模拟集成电路中的基本元器件-清华大学模拟集成电路分析与设计.

模拟集成电路中的基本元器件

提要

z MOS管概述、基本工作原理、大信号特性、管概本作大信特性电容特性小信号等效模型非想效应

电容特性、小信号等效模型、非理想效应、描述MOS管性能的电路参数

z双极晶体管的大信号特性、小信号等效模

双极晶体管的大信号特性小信号等效模

型

z集成电阻器

z集成电容器

MOS 管概述、基本工作原理、大信号特

性电容特性小信号等效模型z B.Razavi,“Design of Analog CMOS 性、电容特性、小信号等效模型,g g Integrated Circuits”,§2.1、§2.2、§2.4

MOS管概述

耗尽型器件

NMOS：B接V SS

PMOS：B接V DD

MOS管概述

MOS管的基本工作原理

MOS管的基本工作原理（续）

MOS管的基本工作原理（续）

MOS管的基本工作原理（续）

MOS管的大信号特性

MOS管的电容效应C

WL

MOS管的电容效应

MOS管的常用小信号模型（饱和区）

MOS管的完整小信号模型

MOS管的非理想效应

y,y g

z P.R.Gray,“Analysis and Design of Analog Integrated Circuits”,§1.7、§1.8

v E c≈

MOS 管的电

压限制

z pn 结击穿：漏－衬底pn 结由于雪崩效应而击穿，非破坏性

z 源漏穿通：源漏极的耗尽区相连，电流逐渐增加，非破坏性

z 热载流子：由于水平或垂直电场的作用，热载流子获得足够的速度注入氧化层增加栅电流改变阈获得足够的速度注入氧化层，增加栅电流，改变阈值电压，破坏性

氧化层击穿z 氧化层击穿：垂直场，破坏性，ESD 保护

cm V cm V /107~/10666××

描述OS管性能的电路参数MOS

结果

说明

MOS 晶体管的特征频率11()i gs gd v i C C s

=+m T g C ω=1m g =v g i ≈C +2T f C C π+

()()()j j i j C C j βωωωω

===+i gs gd

特征频率仿真

结果

说明

道2z 长沟道、饱和区：m o ov g r V λ=

结果

说明

描述MOS管性能的电路参数

提要

z MOS管概述、基本工作原理、大信号特性、管概本作大信特性电容特性小信号等效模型非想效应

电容特性、小信号等效模型、非理想效应、描述MOS管性能的电路参数

z双极晶体管的大信号特性、小信号等效模型双极晶体管的大信号特性小信号等效模型z集成电阻器

z集成电容器P.R. Gray, “Analysis and

Design of Analog Integrated

D i f A l I t t d

Circuits”, §1.3、§1.4

双极晶体管概述

β

npn 管的Early 效应

I CE

C C V I ∂/

npn 管在饱和区的大信号模型=)

(on BE BE V V )

3.0~05.0(~)(V V V V V V V sat CE BC BE BE CB CE =−=+=

V BE

双极晶体管的寄生效应

集成pnp管

z水平pnp管：电流增益低，电流增益随集电极电流的升而很快下降处电流能力弱

电流的上升而很快下降，处理电流能力弱

集成pnp管

z衬底pnp管：仅限于源跟随器配置，集电极寄生电阻大

')1()('2DS t GS D k V V V W k I λ=+−=22L

BJT与MOS管的异同：小信号模型

rπ

→

∞

器件模型的选择

z手工分析和设计的目的：直观理解电路特性，设计过手工分析和设计的目的直观理解电路特性设计过程的初始化

z总原则：在保证分析结果抓住电路主要特性的前提下，器件模型越简单越好，允许手工分析结果具有10-20%的偏差

z静态工作点分析（一般情况下）

初始分析可以忽略沟道长度调制效应和衬偏调制效应（

Early效应），了解基本特性后再考虑这些二阶效应的影响

E l效应）

z小信号分析（一般情况下）

）

除非晶体管漏端（集电极）所接阻抗足够高（>100kΩ），初始分析可以忽略晶体管输出阻抗r

o