集成电路分析与设计-8.ppt

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1、集成电路分析与设计第八章模拟CMOS集成电路设计基础本章概要概述MOSFET结构MOSFET的I-V特性MOSFET二级效应MOS器件小信号模型8.1概述自然界信号的处理（a）自然界信号的数字化（b）增加放大器和滤波器以提高灵敏度8.1概述数字通信失真信号需放大、滤波和数字化后才再处理数字信号通过有损电缆的衰减和失真8.1概述磁盘驱动电子学硬盘存储和读出后的数据8.1概述无线接收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

2、分8.1概述光纤系统光纤系统激光二极管光敏二极管转换为一个小电流高速电流处理器8.1概述传感器(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8.1概述模拟电路设计的困难-1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。模拟电路对噪声、串扰和其它干扰比数字电路要敏感得多。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。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布局的。8.1概述模拟电路设计的困难-

3、2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。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，为了设计高性能的模拟电路，需不停开发新的电路和结构。8.1概述研究模拟CMOS集成电路的重要性CMOS电路因其低成本、低功耗以及速度不断的提高已成为当今SOC设计的主流制造技术。由于模拟电路是SOC中不可缺少的部分，故高性能模拟CMOS电路的设计已成为当今的难点和热点。8.2MOSFET结构器件结构衬低（bulk、body）Ldrawn

4、：沟道总长度LD：横向扩散长度Leff：沟道有效长度，Leff＝Ldrawn－2LD*D、S是对称的，可互换！*所有pn结必须反偏！8.2MOSFET结构同一衬底的MOS管*N-SUB接VDD！*P-SUB接VSS！*阱中MOSFET衬底常接源极SMOS管所有pn结必须反偏:8.2MOSFET结构MOS管符号8.2MOSFET结构MOS器件阈值电压(a)栅压控制的MOSFET(b)耗尽区的形成(c)反型的开始(d)反型层的形成8.2MOSFET结构导电沟道的形成耗尽层NMOS管VGS>VT、VDS=

5、0时的示意图8.2MOSFET结构沟道夹断NMOS管VGS>VT、0

6、x=0=0,V(x)

7、x=L=VDSI-V特性推导-38.3MOSFET的I-V特性对于半导体：(ID为常数)I-V特性推导-48.3MOSFET的I-V特性三

8、极管区(线性区)每条曲线在VDS＝VGS－VTH时取最大值，且大小为：I-V特性推导-58.3MOSFET的I-V特性当V(x)接近VGS-VTH时Qd(x)接近于0，即反型层将在X≤L处终止，沟道被夹断。NMOS管I-V特性阴影部分为饱和区MOSFET的I/V特性8.3MOSFET的I-V特性线性区的MOSFET8.3MOSFET的I-V特性等效为一个压控电阻I-V特性分析沟道电阻随VDS增加而增加导致曲线弯曲曲线开始斜率正比于VGS-VT8.3MOSFET的I-V特性MOSFET的跨导gm8.3

9、MOSFET的I-V特性MOS跨导随过驱动电压和漏电流的变化曲线gm与VDS的关系8.3MOSFET的I-V特性当VDS≥Vb–VTH，M1处于饱和状态，此时：当VDS＜Vb–VTH，M1开始进入三极管区，此时：MOS管工作状态的判断8.3MOSFET的I-V特性NMOS饱和条件：Vd≥Vg-VTHNPMOS饱和条件：Vd≤Vg+

10、VTHP

11、判断MOS管是否工作在饱和区时，不必考虑Vs！体效应无体效应源极跟随器有体效应8.4MOSFET二级效应沟道调制效应-18.4MOSFET二级效应沟道长度调制效

12、应：沟道夹断后，随着栅和漏之间的电压差增大，实际的反型沟道逐渐减小这种现象使ID/VDS特性曲线在饱和区出现非零斜率。这一效应成为“沟道长度调制”沟道调制效应-28.4MOSFET二级效应跨导gm123上式中:跨导gm123亚阈值导电性8.4MOSFET二级效应亚阈值导电：当VGS下降到VGS≈VTH时，一个“弱”的反型层仍然存在，并有一些源漏电流。甚至当VGS＜VTH，ID也并非是无限小，而是与VGS呈现指数关系，这种效应称作“亚阈值导电”。ζ>1,是一个非理想因子