模拟集成电路设计3

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第,3,章,提纲：,3.1 MOS,结构及工作特性,3.2,简单的,MOS,大信号模型,3.3,其他,MOS,管大信号模型的参数,3.4 MOS,管的小信号模型,3.5,计算机仿真模型,3.6,亚阈值电压区,MOS,模型,3.7 MOS,电路的,SPICE,模拟,3.8,小结,第,3,章,CMOS,器件模型,2,第,3,章第,1,节,3.1 MOS,结构及工作特性,3,一、,MOS,结构,3-1,:,MOS,结构及工作特性,4,二、,EMOSFET,沟道的形成,3-1,:,MOS,结构及工作特性,5,1.,当,V,DS,=0.1V,时，,NEMOSFET,的转移特性,3-1,:,MOS,结构及工作特性,当,v,GS,v,T,i,D,=0;,当,v,GS,v,T,v,GS,i,D,。,三、,NEMOSFET,的特性,沟道夹断,沟道开启,沟道开启,6,2.,当,V,GS,=2 V,T,时，,NEMOSFET,的输出特性,3-1,:,MOS,结构及工作特性,当,0,v,DS,v,T,v,GS,i,D,;,当,v,DS,v,GS,-,v,T,v,DS,i,D,基本不变。,当,0,v,DS,v,T,v,DS,v,GS,-,v,T,时,v,DS,i,D,基本不变；,预夹断前：,当,0,v,DS,v,GS,-,v,T,v,DS,i,D,；,v,T,=1,V,夹断：,当,v,GS,v,T,i,D,=0;,i,D,v,DS,的关系,v,GS,为参变量,9,5.NEMOSFET,的转移特性,3-1,:,MOS,结构及工作特性,当,v,GS,v,T,时,v,GS,i,D,。,v,T,=1,V,i,D,v,GS,的关系,v,DS,为参变量,10,第,3,章第,2,节,3.2,简单的,MOS,大信号模型,特点,:,简单,适合于手工计算（,level 1),11,一、,大信号模型依据,3-2,:,简单的,MOS,大信号模型,由,P34_,式,2.3-27,v,GS,v,T,v,DS,v,GS,v,T,即非饱和区,二、,饱和电压,v,GS,-,v,T,为不同值时，上式曲线如图：,倒抛物线的极值为饱和电压,12,三、简单,大信号,MOSFET,模型,3-2,:,简单的,MOS,大信号模型,MOS,管的工作分三个区：,1.,截止区：,2.,非饱和区：,3.,饱和区：,i,D,与,v,DS,几乎无关，,v,DS,=,v,GS,v,T,代入模型式：,考虑,v,DS,对输出特性的影响：,13,3-2,:,简单的,MOS,大信号模型,1.,体,-,源电压（,V,BS,),对转移特性的影响,四、,体电压对大信号,MOSFET,模型的影响,2.,体,-,源电压（,V,BS,),对,V,T,的影响,14,五、,MOSFET,参数,3-2,:,简单的,MOS,大信号模型,14,例,3.1-1,简单大信号模型的应用,3-2,:,简单的,MOS,大信号模型,NMOS:,PMOS:,15,第,3,章第,3,节,3.3 MOS,管大信号模型的其他参数,完整的大信号模型,16,一、,电原理图,1.,r,S,r,D,：漏极、源极欧姆电阻,典型值,50100,2.,二极管表示反偏,pn,结：,3.,电容分三类：,耗尽结电容：,C,BD,C,BS,电荷存储电容：,C,GD,D,GS,C,GB,寄生电容,3-3,:,其他,MOS,管大信号模型的参数,17,二、,MOS,电容,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：,C,BD,C,BS,上式,SD,则,C,BS,C,BD,3-3,:,其他,MOS,管大信号模型的参数,P65,18,3.,电荷存储电容：,C,GD,D,GS,C,GB,交叠电容：,C,1,、,C,3,、,C,5,沟道电容：,C,2,、,C,4,珊,-,沟道,珊,-,体,珊,-,源,/,漏,沟道,-,体,C,4,随电压变化,3-3,:,其他,MOS,管大信号模型的参数,19,4.C,GD,、,D,GS,、,C,GB,的表达式,（,1,）截止区：,（,2,）饱和区：,（,3,）非饱和区：,3-3,:,其他,MOS,管大信号模型的参数,20,3-3,:,其他,MOS,管大信号模型的参数,5.C,GD,、,D,GS,、,C,GB,与,V,GS,的关系图,（,1,）截止区：,（,2,）饱和区：,（,3,）非饱和区：,21,三、,噪声,3-3,:,其他,MOS,管大信号模型的参数,1.,均方噪声电流,2.,等效输入均方电压噪声,P69,22,三、,噪声,3-3,:,其他,MOS,管大信号模型的参数,1.,均方噪声电流,2.,等效输入均方电压噪声,3.,等效输入均方电压噪声简化表示,4.,输入均方电压噪声谱密度,23,第,3,章第,4,节,3.4 MOS,管的小信号模型,特点,:,有助于简化计算的线性模型,24,一、,模型电路,3-4,:,MOS,管的小信号模型,g,bd,、,g,bs,很小（反偏结）；,r,D,、,r,S,与大信号模型一样；,C,gs,、,C,gd,、,C,gb,、,C,bs,、,C,bd,与大信号模型一样；,关键参数：,g,m,、,g,mbs,、,g,ds,?,其它参数：均方噪声,25,3-4,:,MOS,管的小信号模型,在饱和区：,1,.,g,m,g,mbs,g,ds,26,3-4,:,MOS,管的小信号模型,27,3-4,:,MOS,管的小信号模型,2.,均方噪声电流,28,第,3,章第,5,节,3.5,计算机仿真模型,计算机仿真需要更为精确的模型,SPICE,仿真器提供“模型库”,建模小组向电路设计组提供模型,第三方设计由晶圆制造厂提供模型,29,3-5,:,计算机仿真模型,小的几何尺寸引起的二阶效应,P,75,一、,SPICE LEVEL3,模型,1.,漏级电流,主要应用于,0.8,um,及其以上工艺,.,2.,阈值电压,3.,饱和电压,4.,有效迁移率,:,5.,沟道长度调制,30,3-5,:,计算机仿真模型,二、,BSIM3v3,模型,更精确的模型,;,主要用于几何尺寸低于,0.8um,以下的工艺,;,成为工业届标准的,MOS,模型。,32,3-5,:,计算机仿真模型,四、几种模型跨导特性比较,33,第,3,章第,6,节,3.6,亚阈值电压区,MOS,模型,（特点：适合于亚阈区，即弱反型区）,34,3-6,:,压阈值电压区,MOS,模型,亚阈值电压区,MOS,模型,（基于,LEVEL3,模型）,P79,平方律,指数律,34,3-6,:,压阈值电压区,MOS,模型,亚阈值电压区,MOS,模型,（基于,LEVEL3,模型）,（,LEVEL3,模型）,（简化模型，适合手工计算）,平方律,指数律,P79,35,第,3,章第,7,节,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,.EDN,二、,MOS,器件描述,M ,例如：,（,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 ,例如：,.MODEL NCH NMOS LEVEL=1 VT0=1 KP=50U GAMMA=0.5,+LAMBDA=0.01,四、分析实例,1.,例,3.6-1,用,SPICE,仿真,MOS,输出特性,38,3-7,:,MOS,电路的,SPICE,模拟,2.,例,3.6-2,直流分析,39,3-7,:,MOS,电路的,SPICE,模拟,3.,例,3.6-3,交流分析,接负载电容,40,3-7,:,MOS,电路的,SPICE,模拟,4.,例,3.6-4,瞬态分析,接负载电容,分段电源,41,3-8,:,小结,小 结,模拟集成电路设计的模型原则,:,使用简单模型设计、精密模型验证,模型有几个部分,大信号静态,(,直流变量,),小信号静态,(,中频增益,电阻,),小信号动态,(,频率响应,噪声,),大信号动态,(,转化率,),此外模型还可以包括,:,温度,噪声,工艺变化,(,蒙特卡罗方法,),计算机模型,必须是有效的数值,尽快来自新技术,模拟设计的,技巧,尽可能远离最小沟道长度,大的,r,ds,大的增益,较好的协议,不使用计算机模型设计，而是设计的验证。,41,3-8,:,小结,作业,P89,页习题,3.1-5,，,3.3-1,，,3.3-5,