CMOSIC小尺寸器件的二级效应
(完整word版)CMOS二级运算放大器设计
CMOS二级运算放大器设计（东南大学集成电路学院）一．运算放大器概述运算放大器是一个能将两个输入电压之差放大并输出的集成电路。
运算放大器是模拟电子技术中最常见的电路,在某种程度上,可以把它看成一个类似于BJT 或FET 的电子器件。
它是许多模拟系统和混合信号系统中的重要组成部分。
它的主要参数包括:开环增益、单位增益带宽、相位阈度、输入阻抗、输入偏流、失调电压、漂移、噪声、输入共模与差模范围、输出驱动能力、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等。
二．设计目标1.电路结构最基本的COMS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图1。
1所示。
主要包括四部分：第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。
图1.1 两级运放电路图2.电路描述电路由两级放大器组成，M1～M4构成有源负载的差分放大器，M5提供该放大器的工作电流。
M6、M7管构成共源放大电路，作为运放的输出级。
M6 提供给 M7 的工作电流。
M8~M13组成的偏置电路,提供整个放大器的工作电流。
相位补偿电路由M14和Cc 构成。
M14工作在线性区，可等效为一个电阻，与电容Cc 一起跨接在第二级输入输出之间,构成RC 密勒补偿。
3。
设计指标两级运放的相关设计指标如表1.表1 两级运放设计指标三．电路设计第一级的电压增益：)||(422111o o m m r r g R G A == (3。
1) 第二级电压增益:)||(766222o o m m r r g R G A =-= （3.2) 所以直流开环电压增益：)||)(||(76426221o o o o m m o r r r r g g A A A -== （3.3)单位增益带宽：cm O C g A GBW π2f 1d == （3.4） 偏置电流：213122121)/()/()/(2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=L W L W R L W KP I B n B （3。
5) 根据系统失调电压:756463)/()/(21)/()/()/()/(L W L W L W L W L W L W == （3。
一种CMOS二级密勒补偿运放的设计
一种CMOS二级密勒补偿运放的设计一个实际的运放电路包含很多极点，为了使运放可以正常工作必须对其进行频率补偿。
所谓“补偿”就是对运放的开环传输函数进行修正，这样就可以得到稳定的闭环电路，而且获得良好的时间响应性能。
两级运放的频率补偿存在一个问题。
我们的补偿原理是使其中一个主极点向原点靠拢，目的是使增益交点低于相位交点。
然而这样就需要一个很大的补偿电容。
大电容在集成电路中是很难制作而且不经济的。
实践证明，通过密勒效应可以以一个中等的电容器的值实现单独利用大电容才可以做到的补偿效果。
这种补偿方法就是“密勒补偿”。
一种CMOS 二级密勒补偿运放的设计，主要有第一级差分放大，第二级共源级放大，电流偏置电路以及密勒补偿电路四部分组成。
首先，手动计算各项参数，分析各项参数与性能之间的相互制约关系。
然后，利用电路EDA仿真软件对电路进行仿真，对参数进行一些微调以满足运放的设计指标。
因为数字集成电路的规律性和离散性，计算机辅助设计方法学在数字集成电路的设计中已经具有很高的自动化。
但是由于模拟电路设计的一些不确定性，一般来说，手工进行参数的预算是不能缺少的一个环节。
运算放大器（简称运放）是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整部分。
各种电路系统中都离不开运放：从直流偏置的产生到高速放大或滤波。
运算放大器的设计基本上是分为两个部分。
第一是选择电路结构，第二是电路的各项参数的确定。
比如静态工作电流，每个管子的尺寸等参数。
这个步骤包含了电路设计的绝大部分工作。
很多参数的确定需要不断地权衡来满足性能。
该设计第二章分析电路的原理开始,第三章接着介绍对运放的各个指标做介绍和分析。
第四章以具体的指标要求为例，分析约束条件，进行手算。
之后使用HSPICE 进行电路仿真。
2电路分析2.1 电路结构选定的 COMS 二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图 2.1 所示。
主要包括四部分：第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。
mosfet的二级效应
mosfet的二级效应摘要：I.简介- 简述MOSFET的基本概念- 引入二级效应的概念II.MOSFET的二级效应- 解释什么是MOSFET的二级效应- 列举并解释主要的二级效应- 沟道调制效应- 衬底效应- 源极和漏极效应- 亚阈值电流效应III.二级效应的影响- 讨论二级效应对MOSFET性能的影响- 分析如何在设计过程中考虑二级效应IV.二级效应的缓解策略- 介绍几种缓解二级效应的策略- 采用新技术和材料- 优化器件结构- 减小尺寸V.总结- 回顾MOSFET的二级效应及其影响- 强调在设计和应用中考虑二级效应的重要性正文：MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种广泛应用于集成电路中的基本器件。
然而，MOSFET在工作过程中会产生一些二级效应，这会影响其性能。
本文将详细介绍MOSFET的二级效应以及如何缓解这些效应。
首先，什么是MOSFET的二级效应？它是指在器件工作过程中，由于电场、载流子、温度等因素的变化而引起的器件特性变化。
这些变化可能对器件的性能产生显著影响。
主要的二级效应包括沟道调制效应、衬底效应、源极和漏极效应、亚阈值电流效应等。
沟道调制效应是指由于栅极电场对沟道中电子浓度的影响，导致器件导通电阻的变化。
衬底效应是指源极和漏极的电荷对衬底电势的影响，从而改变沟道中的电荷分布。
源极和漏极效应是指源极和漏极的电荷积累对器件性能的影响。
亚阈值电流效应是指在弱电场下，由于载流子复合和器件内部电场分布不均匀，导致的电流放大现象。
这些二级效应对MOSFET的性能产生了很大的影响。
例如，沟道调制效应可能导致器件导通电阻增大，影响器件的开关速度和功耗；衬底效应可能导致器件的阈值电压发生变化，进而影响器件的输入和输出特性；亚阈值电流效应可能导致器件的电流放大系数降低，影响信号传输的质量和效率。
在设计过程中，如何考虑二级效应以提高器件性能呢？一种方法是采用新技术和材料。
例如，采用高k介电材料可以降低栅漏电容，减小沟道调制效应；采用应变硅可以提高电子迁移率，降低衬底效应。
CMOS两级运算放大器-设计分析报告
CMOS两级运算放大器-设计报告————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：CMOS两级运算放大器设计及仿真实验报告班级：学号：姓名：日期：一、运算放大器设计简介运算放大器是许多模拟及数模混合信号系统中一个十分重要的部分。
各种不同复杂程度的运放被用来实现各种功能：从直流偏置的产生到高速放大或滤波。
运算放大器的设计可分为两个步骤。
第一步是选择或搭建运放的基本结构，绘出电路结构草图。
确定好的电路结构不能轻易修改。
运算放大器的电路结构确定之后需要选择直流电流，手工设计管子尺寸，以及设计补偿电容等关键参数。
为了满足运放的交流和直流需要，所有管子必须设计出合适尺寸。
在手工计算的基础上，运用CandenceVirtuoso电路设计软件进行图形绘制，参数赋值，仿真分析。
在分析仿真结果的基础上判断电路是否符合设计要求。
若不符合，再回到手工计算，调试电路。
二、设计目标电路参数要求：(1)直流或低频时的小信号差模电压增益Avd = 4000V/V(72dB)(2)增益带宽积GBW = 10MHz(3)输入共模电压范围Vcm,min = 0.4V，Vcm,max = 1.5V(4)输出电压摆幅0.2V < Vout < 1.5V(5)相位裕度PM = 60(6)负载电容CL = 1pF(7)电源电压VDD = 1.8V使用CMOS-90nm工艺库。
三、电路设计1.电路结构最基本的CMOS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如下图所示。
主要包括四大部分：第一级双端输入单端输出差分放大级、第二级共源放大级、直流偏置电路及密勒补偿电路。
2.电路描述输入级放大电路由PM0、PM2、NM1、NM3组成，其中PM0与PM2组成电流源偏置电路，NM1与NM3组成差分放大电路，输入端分别为IN1和IN2，单端输出。
如下图所示。
输出级放大电路由PM1和NM4组成，其中PM1为共源放大级电路，NM4为电流源偏置电路。
集成电路(必考题)
小尺寸器件的二级效应包括哪些方面，任选一种说明。
答：包括：①短沟道效应 ②窄沟道效应 ③饱和区沟道长度调制效应 ④迁移率退化和速度饱和 ⑤热电子效应短沟道效应（SCE ）：MOS 晶体管沟道越短，源—漏区pn 结耗尽层电荷在总的沟通区耗尽层电荷中占的比例越大，使实际由栅压控制的耗尽层电荷减少，造成的值电压随沟道长度减小而下降。
CMOS 反相器的设计。
答：（1）为了使CMOS 反相器有最佳性能，采用全对称设计：V TN =-V TP ，K N =K P ，因为全对称设计V it =21V PP ，所以V NLM =V NHM =21V DD 且t r =t f ，这样最有利于提高速度。
（2）在实际工艺中，不可能获得完全对称设计。
因此取L N =L P =λ，W N =W P =W A ，W P =2W N ，W N=W A 。
（3）要求一个反相器在驱动1pF 负载电容时t r 和t f 不超过0.5ns ，采用0.6um 工艺，V DD =5V ，V TN =0.8V ，V TP =-0.9V ，K'N =μn C OX =120×10-6A/V 2，K'P =μP C OX =60×10-6A/V 2 根据)]1.029.1ln()1(21)1(1.0[t 2p r P P P P αααατ--+--=其中18.0=-=DDTP P V V α要求t r =0.5ns ，则τp =0.28ns又根据τp =C L /K P V DD 得K P =7.14×10-4A/V 2因则 要求PMOS 管宽长比满足：8.2310601014.72'2)(64=⨯⨯⨯==--P P P K K L W 同理 要求NMOS 管宽长比满足：5.1110120109.62'2)(64=⨯⨯⨯==--N N N K K L W 取L N =L P =0.6um 则 W N =6.9um ，W P =14.28um在画版图时，MOS 管的沟道宽度要根据实际情况取整什么叫上拉，下拉开关？答：在CMOS 反相器中，NMOS 管导通的作用是把输出拉到低电平，因此叫下拉开关。
集成电路设计基础期末考试复习题
全部复习题均可在教材上找到参考答案！！！1.摩尔定律的内容：单位面积芯片上所能容纳的器件数量，每12-18个月翻一番。
2.摩尔定律得以保持的途径：特征尺寸不断缩小、增大芯片面积及单元结构的改进。
3.图形的加工是通过光刻和刻蚀工艺完成的。
4.在场区中，防止出现寄生沟道的措施：足够厚的场氧化层、场区注硼、合理的版图。
5.形成SOI材料的三种主要技术：注氧隔离技术、键合减薄技术、智能剥离技术。
6.实际的多路器和逆多路器中输入和输出一般是多位信息，如果对m个n位数据进行选择，则需要n位m选一多路器。
7.在氧化层上形成所需要的图形的步骤：甩胶、曝光、显影、刻蚀、去胶。
8.版图设计规则可以用两种形式给出：微米规则和λ规则。
9.常规CMOS结构的闩锁效应严重地影响电路的可靠性，解决闩锁效应最有效的办法是开发多晶硅技术。
10.要实现四选一多路器，应该用2位二进制变量组成4个控制信号，控制4个数据的选择。
11.摩尔分析了集成电路迅速发展的原因，他指出集成度的提高主要是三方面的贡献：特征尺寸不断缩小、芯片面积不断增大、器件和电路结构的不断改进。
12.缩小特征尺寸的目的：使集成电路继续遵循摩尔定律提高集成密度；提高集成度可以使电子设备体积更小、速度更高、功耗更低；降低单位功能电路的成本，提高产品的性能/价格比，使产品更具竞争力。
13.N阱CMOS主要工艺步骤：衬底硅片的选择→制作n阱→场区氧化→制作硅栅→形成源、漏区→形成金属互连线。
14.解决双极型晶体管纵向按比例缩小问题的最佳方案之一，就是采用多晶硅发射极结构，避免发射区离子注入对硅表面的损伤。
15.n输入与非门设计考虑，根据直流特性设计：Kr=KN/KP=n3/2；根据瞬态特性设计：Kr=KN/KP=n。
n输入或非门设计考虑，根据直流特性设计：Kr=KN/KP=n-3/2；根据瞬态特性设计：Kr= Kr=KN/KP=1/n.16.CE等比例缩小定律要求器件的所有几何尺寸，包括横向和纵向尺寸，都缩小k倍；衬底掺杂浓度增大K倍；电源电压下降K倍。
CMOS二级密勒补偿运算放大器的设计说明
课程设计报告设计课题: CMOS二级密勒补偿运算放大器的设计姓名: XXX专业: 集成电路设计与集成系统学号: 1115103004 日期 2015年1月17日指导教师: XXX 国立华侨大学信息科学与工程学院一：CMOS二级密勒补偿运算放大器的设计1:电路结构最基本的CMOS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如下图，主要包括四部分：第一级PMOS输入对管差分放大电路，第二级共源放大电路，偏置电路和相位补偿电路。
2：电路描述：输入级放大电路由M1~M5组成。
M1和M2组成PMOS差分输入对管，差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰；M3和M4为电流镜有源负载；M5为第一级放大电路提供恒定偏置电流。
输出级放大电路由M6和M7组成，M6为共源放大器，M7为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载。
偏置电路由M8~M13和Rb组成，这是一个共源共栅电流源，M8和M9宽长比相同。
M12和M13相比，源级加入了电阻Rb，组成微电流源，产生电流Ib。
对称的M11和M12构成共源共栅结构，减少了沟道长度调制效应造成的电流误差。
在提供偏置电流的同时，还为M14栅极提供偏置电压。
相位补偿电路由M14和Cc组成，M14工作在线性区，可等效为一个电阻，与电容Cc一起跨接在第二级输入输出之间，构成RC密勒补偿。
3:两级运放主体电路设计由于第一级差分输入对管M1与M2相同，有R1表示第一级输出电阻，其值为则第一级的电压增益对第二级，有第二级的电压增益故总的直流开环电压增益为所以4：偏置电路设计偏置电路由 M8~M13 构成，其中包括两个故意失配的晶体管M12 和M13，电阻RB 串联在M12 的源极，它决定着偏置电流和gm12，所以一般为片外电阻以保证其精确稳定。
为了最大程度的降低M12 的沟道长度调制效应，采用了Cascode 连接的M10以及用与其匹配的二极管连接的M11 来提供M10 的偏置电压。
最后，由匹配的PMOS器件M8 和M9 构成的镜像电流源将电流IB 复制到M11 和M13，同时也为M5 和M7提供偏置。
mosfet的二级效应
mosfet的二级效应【最新版】目录1.MOSFET 的二级效应概述2.MOSFET 二级效应的影响因素3.MOSFET 二级效应的改善方法4.MOSFET 二级效应的应用领域正文一、MOSFET 的二级效应概述MOSFET（金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管）是一种常见的半导体器件，广泛应用于放大、开关和调制等电路中。
然而，在实际应用中，MOSFET 存在一种被称为二级效应的现象，它会对器件的性能产生影响。
本文将详细介绍 MOSFET 的二级效应，包括其影响因素、改善方法以及应用领域。
二、MOSFET 二级效应的影响因素MOSFET 的二级效应主要受以下几个因素影响：1.沟道长度：沟道长度的增加会导致二级效应加剧，从而降低器件的性能。
2.氧化层厚度：氧化层厚度的增加会减弱二级效应，但同时也会增加器件的寄生电容，影响器件的高频性能。
3.沟道掺杂浓度：沟道掺杂浓度的增加会降低二级效应，但同时也会增加器件的导通电阻。
4.源极和漏极的间距：源极和漏极间距的减小会减弱二级效应，但同时也会减小器件的电流密度。
三、MOSFET 二级效应的改善方法针对 MOSFET 二级效应的影响因素，可以采取以下措施进行改善：1.选择合适的沟道长度：在保证器件性能的前提下，尽量选择较短的沟道长度，以降低二级效应的影响。
2.优化氧化层厚度：通过适当减小氧化层厚度，可以降低二级效应对器件性能的影响，同时保持器件的高频性能。
3.调整沟道掺杂浓度：在保证器件导通电阻的前提下，适当增加沟道掺杂浓度，可以降低二级效应的影响。
4.优化源极和漏极间距：在保证器件电流密度的前提下，适当减小源极和漏极间距，可以降低二级效应的影响。
四、MOSFET 二级效应的应用领域尽管 MOSFET 二级效应会对器件性能产生影响，但在实际应用中，它仍然具有广泛的应用领域，如：1.电源管理：MOSFET 在电源管理领域中具有重要作用，可以实现高效、低噪音的电源转换。
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最小沟道长度的限制
Lmin ≅ 0.4 x j d ox (WS + WD ) Lmin
j ox
[ ≅ 0.4[x t
(xsd + xdd
] )]
2 13
= 0.4γ 1 3
2 13
抑制短沟效应措施
提高沟道区衬底掺杂浓度 减小源 漏区结深
减小栅氧化层厚度
非均匀沟道掺杂
凹陷沟道和极浅的源 漏延伸区
Level=3
µ eff µ eff
µ0 = 1 + αEeff µ0 = 1 + ϑ (VGS − VT )
迁移率随有效电场增强而减小
载流子漂移速度与横向电场的关系
漂移速度的分段模型
µ eff E y v= , Ey 1+ E sat v = v sat ,
v sat = µ eff E sat
第五节 小尺寸器件的二级效应
1 短沟效应
低漏偏压时电荷分享引起的阈值电压下降
高漏偏压时的漏致势垒降低效应
低漏偏压时电荷分享模型
QBm x j 2 xdm ∆VT = − ⋅ 1+ − 1 Cox L xj
高漏偏压时电荷分享模型
QBm x j x x 2 2 sd dd 1 + ∆VT = − ⋅ − 1 + 1 + − 1 Cox 2 L xj xj x sd = 2ε 0ε si (Vbi − VBS ), qN A xdd = 2ε 0ε si (Vbi − VBS + VDS ) qN A
E y ≤ E sat E y > E sat
2
反型载流子饱和速度降低
体内电子的饱和漂移速度 vs~1X107cm/s 反型载流子的饱和漂移速度 vs~6X106cm/s
在不同反型载流子浓度条件下 测量的漂移速度
反型载流子饱和速度测量结果
测量方法和样品参数 用厚栅氧化层MOSFET测量ID (tox=1 m,Leff=10 m) 用薄栅氧化层MOSFET测量ID (tox=50nm,Leff=0.5 m) 用电阻栅MOSFET测量ID (Leff=10 m) 用电阻栅MOSFET测量ID Leff=1.5 m 飞行时间技术 vs (cm/s) 6.5 106
I D = K (VGS − VT ) 2 (1 + λVDS )
VA = 1
λ
4 迁移率退化和速度饱和
反型载流子受到3种散射 反型载流子的有效迁移率可用 下式计算
−1 µ eff
=
−1 µ PH
−1 + µ SR
−1 + µ coul
反型载流子迁移率与纵向电场关系
SPICE 中的迁移率修正模型
热电子效应引起的Ig,Isub与电压的关系
热电子效应使器件击穿电压降低
用ＬＤ Ｄ 结构减小漏端电场
6 SPICE中的MOSFET模型参数
LEVEL=1 LEVEL=2 LEVEL=3 LEVEL=4(BSIM)
SPICE中的器件参数
LEVEL=1的模型参数
LEVEL=1的模型参数 续
Level=2
µ eff E0 = µ0 Eeff
c1
, Eeff = Cox (VGS − VT − 0.5VDS ) ε 0ε si
uexp
µ eff
ε 0ε siUCRIT = UO ( ) C V V UTRAV − − T DS ox GS
LEVEL=2的模型参数
LEVEL=3的模型参数
LEVEL=4的模型参数
LEVEL=4的模型参数 续
几种模型模拟结果比较
6.7
8.5
106
6
106
6
106
9.2
106
考虑速度饱和后的饱和区电流
I Dsat = WCox (VGS − VT − VDsat )vS
(VGS − VT ) LE sat = (VGS − VT ) + LE sat
VDsat
夹断饱和与速度饱和的差别
5 热电子效应
热电子产生机制 热电子效应的影响 沟道电场的简单模型 用LDD结构抑制热电子效应
薄氧化层的隧穿问题
栅氧化层厚度的优化设计
2 窄宽度效应
∆VT(NWE)
δπε 0ε si (2φ F − VBS ) = 4WCox
3 饱和区沟长调制效应
VGS >VT
VDS >VD sat
n+
Qc
L eff
∆L
n+
y= 0
y=L
∆L
L
= λVDS ,
Leff = L(1 − λVDS )
= C2 I D e
− 1.3eV I n = C3 I D exp qλE m
漏端电场的简化模型
漏端最大电场
漏端最大电场 理论模型 实验数据拟合
VD − VDsat Em ≈ l
ε si l = x t j ox ε ox
l≈
1/ 2
1/ 2 1/ 3 0.22 x j t ox
沟道热电子的产生和发射
横向能带图
纵向能带图
P = A exp(− xc / λ )
热电子效应引起阈值电压漂移
热电子效应引起的几种非正常电流
热电子效应引起的非正常电流
−ϕ i / kTe
I sub = C1 I D e
I g = C2 I D e
,
kTe
=qBiblioteka E mϕ b / λEmqϕ b / kTe
漏致势垒降低(DIBL)效应 (Drain Induced Barrier Lowering)
∆VT = VT (VDS ) − VT (VDS ≈ 0) = −σVDS σ= ε 0ε si (σ 0 + σ 1VSB ) πCox L
m
, m = 3, σ 1 = 0
阈值电压随漏电压的变化
阈值电压随沟道长度的变化