：在模擬ic中還要考慮中還要考慮襯底（襯底（b）的影響，襯底電位一般的影響，襯底電位一般是通過一歐姆是通過一歐姆p區（區（nmos的襯底）以及的襯底）以及n區區(pmos襯底襯底)實現實現連接的。連接的。 1.1 mos管管幾何結構幾何結構與工作原理與工作原理(2)omos管的主要幾何尺寸管的主要幾何尺寸n溝道長度溝道長度l：ocmos工藝的自對準特點，其溝道長度定義為漏源之間柵工藝的自對準特點，其溝道長度定義為漏源之間柵的尺寸，一般其最小尺寸即為制造工藝中所給的特征尺寸；的尺寸，一般

9、其最小尺寸即為制造工藝中所給的特征尺寸；o由于在制造漏由于在制造漏/源結時會發生邊緣擴散，所以源漏之間的實源結時會發生邊緣擴散，所以源漏之間的實際距離（稱之為有效長度際距離（稱之為有效長度l）略小于長度）略小于長度l，則有，則有l l2d，其中，其中l是漏源之間的總長度，是漏源之間的總長度，d是邊緣擴散的長度。是邊緣擴散的長度。n溝道寬度溝道寬度w：垂直于溝道長度方向的柵的尺寸。垂直于溝道長度方向的柵的尺寸。n柵氧厚度柵氧厚度tox：則為柵極與襯底之間的二氧化硅則為柵極與襯底之間的二氧化硅的厚度。的厚度。1.1 mos管管幾何結構幾何結構與工作原理與工作原理(3)omos管可分為管可分為增強型

10、與耗盡型增強型與耗盡型兩類：兩類：n增強型是指柵源電壓增強型是指柵源電壓vgs為為0時沒有導電溝道，時沒有導電溝道，必須依靠柵源電壓的作用，才能形成感生溝道。必須依靠柵源電壓的作用，才能形成感生溝道。n耗盡型是指即使在柵源電壓耗盡型是指即使在柵源電壓vgs為為0時也存在導時也存在導電溝道。電溝道。n這兩類這兩類mos管的基本工作原理一致，都是利用管的基本工作原理一致，都是利用柵源電壓的大小來改變半導體表面感生電荷的柵源電壓的大小來改變半導體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小多少，從而控制漏極電流的大小 。1.1 mos管管幾何結構與幾何結構與工作原理工作原理(4)o以增強型以增強型nm

11、os管為例：管為例：n 截止區：截止區：vgs=0o源區、襯底和漏區形成兩個背靠背的源區、襯底和漏區形成兩個背靠背的pn結，不管結，不管vds的極性的極性如何，其中總有一個如何，其中總有一個pn結是反偏的，此時漏源之間的電阻結是反偏的，此時漏源之間的電阻很大。很大。o沒有形成導電溝道，漏電流沒有形成導電溝道，漏電流id為為0。n 亞閾值區：亞閾值區：vth vgs01.1 mos管管幾何結構與幾何結構與工作原理工作原理(5)耗盡層耗盡層o 線性區：線性區：vgs vth且且vds vgs-vthn 形成反型層形成反型層(或稱為感生溝道或稱為感生溝道)n 感生溝道形成后，在正的漏極電壓作用下產生

12、漏極電流感生溝道形成后，在正的漏極電壓作用下產生漏極電流idn 一般把在漏源電壓作用下開始導電時的柵源電壓叫做開啟電壓一般把在漏源電壓作用下開始導電時的柵源電壓叫做開啟電壓vthn 外加較小的外加較小的vds，id將隨將隨vds上升迅速增大，此時為線性區，但由于溝上升迅速增大，此時為線性區，但由于溝道存在電位梯度，因此溝道厚度是不均勻的道存在電位梯度，因此溝道厚度是不均勻的n 注意：注意：與雙極型晶體管相比，一個與雙極型晶體管相比，一個mos器件即使在無電流流過時也可器件即使在無電流流過時也可能是開通的能是開通的。 1.1 mos管管幾何結構與幾何結構與工作原理工作原理(6)o 飽和區：飽和區

13、：vgs vth且且vds vgs-vthn 當當vds增大到一定數值（增大到一定數值（vgd=vth），靠近漏端被夾斷。），靠近漏端被夾斷。n vds繼續增加，將形成一夾斷區，且夾斷點向源極靠近，溝道被夾斷后，繼續增加，將形成一夾斷區，且夾斷點向源極靠近，溝道被夾斷后，vds上升上升時，其增加的電壓基本上加在溝道厚度為零的耗盡區上，而溝道兩端的電壓保持不時，其增加的電壓基本上加在溝道厚度為零的耗盡區上，而溝道兩端的電壓保持不變，所以變，所以id趨于飽和。趨于飽和。n 當當vgs增加時，由于溝道電阻的減小，飽和漏極電流會相應增大。增加時，由于溝道電阻的減小，飽和漏極電流會相應增大。n 在模擬電

14、路集成電路中飽和區是在模擬電路集成電路中飽和區是mos管的主要工作區管的主要工作區o 擊穿區：若擊穿區：若vds大于擊穿電壓大于擊穿電壓bvds（二極管的反向擊穿電壓），漏極與襯底（二極管的反向擊穿電壓），漏極與襯底之間的之間的pn結發生反向擊穿，結發生反向擊穿，id將急劇增加，進入雪崩區，此時漏極電流不經將急劇增加，進入雪崩區，此時漏極電流不經過溝道，而直接由漏極流入襯底。過溝道，而直接由漏極流入襯底。1.1 mos管管幾何結構與幾何結構與工作原理工作原理(7)mos管的管的表示符號表示符號1.1 mos管管幾何結構與幾何結構與工作原理工作原理(8)1.2 mos管的極間電容管的極間電容(1

15、)基于器件結構1.2 mos管的極間電容管的極間電容(2)mos管的極間電容：管的極間電容：基于電路連接o 柵與溝道之間的柵與溝道之間的柵氧電容柵氧電容：n c2=wlcox，其中，其中cox為單位面積柵氧電容為單位面積柵氧電容ox/tox；o 溝道溝道耗盡層電容耗盡層電容：n o 交疊電容交疊電容（多晶柵覆蓋源漏區所形成的電容，每單位寬度（多晶柵覆蓋源漏區所形成的電容，每單位寬度的交疊電容記為的交疊電容記為col）：）：n 柵源交疊電容柵源交疊電容c1wcoln 柵漏交疊電容柵漏交疊電容c4=wcoln 注：由于是環狀的電場線，注：由于是環狀的電場線， c1與與c4不能簡單地寫成不能簡單地寫

16、成wdcox，需通，需通過更復雜的計算才能得到，且它的值與襯底偏置有關。過更復雜的計算才能得到，且它的值與襯底偏置有關。fsubsinqwlc431.2 mos管的極間電容管的極間電容(3)o 源漏區與襯底間的源漏區與襯底間的結電容：結電容：cbd、cbsn 漏源對襯底的漏源對襯底的pn結勢壘電容結勢壘電容n 一般由兩部分組成：一般由兩部分組成：o 垂直方向（即源漏區的底部與襯底間）的底層電容垂直方向（即源漏區的底部與襯底間）的底層電容cjo 橫向即源漏的四周與襯底間構成的圓周電容橫向即源漏的四周與襯底間構成的圓周電容cjso 一般分別定義一般分別定義cj與與cjs為單位面積的電容與單位長度的

17、電容。而每一個單位面積為單位面積的電容與單位長度的電容。而每一個單位面積pn結的勢壘電容為：結的勢壘電容為： cj0：零偏時單位面積結電容（與襯底濃度有關）；：零偏時單位面積結電容（與襯底濃度有關）；vr：通過：通過pn結的反偏電壓；結的反偏電壓； b ：pn結接觸勢壘差（一般取結接觸勢壘差（一般取0.8v）；）；m：底面電容的梯度因子：底面電容的梯度因子(0.30.4)。n 源漏的源漏的總結電容總結電容可表示為：可表示為： h：源、漏區的長度；：源、漏區的長度； w：源、漏區的寬度：源、漏區的寬度n 總的寬長比相同的情況下，采用并聯結構，即總的寬長比相同的情況下，采用并聯結構，即h不變，而每

18、一管的寬為原來的幾分不變，而每一管的寬為原來的幾分之一，則并聯結構的之一，則并聯結構的mos管的結電容比原結構小管的結電容比原結構小 。mbrjjvcc101.2 mos管的極間電容管的極間電容(4)jsjbsbdchwwhcc)(,1.2 mos管的極間電容管的極間電容(5)o不同工作區的極間電容不同工作區的極間電容n截止區：截止區：漏源之間不存在溝道漏源之間不存在溝道o柵源、柵漏之間的電容為：柵源、柵漏之間的電容為： cgd=cgs=colwo柵與襯底間的電容為柵氧電容與耗盡區電容之間的串聯：柵與襯底間的電容為柵氧電容與耗盡區電容之間的串聯： cgb=(wlcox)cd/(wlcox+ c

19、d) l為溝道的有效長度為溝道的有效長度 在截止時，耗盡區電容較大，故可忽略，因此：在截止時，耗盡區電容較大，故可忽略，因此： cgb=wlcoxocsb與與cdb的值相對于襯底是源漏間電壓的函數的值相對于襯底是源漏間電壓的函數 fsubsidnqwlc41.2 mos管的極間電容管的極間電容(6)o不同工作區的極間電容不同工作區的極間電容n 飽和區飽和區o柵漏電容大約為：柵漏電容大約為：wcolo漏端夾斷，溝道長度縮短，從溝道電荷分布相當于漏端夾斷，溝道長度縮短，從溝道電荷分布相當于cgs增大，增大，cgd減小，減小，柵與溝道間的電位差從源區的柵與溝道間的電位差從源區的vgs下降到夾斷點的下

20、降到夾斷點的vgs-vth，導致了在柵，導致了在柵氧下的溝道內的垂直電場的不一致。可以證明這時柵源電容氧下的溝道內的垂直電場的不一致。可以證明這時柵源電容除了交疊電容除了交疊電容之外的電容值之外的電容值 ： 2 wlcox /3o因此有：因此有： cgs=2wlcox/3+ wcol o當當mos管工作飽和區時，柵與襯底間的電容常被忽略，這是由于反型管工作飽和區時，柵與襯底間的電容常被忽略，這是由于反型層在柵與襯底間起著屏蔽作用，也就是說如果柵壓發生了改變，導電層在柵與襯底間起著屏蔽作用，也就是說如果柵壓發生了改變，導電電荷的提供主要由源極提供而流向漏，而不是由襯底提供導電荷。電荷的提供主要由

21、源極提供而流向漏，而不是由襯底提供導電荷。1.2 mos管的極間電容管的極間電容(7)o不同工作區的極間電容不同工作區的極間電容n 線性區線性區o漏源之間產生反型層并且溝道與襯底之間形成較厚的耗盡漏源之間產生反型層并且溝道與襯底之間形成較厚的耗盡層，產生較小的耗盡層電容，此時柵極電容為：層，產生較小的耗盡層電容，此時柵極電容為：cgd = cgs = wlcox /2+ wcol o因為因為s和和d具有幾乎相等的電壓，且柵電壓變化具有幾乎相等的電壓，且柵電壓變化v就會使就會使相同的電荷從源區流向漏區，則其柵與溝道間的電容相同的電荷從源區流向漏區，則其柵與溝道間的電容wlcox等于柵源及柵漏間的

22、電容。等于柵源及柵漏間的電容。o與工作于飽和區一樣，在線性區時，柵與襯底間的電容常與工作于飽和區一樣，在線性區時，柵與襯底間的電容常被忽略。被忽略。1.2 mos管的極間電容管的極間電容(8)o注意：注意：o在不同區域之間的轉變不能由方程直接提供，只是根據趨勢延伸而得在不同區域之間的轉變不能由方程直接提供，只是根據趨勢延伸而得 。總結總結柵源、柵漏電容與vgs關系1.3 電特性與主要的二次效應電特性與主要的二次效應1.3.1 電特性電特性n 閾值電壓閾值電壓n i/v特性特性n 輸入輸出轉移特性輸入輸出轉移特性n 跨導等電特性跨導等電特性1.3.2 二次效應二次效應n mos管的襯底效應管的襯

23、底效應n 溝道調制效應溝道調制效應n 亞閾值導通亞閾值導通n 溫度效應溫度效應1.3.1 mos管的電特性管的電特性閾值電壓閾值電壓(1)ovth定義為吸引到表面的電子的數量與摻雜原子的數量相等時所對應定義為吸引到表面的電子的數量與摻雜原子的數量相等時所對應的的vgs，主要是由表面電荷控制的。，主要是由表面電荷控制的。o 閾值電壓（閾值電壓（nmos）n 在漏源電壓的作用下剛開始有電流產生時的在漏源電壓的作用下剛開始有電流產生時的vg為閾值電壓為閾值電壓vth ：ms：指多晶硅柵與硅襯底間的接觸電勢差：指多晶硅柵與硅襯底間的接觸電勢差稱為費米勢，其中稱為費米勢，其中q是電子電荷是電子電荷nsu

24、b：襯底的摻雜濃度：襯底的摻雜濃度qb：耗盡區的電荷密度，其值為，其中：耗盡區的電荷密度，其值為，其中是硅的介電常數是硅的介電常數cox：單位面積的柵氧電容，：單位面積的柵氧電容，qss：氧化層中單位面積的正電荷：氧化層中單位面積的正電荷vfb：平帶電壓，：平帶電壓，vfb fbfoxboxssv2cqcq2oxbfmsthcqv)ln()(isubfnnqktsubfsibnqq4sioxoxnoxtc/0sioxoxssmscq1.3.1 mos管的電特性管的電特性閾值電壓閾值電壓(2)o 閾值電壓閾值電壓(pmos)o 注意：注意：n 器件的閾值電壓主要通過改變器件的閾值電壓主要通過改變

25、襯底摻雜濃度襯底摻雜濃度、襯底襯底表面濃度表面濃度或或改變氧化層中的電荷密度改變氧化層中的電荷密度來調整。來調整。n 用以上方程求出的用以上方程求出的“內在內在”閾值在電路設計過程中閾值在電路設計過程中可能不適用，在實際設計過程中，常通過改變多晶可能不適用，在實際設計過程中，常通過改變多晶與硅之間的接觸電勢即：與硅之間的接觸電勢即：在溝道中注入雜質在溝道中注入雜質，或通，或通過過對多晶硅摻雜金屬對多晶硅摻雜金屬的方法來調整閾值電壓。的方法來調整閾值電壓。fbfoxboxssv2cqcq2oxbfmsthcqv1.3.1 mos管的電特性管的電特性i/v特性特性(1)o輸出特性（輸出特性（i/v

26、特性）特性）n mos晶體管的輸出電流電壓特性的經典描述是薩氏方程。晶體管的輸出電流電壓特性的經典描述是薩氏方程。n 忽略二次效應忽略二次效應，對于，對于nmos管導通時的薩氏方程為：管導通時的薩氏方程為： vgsvth：mos管的管的“過驅動電壓過驅動電壓”，記為，記為vov ；w/l稱稱為寬長比；為寬長比；l：指溝道的有效長度；：指溝道的有效長度； 稱為稱為nmos管的導電因子。管的導電因子。n id的值取決于：的值取決于：o工藝參數工藝參數ncox、器件尺寸、器件尺寸w和和l、vds及及vgs。 2gsn2)2(vk 21)(dsdsthdsdsthgsoxndvvvvvvvlwcilw

27、ckoxnn211.3.1 mos管的電特性管的電特性i/v特性特性(2)o討論：討論：n 截止區：截止區：vgsvth，id0n 線性區：線性區：vdsvgsvth，漏極電流即為薩氏方程漏極電流即為薩氏方程n 深線性區：深線性區：vds1是一非理想的因子；是一非理想的因子；id0為特征電流：為特征電流： ，m為工藝因子，因此為工藝因子，因此id0與工藝有與工藝有關；而關；而vt稱為熱電壓：稱為熱電壓： 。 exp0tgsddvvii mcioxd 210 qktvt 亞閾值效應亞閾值效應亞閾值工作特點：亞閾值工作特點：o 在亞閾值區的漏極電流與柵源電壓之間呈指在亞閾值區的漏極電流與柵源電壓之

28、間呈指數關系，這與雙極型晶體管相似。數關系，這與雙極型晶體管相似。o 亞閾值區的跨導為：亞閾值區的跨導為：o 由于由于1，所以，所以gmid/vt，即相同電流，即相同電流mos管最大跨導比雙極型晶體管（管最大跨導比雙極型晶體管（ic/vt）小。小。 tdmvig 亞閾值效應亞閾值效應o對于飽和區的對于飽和區的mos管，提高跨導增大管，提高跨導增大w而保持而保持id不變，但不變，但id保持不變的條件是保持不變的條件是降低降低vov，進而進入亞閾值工作狀態時，進而進入亞閾值工作狀態時跨導最大。跨導最大。o所以為了得到亞閾值區的所以為了得到亞閾值區的mos管的大的管的大的跨導，其工作速度受限（大的器

29、件尺寸跨導，其工作速度受限（大的器件尺寸引入了大的寄生電容）。引入了大的寄生電容）。溫度效應溫度效應 o 溫度效應對溫度效應對mos管的性能的影響主要體現管的性能的影響主要體現在閾值電壓在閾值電壓vth與載流子遷移率隨溫度的變與載流子遷移率隨溫度的變化。化。o 閾值電壓閾值電壓vth隨溫度的變化：以隨溫度的變化：以nmos管管為例，閾值電壓表達式兩邊對溫度為例，閾值電壓表達式兩邊對溫度t求導可求導可以得到：以得到：dtdcqndtddtdvffoxfsubsifth 2420 溫度效應溫度效應o上式的值小于零，即上式的值小于零，即閾值電壓隨溫閾值電壓隨溫度上升而下降度上升而下降。o對于對于pm

30、os管則管則dvth/dt總為正值，總為正值，即即閾值電壓隨溫度的上升而增大閾值電壓隨溫度的上升而增大。 qeqkttndtdqktnnqkdtdgfiisubf22311lnln0溫度效應溫度效應載流子遷移率隨溫度的變化載流子遷移率隨溫度的變化 o 實驗表明，對于實驗表明，對于mos管，如果其表面電場管，如果其表面電場小于小于105v/cm，則溝道中電子與空穴的，則溝道中電子與空穴的有效遷移率近似為常數，并約為半導體體有效遷移率近似為常數，并約為半導體體內遷移率的一半。內遷移率的一半。o 實驗還發現，在器件工作的正常溫度范圍實驗還發現，在器件工作的正常溫度范圍內，內，遷移率與溫度近似成反比關

31、系遷移率與溫度近似成反比關系。 溫度效應溫度效應o漏源電流漏源電流ids隨溫度的變化隨溫度的變化 o根據以上的分析，溫度的變化會引起根據以上的分析，溫度的變化會引起閾值電壓與遷移率的變化，進而影響閾值電壓與遷移率的變化，進而影響其漏源電流。由薩氏公式兩邊對其漏源電流。由薩氏公式兩邊對t求求導得：導得：dtdvvvidtdidtdiththgsdsnndsds)(21 溫度效應溫度效應o 則有：則有： o 由于溫度的變化對閾值電壓與遷移率的影由于溫度的變化對閾值電壓與遷移率的影響正好是反向的，漏源電流響正好是反向的，漏源電流ids隨溫度的隨溫度的變化取決于這兩項的綜合，因此，變化取決于這兩項的綜

32、合，因此，mos管的電性能的溫度穩定性比雙極型的晶體管的電性能的溫度穩定性比雙極型的晶體管好管好。)21(dtdvvvtidtdiththgsdsds mos管的小信號模型管的小信號模型mos管交流小信號模型管交流小信號模型-低頻低頻o 小信號是指對偏置的影響非常小的信號。小信號是指對偏置的影響非常小的信號。o 由于在很多模擬電路中，由于在很多模擬電路中，mos管被偏置在飽管被偏置在飽和區，所以主要推導出在飽和區的小信號模型。和區，所以主要推導出在飽和區的小信號模型。o 在飽和區時在飽和區時mos管的漏極電流是柵源電壓的管的漏極電流是柵源電壓的函數，即為一個壓控電流源，電流值為函數，即為一個壓

33、控電流源，電流值為gmvgs，且由于柵源之間的低頻阻抗很高，且由于柵源之間的低頻阻抗很高，因此可得到一個理想的因此可得到一個理想的mos管的小信號模型，管的小信號模型，如圖（如圖（a）所示。）所示。mos管交流小信號模型管交流小信號模型-低頻低頻(a) (b)mos管交流小信號模型管交流小信號模型-低頻低頻o其中（其中（a）為理想的小信號模型。）為理想的小信號模型。o實際的模擬集成電路中實際的模擬集成電路中mos管存在著二階效應，管存在著二階效應，而由于溝道調制效應等效于漏源之間的電阻而由于溝道調制效應等效于漏源之間的電阻ro；而襯底偏置效應則體現為背柵效應，即可用漏源而襯底偏置效應則體現為背

34、柵效應，即可用漏源之間的等效壓控電流源之間的等效壓控電流源gmbvbs表示，因此表示，因此mos管在飽和時的小信號等效模型如圖管在飽和時的小信號等效模型如圖 (b)所示。所示。o上圖所示的等效電路是最基本的，根據上圖所示的等效電路是最基本的，根據mos管在管在電路中不同的接法可以進一步簡化。電路中不同的接法可以進一步簡化。 mos管交流小信號模型管交流小信號模型-高頻高頻o 在高頻應用時，在高頻應用時，mos管的分布電容就不管的分布電容就不能忽略。即在考慮高頻交流小信號工作時能忽略。即在考慮高頻交流小信號工作時必須考慮必須考慮mos管的分布電容對電路性的管的分布電容對電路性的影響。影響。o 所

35、以所以mos管的高頻小信號等效電路可以管的高頻小信號等效電路可以在其低頻小信號等效電路的基礎上加入在其低頻小信號等效電路的基礎上加入mos管的級間電容實現，如圖所示。管的級間電容實現，如圖所示。mos管交流小信號模型管交流小信號模型-高頻高頻mos管交流小信號模型管交流小信號模型-高頻高頻o不同工作狀態（截止、飽和、線性）時不同工作狀態（截止、飽和、線性）時mos管的分布電容值不同，因此若進行詳管的分布電容值不同，因此若進行詳細的計算比較困難，但可以通過軟件模擬進細的計算比較困難，但可以通過軟件模擬進行分析。行分析。o另外，在高頻電路中必須注意其工作頻率受另外，在高頻電路中必須注意其工作頻率受

36、mos管的最高工作頻率的限制（即電路的管的最高工作頻率的限制（即電路的工作頻率如高于工作頻率如高于mos管的最高工作頻率時，管的最高工作頻率時，電路不能正常工作）。電路不能正常工作）。cmos中的有源電阻中的有源電阻有源電阻有源電阻 o mos管的適當連接使其工作在一定狀態（飽和區或是管的適當連接使其工作在一定狀態（飽和區或是線性區），利用其直流電阻與交流電阻可以作為電路線性區），利用其直流電阻與交流電阻可以作為電路中的電阻元件使用。中的電阻元件使用。o mos二極管作電阻二極管作電阻 nmos二極管是指把二極管是指把mos晶體管的柵極與漏極相互短接構成二晶體管的柵極與漏極相互短接構成二端器件

37、，如圖所示。端器件，如圖所示。 有源電阻有源電阻o mos二極管的柵極與漏極具有同的電位，二極管的柵極與漏極具有同的電位，mos管管總是工作在飽和區，根據飽和薩氏方程可知其轉移總是工作在飽和區，根據飽和薩氏方程可知其轉移特性曲線（漏極電流柵源電壓間的關系曲線）如特性曲線（漏極電流柵源電壓間的關系曲線）如下圖所示。下圖所示。nmospmos有源電阻有源電阻(一一) 直流電阻直流電阻o 此時此時nmos管的直流電阻為：管的直流電阻為：o pmos管的直流電阻為：管的直流電阻為：o 由以上兩式可以發現：由以上兩式可以發現：mos二極管的直流電阻與器二極管的直流電阻與器件的尺寸相關，并且還取決于件的尺

38、寸相關，并且還取決于vgs的值的值。 2)(thngsngsdgsddsonvvkvivivr 2)(thpgspgsdgsddsonvvkvivivr 有源電阻有源電阻（二）交流電阻（二）交流電阻o 交流電阻可以視為交流電阻可以視為mos管的輸出特性曲線管的輸出特性曲線在在vdsvgs時的斜率，對于理想的情況，時的斜率，對于理想的情況，即忽略溝道調制效應時，其值為無窮大。即忽略溝道調制效應時，其值為無窮大。o 考慮溝道調制效應時，交流電阻是一有限考慮溝道調制效應時，交流電阻是一有限值，但遠大于在該工作點上的直流電阻，值，但遠大于在該工作點上的直流電阻，且其值基本恒定。且其值基本恒定。有源電阻

39、有源電阻1）忽略襯底偏置效應）忽略襯底偏置效應o 首先根據飽和薩氏方程，可得到其電壓與電首先根據飽和薩氏方程，可得到其電壓與電流特性：流特性：o 則有：則有： o 上式說明當流過三極管的電流確定后，上式說明當流過三極管的電流確定后，mos管的二端壓降僅與幾何尺寸有關管的二端壓降僅與幾何尺寸有關 。2)(thgsndvvki nithdsgskvvvvd 有源電阻有源電阻o 再根據再根據mos二極管的低頻小信號模型，有：二極管的低頻小信號模型，有：v1v和和iv/rogmv。所以小信號工作時。所以小信號工作時mos二極管可近似為一個兩端電阻，其值為：二極管可近似為一個兩端電阻，其值為：o 二極管連接的二極管連接的mos管的交流電阻等于其跨導的倒管的交流電阻等于其跨導的倒數，且為一非線性電阻。數，且為一非線性電阻。o 但由于在模擬電路中交流信號幅度較小，因此，但由于在模擬電路中交流信號幅度較小，因此，在直流工作點確定后，可以認為其