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
第七章MOS 反相器
Vi
CMOS反相器电压传输特性VTC
NMOS截止 PMOS线性 NMOS饱和 PMOS线性
2.5 a 2
b
c
Vout (V)
1.5 1 0.5
d
NMOS饱和 PMOS饱和
0 0 0.5 1 1.5
NMOS线性 PMOS饱和 NMOS线性 e PMOS截止
f
2
2.5
Vin (V)
四、
CMOS反相器VTC分析
MI
2. 电压传输特性曲线的推导
3. 基本特性 VDD VOL 1+2KI RL(VOHVTI) VDD RL RL若小：VOL高， Vo 功耗大， tr小; VOH
Vi
Vo W/L若小(即K I 小)：VOL高，功 MN 耗小，t 大。 f
RL减小
VOL 0
VILVIH Vi
7.1.2 E/E饱和负载NMOS反相器 1. 结构和工作原理 VDD ML Vi为低电平VOL时,MI截止,ML饱和 VOH=VDDVTL Vi为高电平VOH时,MI非饱和,ML饱和 KL(VDD-VOL-VTL)2= KI[2(VOH-VTI)VO-VO2] Vo (VDD VTL )2 MI 有比电路 VOL 2R(VOHVTI) (W/L)I KI 其中：R = K = (W/L)L L
VGL
Vi
1. 结构和自举原理(续) VDD VGL 自举过程： Vi 变为VOL ,ME截止,Vo上升， MB VGL随Vo上升(电容自举)， ML MB截止,ML逐渐由饱和进入 CB 非饱和导通，上升速度加快。 Vo ME 自举结果： tr缩短，VOH可达到VDD。
Vi
2. 寄生电容与自举率 VDD 由于寄生电容CO的存在： VGL CO = VGSL CB VGL = VGSL + Vo
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
CMOS集成电路设计基础
UGS＝ 1.5 V
O UDS
栅极电压超过阈值电压UTHN后， 开始出现电流且栅压uGS越大， 漏极电流也越大的现象， 体现了栅压对漏极电流有明显的控制作
用。 漏极电压UDS对漏极电流ID的控制作用基本上分两段， 即线性 区(Linear)和饱和区(Saturation)。 为了不和双极型晶体管的饱和区 混淆， 我们将MOS管的饱和区称为恒流区， 以表述UDS增大而电 流ID基本恒定的特性。 线性区和恒流区是以预夹断点的连线为分界线的(图虚线所示)。 在栅压UGS一定的情况下， 随着UDS从小变大， 沟道将发生如图所 示的变化。
N阱及PMOS
G
B
S
D
P＋Βιβλιοθήκη N＋N＋P 型衬底
G
S
D
B
P＋ N阱
P＋
N＋
在互补型CMOS管中， 在同一衬底上制作NMOS管和PMOS管， 因此必须为PMOS管做一个称之为“阱(Well)”的“局部衬底” 。
NMOS D
P MOS S
NMOS D
P MOS S
G
G
BG
B
G
B
B
S (a)
NMOS D
D
若 UDS=UGS-UTH 则沟道在漏区边界上被夹断， 因此该点电压称为 预夹断电压。
源区(N＋ )
反型层 源区(N＋ )
漏区(N＋ )
UDS<UGS-UTH管子工作
UDS ＜UGS －UTH (线性区)
在线性区， 此时UDS增
电流
大， ID有明显的增大。
漏区(N＋ )
UDS ＝UGS －UTH
UDS=UGS-UTH 则沟 道在漏区边界上被
UTHN与材料、 掺杂浓度、 栅氧化层电容等诸多因素有关。 在器 件制造过程中， 还可以通过向沟道区注入杂质， 从而改变氧化 层表面附近的衬底掺杂浓度来控制阈值电压的大小。 工作在恒 流区的MOS管漏极电流与栅压成平方律关系。
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》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。
mos管或电路
mos管或电路MOS管，即金属氧化物半导体场效应晶体管，是一种常用的半导体器件，常用于集成电路中。
MOS管的工作原理是通过调节栅极电压来控制导通沟道的电阻，从而实现信号的放大、开关和放大等功能。
下面将详细介绍MOS管的结构、工作原理和应用。
MOS管的结构包括源极、漏极和栅极三个部分。
源极和漏极之间通过氧化物绝缘层隔开，栅极则通过栅极氧化层与沟道相隔开。
当在栅极上加上正电压时，栅极下方的沟道会形成导通通道，从而使源极和漏极之间产生导通。
当栅极上的电压变化时，沟道的导电性也会相应变化，实现对电流的调节。
MOS管的工作原理是基于场效应的调控。
栅极上的电压改变了栅极下方的场强，从而改变了沟道的导电性。
当栅极电压为正时，沟道导通，电流从源极流向漏极，此时MOS管处于导通状态。
而当栅极电压为零或负时，沟道的导电性减弱或消失，电流无法通过，MOS管处于截止状态。
通过调节栅极电压，可以实现对电流的精确控制，从而实现放大、开关和放大等功能。
MOS管在集成电路中有着广泛的应用。
作为场效应晶体管的一种，MOS管可以用于数字电路、模拟电路和混合电路中。
在数字电路中，MOS管可用作开关，实现逻辑门的功能；在模拟电路中，MOS管可用作放大器，实现信号的放大和处理；在混合电路中，MOS管既可以用于数字信号处理，又可以用于模拟信号处理，实现电路的多功能集成。
总的来说，MOS管作为一种常用的半导体器件，具有结构简单、工作稳定和应用广泛的特点。
通过对栅极电压的调节，可以实现对电流的精确控制，从而实现各种电路功能的实现。
在未来的发展中，MOS管将继续发挥重要作用，推动集成电路的不断进步。
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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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。
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)和改进型的威尔逊电流镜(c) 。
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。
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。
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。
图6-3-17
（2）基准电压源
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。
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。
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” 电路 。
（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6-3-15给出了全NMOS的分压器电路图(a)和CMOS的分压器电 路图(b)。