CMOS模拟集成电路设计_ch2器件物理
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
CMOS模拟集成电路设计_ch1_2
例：采样spice进行AC分析 例：采样spice进行AC分析
* AC analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K CL 2 0 5p Vdd 4 0 DC 5.0 Vin 1 0 DC 1.07 AC 1.0 .op .ac DEC 20 100 100MEG .plot ac VDB(2) VP(2) .probe *model .MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7 .MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8 .end
研究模拟集成电路的重要性
Eggshell Analogy of Analog IC Design (Paul Gray)
研究CMOS模拟集成电路的重要性 研究CMOS模拟集成电路的重要性
AD/DA chapter12开关电容电路 Systems chapter9运算放大器 complex chapter6频率特性
2.2.2 MOS器件的I/V特性 MOS器件的I/V特性 NMOS
截止区(V 截止区(VGS<VTH) 三极管区（线性区）（V 三极管区（线性区）（VDS<VGS-VTH）
饱和区（V 饱和区（VDS≥VGS-VT 截止区 三极管区（线性区） 饱和区
2.3 二级效应
当沟道夹断后，当VDS增大时，沟道长度逐渐减小， 当沟道夹断后，当VDS增大时，沟道长度逐渐减小， 即有效沟道长度L 即有效沟道长度L’是VDS的函数。 定义L =L-∆L， 定义L’=L-∆L， ∆L/L=λVDS
CMOS模拟集成电路设计
CMOS模拟集成电路设计CMOS模拟集成电路是一种基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术实现的集成电路，主要用于设计和制造各种模拟电路，如运放、滤波器、振荡器、功率放大器等。
本文将介绍CMOS模拟集成电路设计的原理、方法和相关技术。
CMOS模拟集成电路的设计原理是基于CMOS技术中的n型和p型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS和PMOS)。
这两种晶体管互补工作在导通和截止之间，通过改变栅极电压来控制电流的流动。
此外，CMOS技术还使用了源沟道结构和金属氧化物半导体(MOS)的结构特性，以提供可靠的电流和电压增益。
CMOS模拟集成电路设计的方法涉及到几个关键的步骤。
首先，设计师需要进行电路架构设计，确定电路所需的功能和性能指标。
然后，根据电路的需求，设计师需要选择和设计适当的基本电路单元，如差分放大器、共源共极放大器等。
接下来，设计师需要利用各种仿真工具对电路进行模拟和验证，以确保电路的稳定性和可靠性。
最后，设计师需要进行版图设计和布线，生成最终的集成电路布局。
在CMOS模拟集成电路设计过程中，设计师需要考虑到多种因素。
首先，设计师需要选择适当的工艺和器件参数，以满足电路性能和功率需求。
其次，设计师需要进行功耗和噪声分析，以优化电路的能耗和信号质量。
此外，设计师还需要考虑温度和工作条件下电路的性能稳定性。
CMOS模拟集成电路设计中的一项重要任务是电路的性能评估和优化。
设计师可以使用各种技术和工具来提高电路的性能，如电流镜设计、电源抑制技术、反相器结构优化等。
此外，设计师还可以通过器件和工艺的改进来提高电路的性能。
总结起来，CMOS模拟集成电路设计是一项复杂的任务，需要设计师具备深厚的电路和器件知识，以及熟练的仿真和设计工具的使用。
通过深入理解电路原理和方法，设计师可以设计出高性能和可靠的模拟集成电路。
在未来，随着CMOS技术的不断发展和改进，CMOS模拟集成电路将在各种应用领域发挥越来越重要的作用。
模拟CMOS集成电路设计 第1章 模拟集成电路设计绪论
模拟设计困难的原因是什么？
E. 模拟电路许多效应的建模和仿真仍然存在问题 ，模拟设计需要设计者利用经验和直觉来分析 仿真结果。 F. 现代集成电路制造的主流技术是为数字电路开 发的，它不易被模拟电路设计所利用（如特征 尺寸减小导致器件迁移率下降、沟道调制效应 增大；电源电压的下降使以前的一些电路设计 技术受到限制等），为了设计高性能的模拟电 路，需不停开发新的电路和结构。
A. 模拟设计涉及到在速度、功耗、增益、精度、电 源电压等多种因素间进行折衷，而数字电路只需 在速度和功耗之间折衷。 B. 模拟电路对噪声、串扰和其它干扰比数字电路要 敏感得多。 C. 器件的二级效应对模拟电路的影响比数字电路要 严重得多。
模拟设计困难的原因是什么（1） ？
D. 高性能模拟电路的设计很少能自动完成，而许多 数字电路都是自动综合和布局的。
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 9
光接收机
转换为一个小电流 高速电流处理器
激光二极管
光敏二极管
光纤系统
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 10
传感器
(a) 简单的加速度表
(b) 差动加速度表
汽车触发气囊的加速度检测原理图
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 11
为什么要学模拟CMOS集成电路设计？
组合二进制数据 DAC
传送端
多电平信号
ADC
接收端
确定所传送电平
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 7
磁盘驱动电子学的数据
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 8
无线接受机
无线接收天线接收到的信号(幅度只有几微伏)和噪声频谱
接收机放大低电平信号时必须具有极小噪 声、工作在高频并能抑制大的有害成分。
CMOS模拟集成电路设计课程设计
CMOS模拟集成电路设计课程设计概述本设计以CMOS工艺为基础，要求完成一个简单的模拟集成电路的设计。
本课程旨在让同学们获得实践经验，强化相关知识的掌握程度，提高实验能力。
本设计的主要内容包括：基本电路设计、实验测试以及技术文献综述。
设计目标设计一个可靠、高性能且低功耗的CMOS模拟电路。
本设计中，将以一款CMOS 芯片为基础，使用新一代技术来实现其设计方案。
该方案应考虑到多个设计要素，如速度、功耗、面积、噪声等等。
设计过程基本电路设计本设计中的基本电路为一个基本差分放大器电路，该电路的特点是它可以将平衡的差分信号转换成单端输出信号。
差分放大器有以下几个优点：•高CMRR值•提高电压增益•减少同相信号噪声此外，差分放大器也具有以下几个劣势：•增加了复杂度•增加了功耗•增加了芯片面积实验测试完成差分放大器电路设计后，应进行实验测试以验证其性能。
在本设计中需要进行以下测试：•静态电流测试•差分输入电压放大测试•CMRR测试•带宽测试技术文献综述在本设计的最后阶段，应完成技术文献综述。
在这一部分，学生需要在IEEE、ACM、IEEEXPLORE等学术平台中寻找与本设计相关的学术论文，并对其内容进行概述、分析和讨论，以进一步理解CMOS模拟集成电路设计的核心原理。
结论本设计可以让学生获得机会与机器设计专业知识方面的知识和技能，同时将其与实际工程实践相结合。
本设计可用于培养学生的分析、协作以及研究技能，以满足我们日益增长的需求。
对于这些方面的学习，不仅可以从学术上获得好处，还可以为实际工程做好准备，开发出更优秀的产品。
模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第2章MOS器件物理基础
电流近似只 于W/L和VGS 有关， 不随 VDS变化
22
I/V特性—当VDS>VGS-VTH时
用作电流源或电流沉（current sink）
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
23
I/V特性—PMOS管
定义从D流 向S为正
PMOS管电流驱动能力比NMOS管差 0.8 m nwell：p=250cm2/V-s, n=550cm2/V-s
27
本讲
基本概念
简化模型－开关 结构 符号
I/V特性
阈值电压 I-V关系式 跨导
二级效应
体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性
器件模型
版图、电容、小信号模型等
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
28
二级效应
前面VTH、I/V、gm等推导都是基于最简 单假设
忽略了VDS对L的影响等二级效应
0 栅与衬底功函数差
COX
OX
TOX
常通过沟道注入把VTH0调节到合适值
工艺确定后，VTH0就固定了，设计者无法改变
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14
I/V特性－沟道随VDS的变化
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
15
I/V特性—推导I(VDS,VGS)
I Qd v
Qd WCox(VGS VTH)
dx
L
VD S
IDdx WCoxn[VGS V(x) VTH]dV
x 0
V0
ID
nCox
W L
[(VGS
VTH)VDS
1 2
VDS2 ]
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模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第2章MOS器件物理基础PPT课件
Q d ( x ) W o ( V x G C V S ( x ) V T )H
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16
I/V特性—推导I(VDS,VGS)
I D W o [ V G x C V S ( x ) V T ] v H
Givv E ea nn E (x d ) d(x V ) dx d(x V )
数字电路设计师一般不需要进入器件内 部，只把它当开关用即可
AIC设计师必须进入器件内部，具备器 件物理知识
❖MOS管是AIC的基本元件 ❖MOS管的电特性与器件内部的物理机制密
切相关，设计时需将两者结合起来考虑
器件级与电路级联系的桥梁？
❖器件的电路模型
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
5
本讲
基本概念
I D n C o W L ( x V G V T S ) V D H , V D S 2 S ( V G V T S )
等效为一个线性电阻
RONnCoxW L(V 1GSVTH)
在AIC设计中会用到
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
深三极管区
19
I/V特性—当VDS>VGS-VTH时？
与电源无关、与温度无关、PTAT电流、 恒Gm、速度与噪声
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2
上一讲
研究模拟电路的重要性 模拟电路设计的难点 研究AIC的重要性 研究CMOS AIC的重要性 电路设计一般概念
❖抽象级别 ❖健壮性设计 ❖符号
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
3
上一讲
数字电路无法完全取代模拟电路，模拟 电路是现代电路系统中必不可少的一部 分
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
模拟cmos集成电路设计知识点总结
模拟cmos集成电路设计知识点总结模拟CMOS集成电路设计是一个涉及多个学科领域的复杂课题，包括电子工程、物理、材料科学和计算机科学等。
以下是一些关键知识点和概念的总结：1. 基础知识：半导体物理：理解半导体的基本性质，如本征半导体、n型和p型半导体等。
MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）工作原理：理解MOSFET的基本构造和如何通过电压控制电流。
2. CMOS工艺：了解基本的CMOS工艺流程，包括晶圆准备、热氧化、扩散、光刻、刻蚀、离子注入和退火等步骤。
理解各种工艺参数对器件性能的影响。
3. CMOS电路设计：了解基本的模拟CMOS电路，如放大器、比较器、振荡器等。
理解如何使用SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）进行电路模拟。
4. 噪声：理解电子器件中的噪声来源，如热噪声、散粒噪声和闪烁噪声等。
了解如何减小这些噪声的影响。
5. 功耗：理解CMOS电路中的功耗来源，如静态功耗和动态功耗。
了解降低功耗的方法，如电源管理技术和低功耗设计技术。
6. 性能优化：理解如何优化CMOS电路的性能，如提高速度、减小失真和提高电源效率等。
7. 可靠性问题：了解CMOS电路中的可靠性问题，如闩锁效应和ESD（静电放电）等。
8. 版图设计：了解基本的版图设计规则和技巧，以及如何使用EDA（Electronic Design Automation）工具进行版图设计和验证。
9. 测试与验证：理解如何测试和验证CMOS集成电路的性能。
10. 发展趋势与挑战：随着技术的进步，模拟CMOS集成电路设计面临许多新的挑战和发展趋势，如缩小工艺尺寸、提高集成度、应对低功耗需求等。
持续关注最新的研究和技术进展是非常重要的。
以上是对模拟CMOS集成电路设计的一些关键知识点的总结，具体内容可能因实际应用需求和技术发展而有所变化。
深入学习这一领域需要广泛的知识基础和持续的研究与实践。
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第 2 章 MOS器件物理基础
2.1 基本概念
漏（D: drain）、 栅（G: gate）、 源（S: source）、衬底（B: bulk）
S
G
MOSFET：一个低功耗、高效率的开关
D
2
MOS符号
模拟电路中常用符号 MOSFET是一个四端器件
数字电路中常用
3
2.2 MOS的I/V特性
transconductance
ID gm VGS VDS cons tan t
跨导是小信号(AC)参数，用来表 征MOSFET将电压变化转换为电流 变化的能力。反映了器件的灵敏度 ——VGS对ID的控制能力。
14
ID gm VGS VDS cons tant
nC
W ox L
nCox
W L'
12
ID
nCox W
2 L'
(VGS VTH ) 2
饱和区内，电流近似只与 W/L 和过饱和电压VGS-VTH 有关，不随源漏电压VDS变化 因此在VGS不变的条件下MOSFET可以等效为恒流源
13
如果在栅极上加上信号，则 饱和区的MOSFET可以看作是 受VGS控制的电流源 利用这个特点可以实现信号的放大 引入重要的概念 跨导 gm
沟道长度调制效应
当沟道发生夹断后，如果VDS继续增大，有效沟道长 度L’会随之减小，导致漏源电流 ID 的大小略有上升， 饱和区的电流方程需要做如下修正：
其中λ为沟道长度调制系数
L越大，沟调效应越小！
24
沟调效应使饱和区的MOSFET不能再看成理想的电流源，
而具有有限大小的输出电阻ro
VDS 1 1 1 ro n C ox W ID ID / VDS ID (VGS VTH ) 2
2 L
25
亚阈值导电性（弱反型）
在初步分析MOSFET的时候，我们假设当VGS < VTH时， 器件会突然关断，即ID会立即减小到零；但实际上当VGS 略小于VTH 时，有一个“弱”的反型层存在，ID大小随 VGS下降存在一个“过程”，与VGS呈指数关系：
26
2.4 MOS器件电容
分析高频交流特性时 必须考虑寄生电容的影响 根据物理结构，可以把 MOSFET的寄生电容分为：
管子导通, 且 VDS VGS VTH 时，则管子进入线性区 相反是饱和区
对于NMOS ,管子导通,且VG相对于VD足够高， 即（VG VTH VD）,管子进入线性区
对于PMOS ,管子导通,且VG相对于VD足够低， 即（VG VTH VD）,管子进入线性区
17
思考题
图中MOS管的作用是什么？应该工作在什么工作区？
其中，γ为体效应系数，典型值0.3-0.4V1/2
21
沟道层通过Cox耦 合到栅极，通过CD 耦合到体区。
所以体区电压同样可以（通过CD的耦合作用）影响沟道中 载流子的浓度，影响导电性，或者说阈值电压的大小。
22
体效应对电路性能的影响
体效应会导致设计参量复杂化， AIC设计通常不希望有体效应
23
18
即NMOS开关不能传递最高电位，仅对低电位是比较理想的开关 相对的，PMOS开关不能传递最低电位，仅对高电位是比较理想的开关
19
20
2.3 二级效应
体效应
在前面的分析中，我们未加说明地假定衬底和源都是接 地的（for NMOS）。实际上当VB<VS时，器件仍能正常工作， 但是随着VSB的增加，阈值电压VTH会随之增加，这种体电位 （相对于源）的变化影响阈值电压的效应称为体效应，也称 为“背栅效应”。
深三极管区时，VDVS，
饱和区时，
在三极管区和饱和区，CGB通常可以被忽略。
28
大信号和小信号模型
大信号模型
用于描述器件整体的电压-电流关系，通常为非线性 如果在静态工作点（偏置）上叠加变化的信号（交流信 号），其幅度“足够小”，则可以用线性化的模型去近 似描述器件，这种线性化模型就是小信号模型。
33
NMOS VS PMOS
在大多数工艺中，NMOS管性能比PMOS管好
迁移率4：1，高电流驱动能力，高跨导
相同尺寸和偏置电流时，NMOS管rO大，更接近理想 电流源，能提供更高的电压增益 独占一个阱，可以有不同的体电位
对Nwell 工艺，用PMOS管可消除体效应
34
NMOS管与PMOS管工艺参数的比较
2. 右图中MOSFET的过饱和电压是多少？管子处于什么工 作区？
R
Vb=1V
Vds=0.5V
40
3. 如图所示，Vin随时间线性增加。在不考虑沟调效应，需考 虑体效应的前提下，画出Vout随时间的曲线。
4. 下图是MOS管的电压电流曲线，图中L1和L2的大小关系是？
41
D V 0
L
VDS
ox n
[VGS V ( x ) V TH ]dV
ID nC
W ox L
1 2 [(VGS VTH )VDS VDS ] 2
9
I/V Characteristics (cont.)
ID nC
W ox L
1 2 [(VGS VTH )VDS VDS ] 2
(VGS VTH ) 2 nC
W ox L
ID
2 ID VGS VTH
15
到此为止，我们已经学习了MOSFET的三种用途： 开关管 恒流源
放大管
分别处在什么工作区？
16
怎么判断MOSFET处在什么工作区？
方法一： 比较源漏电压 Vds和过饱和电 压Vsat的高低 方法二： （源极电压不 方便算出时） 比较栅极Vg和 漏端Vd的电压 高低
沟道的形成
4
阈值电压VTH
NMOS管的阈值电压通常定义为界面的电子浓度等于 P型衬底的多子浓度时的栅极电压。
COX
OX
TOX
在基础分析中，假定VGS大于VTH时，器件会突然导通。 通常通过沟道注入法来改变阈值电压的大小。
5
MOS器件的3个工作区
1. 截止区 cutoff
VGS<VTH
I D =0
6
2. 线性区 triode or linear region
当VGS VTH , 且VDS VGS VTH时
MOSFET 处于线性区
7
Derivation of I/V Characteristics
I Qd v
Qd WCox (V GS VTH ) Qd ( x ) WCox (VGS V ( x ) VTH )
35
长沟道器件和短沟道器件
前面的分析是针对长沟道器件（4m以上）而言
对短沟道器件而言，关系式必须修正 用简单模型手算，建立直觉；用复杂模型仿真， 得到精确结果。
36
MOS管用作电容器时
37
思考：
并联
淆管子的宽W和长L
以及串并联关系！
39
复习题：
1. 解释什么是小信号跨导，给出饱和区MOSFET小信号跨 导的三种表达形式
8
I/V Characteristics (cont.)
ID WCox[VGS V ( x ) VTH ]v
dV( x) Given v E and E( x) dx
dV( x ) ID WC ox [VGS V ( x) VTH ]n dx
x 0
I dx WC
栅和沟道之间的氧化层电容C1 衬底和沟道之间的耗尽层电容C2 多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容C3、C4， 每单位宽度交叠电容用Cov表示 源/漏与衬底之间的结电容C5、C6
27
在电路分析中我们关心器件各个端口的等效电容： 器件关断时，CGD=CGS=CovW， CGB由氧化层电容和耗尽区电容串连得到
10
深三极管区
ID nC
W ox L
1 2 [(VGS VTH )VDS VDS ] 2
当VDS 2(VGS VTH )时
ID nC
W ox L
(VGS VTH )VDS
线性区的MOSFET等效为一个线性电阻（导通电阻Ron）
1 RON nCox W (VGS VTH ) L
11
3. 饱和区 active or saturation region
VGS VTH , 且VDS VGS VTH时
一个重要的概念（VGS-VTH ）
ID
nCox W (VGS VTH )2
2 L'
2I D
过驱动电压 Vov 有效电压Veff 过饱和电压 Vsat
VGS VTH =
小信号模型
29
2.5 MOS小信号模型
30
小信号参数：
ro
VDS 1 ID ID
gmb gm
2 2F VSB
gm
31
MOS管的完整小信号模型
对于手算，模型不是越复杂越好。 能提供合适的精度即可
32
MOS SPICE模型
模型精度决定电路仿真精度 最简单的模型——Level 1，0.5m 适于手算