第七章 MOS管模拟集成电路设计基础
CMOS 模拟集成电路课件完整
VTHN VTHN0
2qsi Na Cox
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
.op .dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds) .probe
*model .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
.end
Systems
Ch13 开关电容电路
Ch14 DAC/ADC
complex Ch10 运算放大器 Ch7 频率响应
Ch11 稳定性和频 率补偿
Ch8 噪声
Ch12 比较器 Ch9 反馈
Ch3 电流源电流镜 simple Ch4 基准源 Circuits
Devices
Ch5 单级放大器 ch2 MOS器件
*Output Characteristics for NMOS M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
设计
属性/规范
系统/电路1
系统/电路2 系统/电路3
……
一般产品描述、想法 系统规范要求的定义
系统设计 电路模块规范定义
电路实现 电路仿真
否
是否满足系统规范
是 物理（版图）设计
物理（版图）验证
寄生参数提取及后仿真
否
是否满足系统规范
模拟集成电路版图设计基础
三、版图与线路图、工艺的关系
• 1、逻辑图（线路图）------版图-----工艺（流片，形成实物产品） • 2、版图决定于线路图，版图必须和线路图完全一一对应，
根据版图提出的线路图，必须完全实现需求的逻辑功能 • 3、版图受工艺的限制，要么按照特征尺寸画版图，
要么对应具体工艺的特征长度，给出每一种情况的具体数值 • 4、版图的两大任务：
4.相关设置
七、如何绘制版图
5.从原理图将器件导入版图 • 待前面基本设置完成之后便可从原理图将器件导入版图中 • 导入后版图中的器件排布位置和原理图中一致 • 有三种方法可以完成导入
七、如何绘制版图
6.连接器件（常用快捷键）
七、如何绘制版图
6.连接器件（常用快捷键）
七、如何绘制版图
7.实际操作
NMOS晶体管的3倍。 • 两种晶体管的长度看似相同，但却不同，我们很难辨别它们的差异； • 对于N阱来说，N＋区域实际上是与VDD相连接的，而电路图中没有显
示这一连接关系； • 对于衬底来说，P＋区域实际上是与VSS相连接的。而电路图中没有显
示这一连接关系。
七、如何绘制版图
1.需要的软件工具
七、如何绘制版图
光刻胶 Si3 N4
（1）对P型硅片进行氧化， 生成较 薄 的 一 层 Si3N4 ， 然 后进 行 光 刻 ， 刻出有源区后进行场氧化。
紫外线照射
掩膜版 掩膜版图形
P-Si
Si3 N4
P-Si
Si3 N4
P-Si
SiO2
集成电路工艺基础
P-Si (b)
P-Si (c)
P-Si
N＋ (d )
多晶硅 0.5 ～2m
3.1 匹配中心思想 3.2 匹配问题 3.3 如何匹配 3.4 MOS管 3.5 电阻 3.6 电容 3.7 匹配规则
mos管的电路
mos管的电路mos管是一种常用的电子器件，它在电路中起着重要的作用。
mos 管的全称是金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），它是一种可控制电流的半导体器件。
本文将介绍mos管的基本原理、结构和应用。
让我们来了解mos管的基本原理。
mos管是由金属氧化物半导体结构构成的，它主要由源极、漏极、栅极和绝缘层组成。
当栅极施加电压时，栅极电场会控制绝缘层下半导体上的电荷分布，从而控制漏极和源极之间的电流。
mos管的导通性由栅极电压决定，当栅极电压大于临界电压时，mos管导通，电流通过；当栅极电压小于临界电压时，mos管截止，电流被截断。
mos管的结构也非常重要。
它通常由n型或p型半导体基底、绝缘层和金属栅极组成。
绝缘层的材料通常是氧化硅（SiO2），它能够有效隔离栅极和基底。
金属栅极用于控制栅极电压，一般采用铝或铜等导电性好的金属。
mos管的结构紧凑，可以在集成电路中进行大规模集成，提高电路的集成度和性能。
mos管在电子领域有广泛的应用。
首先，mos管常用于模拟电路和数字电路中。
在模拟电路中，mos管可以作为电压放大器、电流源和开关等元件；在数字电路中，mos管可以实现逻辑门、触发器和存储器等功能。
其次，mos管还可用于功率放大器和开关电源等高功率应用中。
由于mos管具有低电压驱动、高开关速度和低功耗等特点，因此在电力电子领域得到了广泛的应用。
mos管还可以用于集成电路芯片中的存储单元和逻辑门电路。
通过不同的工艺和结构设计，可以实现不同功能的mos管。
例如，MOS动态随机存取存储器（DRAM）是一种常见的存储器单元，它具有高密度和快速访问速度的优势。
另外，CMOS （Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技术是一种常用的集成电路制造工艺，它利用n型和p型mos管的互补性，实现了低功耗和高可靠性的集成电路。
模拟集成电路设计教学大纲
模拟集成电路设计教学大纲目录一、课程开设目的和要求2二、教学中应注意的问题2三、课程内容及学时分配2第一章模拟电路设计绪论2第二章MOS器件物理基础2第三章单级放大器3第四章差动放大器3第五章无源与有源电流镜3第六章放大器的频率特性3第八章反馈3第九章运算放大器3高级专题3四、授课学时分配4五、实践环节安排4六、教材及参考书目5课程名称：模拟集成电路设计课程编号：055515英文名称：Analog IC design课程性质：独立设课课程属性：专业限选课应开学期：第5学期学时学分：课程总学时___48,其中实验学时一-一8。
课程总学分--3学生类别：本科生适用专业：电子科学与技术专业的学生。
先修课程：电路、模拟电子技术、半导体物理、固体物理、集成电路版图设计等课程。
一、教学目的和要求CMOS模拟集成电路设计课程是电子科学与技术专业（微电子方向）的主干课程，在教学过程中可以培养学生对在先修课程中所学到的有关知识和技能的综合运用能力和CMOS模拟集成电路分析、设计能力，掌握微电子技术人员所需的基本理论和技能，为学生进一步学习硕士有关专业课程和日后从事集成电路设计工作打下基础。
二、教学中应注意的问题1、教学过程中应强调基本概念的理解，着重注意引导和培养学生的电路分析能力和设计能力2、注重使用集成电路设计工具对电路进行分析仿真设计的训练。
3、重视学生的计算能力培养。
三、教学内容第一章模拟电路设计绪论本课程讨论模拟CMOS集成电路的分析与设计，既着重基本原理，也着重于学生需要掌握的现代工业中新的范例。
掌握研究模拟电路的重要性、研究模拟集成电路以及CMOS模拟集成电路的重要性，掌握电路设计的一般概念。
第二章MOS器件物理基础重点与难点：重点在于MOS的I/V特性以及二级效应。
难点在于小信号模型和SPICE模型。
掌握MOSFET的符号和结构，MOS的I/V特性以及二级效应，掌握MOS 器件的版图、电容、小信号模型和SPICE模型，会用这些模型分析MOS电路。
第七章-MOS管模拟集成电路设计基础
右图所示的是威尔电流 镜的改进结构。由M4构成的 有源电阻“消耗”了一个VGS， 使M2、M3的源漏电压相等。 如果M1和M2的宽长比相同， 从M1、M2的栅极到M2、M3 的源极的压差为2VGS2，如果 M2、M3相同，则M4的栅源 电压就为VGS2，使M3管的源 漏电压和M2的源漏电压相 同，都为VGS2。这样的改进 使参考支路和输出支路电流 以一个几乎不变的比例存在。
图7.3.2 NMOS威尔逊电流镜
M2在电路中相当于一个串联电阻(有源电阻)，构成电流串联负反馈。M3 的漏节点提供了M1的偏置电压，如果因为某种原因使输出电流Io增加，这个增 加了的电流同时也将导致M2的VGS2增加，使得M1的栅源电压VGS1减小，从而 使电流减小。反之，如果某种原因使Io减小，同样也会因M2的作用阻止电流变 小。正是因为M2的电流串联负反馈的作用，使Io趋于恒流，提高了交流输出电 阻。
（a）NMOS管
（b）PMOS管 图7.2.1 有源电阻
1、电流偏置电路
在模拟集成电路中，电流偏置电路的基本形式是电流
镜。所谓的电流镜是由两个
或多个并联的相关电流
支路组成，各支路的电
流依据一定的器件比例
关系而成比例。
1) NMOS基本电流镜
NMOS基本电流镜
由两个NMOS晶体管组
成，如图7.3.1所示。
图(a)，V1=VGS1，V2=VGS1+VGS2；图(b)是一个CMOS的分压器结构，它的分压原 理与NMOS并没有什么区别，它的Vo也可以用上式计算。
图6点，那就是它们的输出电 压值随着电源电压的变化将发生变化。究其原因是因为电漏电压的 波动直接转变为MOS晶体管的VGS的变化。如果电源电压的波动能够被 某个器件“消化”掉，而不对担当电压输出的VGS产生影响就可以使 输出电压不受电源电压波动的影响。
《模拟集成电路设计》教学大纲
《模拟集成电路设计》课程教学大纲一、课程基本信息1、课程编码：2、课程名称（中/英文）：模拟集成电路设计/ Design of Analog integrated Circuits3、学时/学分：56学时/3.5学分4、先修课程：电路基础、信号与系统、半导体物理与器件、微电子制造工艺5、开课单位：微电子学院6、开课学期（春/秋/春、秋）：秋7、课程类别：专业核心课程8、课程简介（中/英文）：本课程为微电子专业的必修课，专业核心课程，是集成电路设计方向最核心的专业课程之一。
本课程主要介绍典型模拟CMOS集成电路的工作原理、设计方法和设计流程、仿真分析方法，以及模拟CMOS集成电路的最新研发动态。
通过该课程的学习，将为学生今后从事集成电路设计奠定坚实的理论基础。
9、教材及教学参考书：教材：《模拟集成电路设计》，魏廷存，等编著教学参考书：1）《模拟CMOS集成电路设计》（第2版）.2）《CMOS模拟集成电路设计》二、课程教学目标本课程为微电子专业的必修课，专业核心课程，是集成电路设计方向最核心的专业课程之一。
通过该课程的学习，将为学生今后从事集成电路设计奠定坚实的理论基础。
本课程主要介绍典型模拟CMOS集成电路的工作原理、设计方法和设计流程、仿真分析方法，以及模拟CMOS模拟集成电路的最新研发动态。
主要内容有：1）模拟CMOS集成电路的发展历史及趋势、功能及应用领域、设计流程以及仿真分析方法；2）CMOS元器件的工作原理及其各种等效数学模型（低频、高频、噪声等）；3）针对典型模拟电路模块，包括电流镜、各种单级放大器、运算放大器、比较器、基准电压与电流产生电路、时钟信号产生电路、ADC与DAC电路等，重点介绍其工作原理、性能分析（直流/交流/瞬态/噪声/鲁棒性等特性分析）和仿真方法以及电路设计方法；4）介绍模拟CMOS集成电路设计领域的最新研究成果，包括低功耗、低噪声、低电压模拟CMOS集成电路设计技术。
第七章 MOS管模拟集成电路设计基础
2. 以多晶硅作为下极板的MOS电容器 以多晶硅作电容器下极板所构造的MOS电容器是无极性电
容器，如下图所示。这种电容器通常位于场区，多晶硅下极板 与衬底之间的寄生电容比较小。
（a）金属做上极板 （b）多晶硅做上极板 图7.2.3 多晶硅为下极板的MOS电容器结构
3.薄膜电容器 在某些电路中，需用较大的电容或对电容有某些特殊要求，
7.2 MOS模拟集成电路中的基本元器件
7.2.1 模拟集成电路中电阻器----无源电阻和有源电阻
1. 掺杂半导体电阻 (1)扩散电阻
所谓扩散电阻是指采用热扩散掺杂的方式构造而成的电阻。 这是最常用的电阻之一，工艺简单且兼容性好，缺点是精度稍 差。 (2)离子注入电阻
同样是掺杂工艺，由于离子注入工艺可以精确地控制掺杂 浓度和注入的深度，并且横向扩散小，因此，采用离子注入方 式形成的电阻的阻值容易控制，精度较高。
社，2004年5月（21世纪高等学校电子信息类教材）.
第七章 MOS管模拟集成电路设计基础 7.1 引言
1、采用数字系统实现模拟信号处理 现实世界中的各种信号量通常都是以模拟信号的形式出现
的，设计一个电路系统的基本要求，就是采集与实现系统功能 相关的模拟信号，按系统的功能要求对采集的信号进行处理， 并输出需要的信号（通常也是模拟量）。
1、电流偏置电路
在模拟集成电路中，电流偏置电路的基本形式是电流
镜。所谓的电流镜是由两个
或多个并联的相关电流
支路组成，各支路的电
流依据一定的器件比例
关系而成比例。
Hale Waihona Puke 1) NMOS基本电流镜NMOS基本电流镜
由两个NMOS晶体管组 成，如图7.3.1所示。
图7.3.1 NMOS基本电流镜
mos管基本电路
mos管基本电路MOS管基本电路是现代电子学中最重要的电路之一，它广泛应用于各种电子设备和系统中。
MOS管基本电路的特点是具有高速、低功耗、高稳定性、低噪声等优点，因此在数字电路、模拟电路、功率电路、通信电路等领域都有广泛应用。
本文将从MOS管基本原理、MOS管基本电路的分类及特点、MOS管基本电路设计等方面进行详细介绍。
一、MOS管基本原理MOS管是一种金属-氧化物-半导体场效应晶体管，其结构主要由金属门极、氧化物层和半导体衬底组成。
当门极施加电压时，会在氧化物层和半导体衬底之间形成一个电场，从而改变半导体中的载流子浓度，控制电流的流动。
MOS管的主要优点是具有高输入阻抗、低输出阻抗、低功耗、高速度等特点，因此在数字电路、模拟电路、功率电路、通信电路等领域都有广泛应用。
二、MOS管基本电路的分类及特点MOS管基本电路主要包括放大电路、开关电路、振荡电路、滤波电路、放大器电路等。
下面将分别介绍各类电路的特点及应用。
1、放大电路放大电路主要用于放大信号，其特点是具有高增益、低噪声、高输入阻抗和低输出阻抗。
放大电路一般分为共源极放大电路、共漏极放大电路和共基极放大电路。
其中，共源极放大电路具有高增益和低噪声的特点，适用于低噪声放大器和放大器前级；共漏极放大电路具有低输出阻抗和高输入阻抗的特点，适用于中频放大器和功率放大器；共基极放大电路具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点，适用于高频放大器和低噪声放大器。
2、开关电路开关电路主要用于控制电路的开关状态，其特点是具有高速、低功耗和高稳定性。
开关电路一般分为共源极开关电路和共漏极开关电路。
其中，共源极开关电路具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点，适用于数字电路和开关电源；共漏极开关电路具有低输入阻抗和高输出阻抗的特点，适用于功率开关电路和驱动电路。
3、振荡电路振荡电路主要用于产生稳定的信号，其特点是具有高稳定性、低噪声和高频率。
振荡电路一般分为晶体振荡器、RC振荡器和LC振荡器。
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（b）PMOS管 图7.2.1 有源电阻
1、电流偏置电路
在模拟集成电路中，电流偏置电路的基本形式是电流
镜。所谓的电流镜是由两个
或多个并联的相关电流
支路组成，各支路的电
流依据一定的器件比例
关系而成比例。
1) NMOS基本电流镜
NMOS基本电流镜
由两个NMOS晶体管组 成，如图7.3.1所示。
图6-3-9
NMOS电流镜所能提供的电流偏置通常情况下是灌电流， 即电流是流入漏极的情况。如果需要的是拉电流，则可采用 PMOS电流镜。 3) PMOS电流镜
PMOS电流镜的结构与工作原理与NMOS结构相同。下图给出 了PMOS的基本电流镜(a) 、威尔逊电流镜(b)和改进型的S威尔逊电流镜
M2在电路中相当于一个串联电阻(有源电阻)，构成电流 串联负反馈。M3的漏节点提供了M1的偏置电压，如果因为某 种原因使输出电流Io增加，这个增加了的电流同时也将导致 M2的VGS2增加，使得M1的栅源电压VGS1减小，从而使电流 减小。反之，如果某种原因使Io减小，同样也会因M2的作用 阻止电流变小。正是因为M2的电流串联负反馈的作用，使Io 趋于恒流，提高了交流输出电阻。
（1） 通用电压源
通用电压源是一些简单的电路，它按电路要求产 生直流电压，并控制相关器件的工作状态，一般没有 特殊要求。
最简单的电压源是分压电路，它的输出既可以是 单点的，也可以是多点的。在电子线路中常采用电阻 分压电路作为电压偏置的发生电路，在模拟集成电路 中则常采用有源电阻作为分压电路的基本单元。图63-15给出了全NMOS的分压器电路图(a)和CMOS的分压 器电路图(b)。
图6-3-10 PMOS电流镜
4) 参考支路电流Ir 形成参考支路的电流的基本原理很简单，只要能够形成对
电源(NMOS电流镜)或对(PMOS电流镜)的通路即可。 (1)简单的电阻负载参考支路
图6-3-11
(2)有源负载的参考支路 图6-3-12
图6-3-13
(3)自给基准电流的结构 如果在电流镜中的
在这个结构中，如果M1利M2的宽长比相同(其他的器件 参数也相同)，因为在其中流过的电流相同，则它们的VGS必 然 相 同 ， 使 M3 的 VGS3=2VGS2 ， 而 M2 的 VDS2=VGS2 。 M1 、 M2的这种VDS上的差异也将导致参考电流与输出电流的误差， 这时的参考电流将大于输出电流。如果M1的宽长比大于M2的 宽长比，根据萨氏方程，在相同的电流条件下，导电因子K 大则所需的VGS就比较小。VGS1的减小使得M3的VDS3减小， 缩小了M2和M1的VDS差别，可以使误差减小。但即使M1的宽 长比再大，也不可能使VDS3=VDS2，所以，若要消除误差必 须 在 M3 的 漏 极 上 串 接 一 个 电 阻 消 耗 掉 多 余 的 电 压 ， 使 VDS3=VDS2。
参考电流就是一个恒流 (如右图所示) 那么，
整个电路中的相关支路 电流就获得了稳定不变 的基础。
图6-3-14
右图给出了
一种自给基准电
流的结构形式。M1、 M2、M3组成了一个 两输出支路的
NMOS电流镜，M4、 M5和M6组成了两输 出 支 路 的 PMOS 电
流 镜 。 M7 、 M8 和 R 所构成的“启动”
利用稳压管构造电压偏置电路的基本结构非常简单，下 图给出了电阻和稳压管串联的电路结构和采用有源负载结构 的电路形式。
要使VGS不发生变化，对于栅漏短接的MOS管必须 满足两个条件：一是VGS不能被直接作用，二是MOS晶 体管的电流不能发生变化。
利用稳压管的输出特性同样可以得到稳定的输出 电压。稳压管的符号和伏-安特性如下图所示。
图6-3-16
在MOS模拟集成电路中的稳压管可以采用pn+结 构 和 p+n+ 结 构 制 作 ， 其 中 ， pn+ 结 构 的 稳 压 值 VZ 在 6.5~7.5V，p+n+结构的稳压值VZ在4.5V左右。从稳 压管的输出特性曲线可以看出，当电流在一定的范 围内波动时，它的输出电压变化很小。从这一点我 们又得到了一个器件的电阻特性：稳压管具有直流 电阻大于交流电阻的特性。当然，当稳压管正向运 用的时候，它就是一个普通的二极管，它的正向特 性也表现为直流电阻大于交流电阻。
图7.3.1 NMOS基本电流镜
2) NMOS威尔逊电流镜
NMOS基本电流镜因为沟道长度调制效应的作用，交 流输出电阻变小。从电路理论可知，采用电流串联负反馈也 可以提高电路的输出电阻。
威尔逊电流镜正是
这样的结构。
NMOS威尔逊电流
镜的电路如右图所示。
提高输出电阻的基本
原理是在M1的源极接 有M2而形成的电流 串联负反馈。
电路 。
图6-3-15
2、电压偏置电路
前面虽然尚未介绍电压偏置电路，但实际上在上一段已 经用到了电压偏置，例如，电流镜中VGS1和有源负载的偏置电 压VB。在这一部分将重点介绍各种电压偏置电路的设计。
在模拟集成电路中的电压偏置分为两种类型：通用电压偏 置电路和基准电压电路。通用电压偏置电路用于对电路中一些 精度要求较低的电路节点施以电压控制；基准电压电路则是作 为电压参考点对电路的某些节点施以控制。
右图所示的是威尔电流 镜的改进结构。由M4构成的 有源电阻“消耗”了一个VGS， 使M2、M3的源漏电压相等。 如果M1和M2的宽长比相同， 从M1、M2的栅极到M2、M3 的源极的压差为2VGS2，如果 M2、M3相同，则M4的栅源 电压就为VGS2，使M3管的源 漏电压和M2的源漏电压相 同，都为VGS2。这样的改进 使参考支路和输出支路电流 以一个几乎不变的比例存在。
图(a)，V1=VGS1，V2=VGS1+VGS2；图(b)是一个CMOS的分压器 结构，它的分压原理与NMOS并没有什么区别，它的Vo也可以用 上式计算。
图6-3-15
上面简单的分压电路有一个共同的缺点，那就是 它们的输出电压值随着电源电压的变化将发生变化。 究其原因是因为电漏电压的波动直接转变为MOS晶体 管的VGS的变化。如果电源电压的波动能够被某个器 件“消化”掉，而不对担当电压输出的VGS产生影响 就可以使输出电压不受电源电压波动的影响。