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CMOS 模拟集成电路课件完整
反偏电压将使耗尽区变宽，从而降低了有效沟道深度。因此，需 要施加更大的栅极电压以弥补沟道深度的降低，VSB偏压会影响 MOSFET的有效阈值电压VTH。随着VSB反偏电压的增加导致VTH的增 加，这种效应称为“体效应”。这种效应也称为“衬底偏置效应” 或“背栅效应”。
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
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
《模拟集成电路基础》PPT课件
h
20
P
N
V
PN结的接触电位
(二)PN结的接触电位：
(1).内电场的建立，使PN结 中产生电位差。从而形成接 触电位V(又称为位垒)。
(2).接触电位 V决定于材 料及掺杂浓度：
硅： V=0.7 锗： V=0.2 (3).其电位差用 表示
h
21
（三）PN结的单向导电性
U
I
P
N
扩散
Q(V-U)
1.PN结加正向电压时：
第四节 二极管的应用
h
8
第一节 半导体基础知识
一1.、什半么导是体导的体特、性绝：缘体导、电半导率量导电1级0体率-2，2：为-如110：0-154s金.sc.、mc-m1-1
(1).导体：导电性能良好导量的电级物率，质为银如。1、：0-铜橡9-、胶10铝、2 s。云.c母m-、1 (2).绝缘体：几乎不导电量砷塑的级化料物，镓等质如等。。：。硅、锗、 (3).半导体：导电能力介于导体和半导体之间。
生载流子的扩散运用动下的定结向果移产动生称空
间电荷区耗尽层为（漂多移子运运动动）。
空穴 P
(2).空间电荷区产生建立了内电场 产生载流子定向运动（漂移运动）
N
•当扩散运动↑内电场↑漂移运
动↑扩散运动↓动态平衡。
(3).扩散运动产生扩散电流；漂移运动 产生漂移电流。
•动态平衡时：扩散电流=漂移电流。 PN结内总电流=0。 PN结的宽度一定 。
1.电子空穴对： 电子和空穴是成对产生的.
h
12
两种载流子——电子和空穴
外电场E 的方向
电子流
2.自由电子——载流子：
自由电子
• 在外电场作用下形成电子流（在 导带内运动），
CMOS模拟集成电路分析与设计 ppt课件
如果栅电压为负，则耗尽层变薄，栅 与衬底间电容增大。
对于大的负偏置，则电容接近于CGC。
PPT课件
24
1.2 MOS管的极间电容(1)
G
S
C1
C2 C4
C3
Cbs
反型层 耗尽层
d
L
d
p型衬底
D
Cbd
PPT课件
25
1.2 MOS管的极间电容(2)
栅与沟道之间的栅氧电容：
C2=WLCox，其中Cox为单位面积栅氧电容εox/tox；
CMOS模拟集成电路分析与设计
主讲教师：吴建辉 Tel：83795677
E-mail：wjh@
PPT课件
1
教材及参考书
教材：
吴建辉编著：“CMOS模拟集成电路分析与设 计”(第二版)，电子工业出版社。
参考书：
Razavi B: Design of analog CMOS integrated circuits
11
1、有源器件
主要内容：
1.1 几何结构与工作原理 1.2 极间电容 1.3 电学特性与主要的二次效应 1.4 低频及高频小信号等效模型 1.5 有源电阻
PPT课件
12
1.1 MOS管几何结构与工作原理(1)
B p+
G
tox
S
D
G D
n+
n+
p+
n阱 p型衬底
(a)
S
B
p+
n+
W
多晶
d p+接触孔
PPT课件
3
模拟电路与模拟集成电路
分立元件音频放大电路
晶体管数 匹配性 电阻值 电容值 寄生效应影响
模拟cmos集成电路设计拉扎维MOS器件物理基础PPT课件
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/Vs 0.5 m nwell：p=100cm2/V-s, n=350cm2/V-
第23页/共61页
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm ID VGS VDS cons tant
• 直流关系式－I/V特性 • 交流关系式－小信号电路中的参数
第6页/共61页
MOS管简化模型
简化模型——开关 由VG控制的一个开关
第7页/共61页
MOS管的结构
Bulk（body）
源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
最重要的工作区域？
受VG控制的沟道区
• 小信号模型 • 信号相对于偏置工作点而言比较小、不会显著影响偏置工作点时用该模型简化计算 • 由gm、 gmb、rO等构成低频小信号模型，高频时还需加上 CGS等寄生电容、寄生电阻（接触孔电阻、 导电层电阻等）
沟道电荷的产生
当VG大到一定 程度时，表面势 使电子从源流向 沟道区 VTH定义为表面电 子浓度等于衬底 多子浓度时的VG
第12页/共61页
阈值电压
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
第13页/共61页
I/V特性－沟道随VDS的变化
第3页/共61页
掌握器件物理知识的必要性
• 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
第23页/共61页
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm ID VGS VDS cons tant
• 直流关系式－I/V特性 • 交流关系式－小信号电路中的参数
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MOS管简化模型
简化模型——开关 由VG控制的一个开关
第7页/共61页
MOS管的结构
Bulk（body）
源漏在物理结构上是完全对称的，靠什么区分开？
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
最重要的工作区域？
受VG控制的沟道区
• 小信号模型 • 信号相对于偏置工作点而言比较小、不会显著影响偏置工作点时用该模型简化计算 • 由gm、 gmb、rO等构成低频小信号模型，高频时还需加上 CGS等寄生电容、寄生电阻（接触孔电阻、 导电层电阻等）
沟道电荷的产生
当VG大到一定 程度时，表面势 使电子从源流向 沟道区 VTH定义为表面电 子浓度等于衬底 多子浓度时的VG
第12页/共61页
阈值电压
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
第13页/共61页
I/V特性－沟道随VDS的变化
第3页/共61页
掌握器件物理知识的必要性
• 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
集成电路EDA与验证技术课件：模拟集成电路设计与仿真
模拟集成电路设计与仿真
常用命令格式： (1) DEFINE 格式：DEFINE <库名> <库路径> 例： DEFINE sample /export/cadence/IC615USER5/tools.lnx86/dfII/samples/cdslib/sa mple (2) INCLUDE 格式：INCLUDE <另外一个cds.lib 的全路径>
模拟集成电路设计与仿真
图3.2 Spectre中包含的各种仿真器
模拟集成电路设计与仿真
2．精确的晶体管模型 Spectre为所有的仿真器提供一致的器件模型，这有利于 消除不同模型间的相关性，从而得到快速收敛的仿真结果。 模型的一致性也保证了器件模型在升级时可以同时应用于所 有的仿真器。 3．高效的程序语言和网表支持 Spectre仿真平台支持多种设计提取方法，并兼容绝大多 数SPICE输入平台。Spectre可以读取Spectre、SPICE以及 Verilog-A格式的器件模型，并支持标准的Verilog-AMS、 VHDL-AMS、Verilog-A、Verilog以及VHDL格式的文本输 入。
模拟集成电路设计与仿真
5．有力衔接了版图设计平台 对于完整的版图设计平台而言，Spectre是不可或缺的重 要环节，它能方便地利用提取的寄生元件参数来快速完成后 仿真(post-layout simulation)的模拟，并与前仿真(pre-layout simulation)的模拟结果作比较，紧密的连接了电路 (Schematic)和版图(layout)的设计。 6．交互的仿真模式 设计者可以在仿真过程中快速改变参数，并在不断调整 参数和模拟之中找到最佳的电路设计结果，减少电路设计者 模拟所花费的时间。
模拟集成电路设计.ppt
1.物理图
§3-3: 其他MOS管大信号模型的参数
17
二、MOS电容
2. 耗尽结电容：CBD, CBS
P65 上式S→D 则 CBS→ CBD
18
§3-3: 其他MOS管大信号模型的参数
3.电荷存储电容： CGD, DGS ,CGB
交叠电容： C1、C3 、C5 珊-源/漏 C1 C3 LD Weff Cox CGXO Weff
25
§3-4: MOS管的小信号模型
1. gm,gmbs , gds 在饱和区：
gm (2K'W / L) ID (1 VDS ) (2K'W / L) ID
gmbs
iD vBS
iD vSB
( iD VT
)( VT ) vSB
iD iD VT vGS
gmbs gm 2(2 F
VSB )1/ 2
（a) （b)
多个器件的表示， 从匹配角度看更好。
37
§3-7: MOS电路的SPICE模拟
三、MOS模型描述
.MODEL < 模型名> <模型类型> <模型参数>
例如： .MODEL NCH NMOS LEVEL=1 VT0=1 KP=50U GAMMA=0.5 +LAMBDA=0.01
四、分析实例
vGS
VT
n
kT q
（简化模型，适合手工计算）
第3章第7节
35
3.7 MOS电路的SPICE模拟
36
§3-7: MOS电路的SPICE模拟
一、SPICE 模拟文件的一般格式
● 标题 ● 电路描述 (器件描述和模型描述) ● 分析类型描述 ● 输出描述
§3-3: 其他MOS管大信号模型的参数
17
二、MOS电容
2. 耗尽结电容：CBD, CBS
P65 上式S→D 则 CBS→ CBD
18
§3-3: 其他MOS管大信号模型的参数
3.电荷存储电容： CGD, DGS ,CGB
交叠电容： C1、C3 、C5 珊-源/漏 C1 C3 LD Weff Cox CGXO Weff
25
§3-4: MOS管的小信号模型
1. gm,gmbs , gds 在饱和区：
gm (2K'W / L) ID (1 VDS ) (2K'W / L) ID
gmbs
iD vBS
iD vSB
( iD VT
)( VT ) vSB
iD iD VT vGS
gmbs gm 2(2 F
VSB )1/ 2
（a) （b)
多个器件的表示， 从匹配角度看更好。
37
§3-7: MOS电路的SPICE模拟
三、MOS模型描述
.MODEL < 模型名> <模型类型> <模型参数>
例如： .MODEL NCH NMOS LEVEL=1 VT0=1 KP=50U GAMMA=0.5 +LAMBDA=0.01
四、分析实例
vGS
VT
n
kT q
（简化模型，适合手工计算）
第3章第7节
35
3.7 MOS电路的SPICE模拟
36
§3-7: MOS电路的SPICE模拟
一、SPICE 模拟文件的一般格式
● 标题 ● 电路描述 (器件描述和模型描述) ● 分析类型描述 ● 输出描述
第3章模拟集成电路基础
模电拟 电子子 技技术 术
集成运放的电路结构特点
（1）因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均采用直 接耦合方式。 （2）因为相邻元件具有良好的对称性，而且受环境温度和 干扰等影响后的变化也相同，所以集成运放中大量采用各种 差分放大电路（作输入级）和恒流源电路（作偏置电路或有 源负载）。
（3）因为制作不同形式的集成电路，只是所用掩模不同， 增加元器件并不增加制造工序，所以集成运放允许采用 复杂的电路形式，以达到提高各方面性能的目的。
由场效应管同样可以组成镜像电流源、比例电流源等。T0～T3均为N沟道增强型 MOS管，它们的开启电压UGS(th)等参数相等。在栅-源电压相等时，MOS管的漏极 电流正比于沟道的宽长比。设宽长比W/L=S，且T0～T3的宽长比分别为S0、S1、 S2、S3。这样就可以通过改变场效应管的几何尺寸来获得各种数值的电流。
模电拟 电子子 技技术 术
比例电流源
基准电流 输出电流
分析
模电拟 电子子 技技术 术 比例电流源分析
微电流
输出电流可以大于或小于基准电流，与基准电流成比例关系。
模电拟 电子子 技技术 术
微电流源
基准电流 输出电流
分析
模电拟 电子子 技技术 术
微电流源分析
在已知Re的情况下，上式对输 出电流IC1而言是超越方程，可 以通过图解法或累试法解出IC1。
模电拟 电子子 技技术 术
长尾式差分放大电路
电路参数理想对称，Rb1=Rb2=Rb，Rc1=Rc2=Rc；T1管与 T2管的特性相同，β1= β 2= β ，rbe1=rbe2=rbe；Re为 公共的发射极电阻。
静态分 析 共模信 号作用
差模信 号作用
模电拟 电子子 技技术 术
拉扎维《模拟集成电路设计》第二版课件 Ch5
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14
Generate Vb
• Consider the branch shown in Fig(b) as a candidate and write Vb = VGS5 + R6I6. • VGS5 = VGS3 • However, the condition I is hard to meet.
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6
Example
• Calculate the small-signal voltage gain of the circuit shown in Figure.
• Gain=
7
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14
Generate Vb
• Consider the branch shown in Fig(b) as a candidate and write Vb = VGS5 + R6I6. • VGS5 = VGS3 • However, the condition I is hard to meet.
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6
Example
• Calculate the small-signal voltage gain of the circuit shown in Figure.
• Gain=
7
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VBE1 VBE2 Re2
VBE Re2
优由点于：12VBE内受很阻电小ro源，一波般动在影几响百千小欧；以上 所以IC234也. 很具IC小有2 u温A级度；补偿特性。
6.1.1.3多路电流源：
T1、T2、T3的基极并联。
电路用一个基准电流IREF获得了多个电流输出。
I C1
I E1
概述
一、集成电路(integrated circuit)： 在半导体制造工艺基础上，把整个电
路中的器件（电阻、电容、三极管等）制 造在一块Si 基片上，并引出相应的引线， 构成特定功能的电子电路。 如：运放、各种芯片等。
二、按功能分类：
模拟集成电路
数字集成电路
三、集成度：
小规模集成电路（SSI）<102
1 vic = 2 (vi1 vi2 )
共模信号
两个输入信号的算术平均值
根据以上两式可以得到
vi1 = vic
vi2 = vic
AVD AVC
= =
v od vviodc v ic
vid
差模信号输出
v2id 2
+ vi1
共+-v模+id 信号输差出放
差模电压增益 -
vi2 -
+
-vod +
（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小， 在毫瓦以下。 （3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载
（4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器 都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。
（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。
§6.1集成电路运放中的电流源
要求：提供恒定电流IO，且有大的交流电阻 其两端电压变化时， IO保持恒定。
抑制零点漂移原理
主要指标计算
几种方式指标比较
6.2.2 FET差分式放大电路
6.2.3 差分式放大电路的传输特性
6.2.0 概述
1. 直接耦合放大电路
可以放大直流信号
# 为什么一般的集成运 算放大器都要采用直接 耦合方式？
2.直接耦合放大电路 的零点漂移
零漂：输入短路时，输出仍有缓慢 变化的电压产生。
+ vo1
vo2 -
-
共模电压增益 差分式放大电路输入输出结构示意图
6.2.0 概述
总输出电压
vo = vod voc AVD vid AVC vic
+
+
-vid
vi1 +
-
vi2 -
差放
+
-vod
+
+ vo1
vo2 -
-
差分式放大电路输入输出结构示意图
KCMR =
AVD AVC
共模抑制比 反映抑制零漂能力的指标
主要原因：主要由温度变化引起，也称温漂。
温漂指标：温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算 到输入端的等效输入漂移电压值。
6.2.0 概述
假设 AV1 = 100, AV2 = 100, AV3 = 1 。 若第一级漂了100 uV， 则输出漂移 1 V。
漂移 10 mV+100 uV
漂移 1 V+ 10 mV
6.1.2 FET电流源（P260）
(与BJT电流源比较，自学，了解)
一、 MOSFET镜像电流源： 二、 MOSFET多路电流源： 三、 JFET电流源：
6.2 差分式放大电路
6.2.0 概述
直接耦合放大电路
零点漂移
差分式放大电路中的一般概念
6.2.1 基本差分式放大电路
电路组成及工作原理
6 集成电路运算放大器
基本要求
1. 掌握差放的结构、原理及Q点、动态指标的计算。 2.了解差动放大器抑制零点漂移的原理。 3.了解镜像电流源、微电流源的组成及工作原理。 4.了解集成运算放大器的组成及工作原理。 5.了解集成运算放大器的主要参数。
6 集成电路运算放大器
6.0 概述 6.1 电流源 6.2 差分式放大电路 6.3 集成电路运算放大器 6.4 集成电路运算放大器的主要参数
6.2.1 基本差分式放大电路
1. 电路组成
两个BJT特性一致，参数相等。
1=2=
rbe1= rbe2= rbe VBE1=VBE2= VBE
C1
C2
差放一般有两个输入端：
双端输入—两输入端同时加信号
单端输入—一输入端对地加信号 差放可以有两个输出端:
双端输出—从C1 和C2输出。 单端输出—从C1或C2 对地输出。
当较小时，可用 带缓冲级的镜像电流源
增加T0，使IC更加接近IREF 三、镜像电流源特点 1 内阻ro一般在几百千欧以上
2. 电流受电源波动影响大； 3. 电流最低至mA级。 4. 具有温度补偿特性。
6.1.1.2微电流源（P259）
一、电路特点 （Re2 K级）
二、工作原理
IC2 IE2
中规模集成电路（MSI）<103 大规模集成电路（LSI）<105、
Intel 奔腾4
超大规模集成电路（VLSI）>105、 (如：CPU 310万---330万)
6 集成电路运算放大器
6.0 概述 集成电路的工艺特点：
（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有 利于实现需要对称结构的电路。
+
ro Io
-
+
ro v
_
6.1.1.1 镜像电流源（P258）
一、电路组成
三极管T1、T2对称
二、恒流特性
当较大(>>2)时：
VBE2 = VBE1 IE2 = IE1
IC2
=
I
C1
IREF
2
IREF
= VCC VBE VCC
R
R
结论：
无论Rc值如何, IC2电流值保持不变（前提：电源要稳定）
IREF Re Re1
I C2
I E2
IREF Re Re2
I C3
I E3
I REF Re Re3
6.1.1.4 电流源作用
镜像电流源
提供直流偏置 作为有源负载 例电流源作为有源负载：
例P315 6.6.1
放大管
举例：P282 集成运放
微电流源直流偏置 镜像电流源有源负载 电流源直流偏置
若第二级也漂了100 uV，
则输出漂移 10 mV。 漂了 100 uV
3. 减小零漂的措施
用非线性元件进行温度补偿
调制解调方式。如“斩波稳零放大器”
漂移 1 V+ 10 mV
采用差分式放大电路
6.2.0 概述
4. 差分式放大电路中的一般概念
vid = vi1 vi2
差模信号 两个输入信号的差值
6.2.1 基本差分式放大电路
1. 电路组成
根据输入、输出方式不同，
可分为四种工作方式:
双端输入、双端输出；
C1
C2
双端输入、单端输出；
单端输入、单端输出；
单端输入、双端输出；