MOS电容仿真方法
功率场效应晶体管MOSFET特性试验研究及仿真 - 副本
3、纯电阻及阻感负载时，MOSFET开关特性的测试研究；
二、基本要求
1、学功率场效应晶体管MOSFET的有关参数的测定方法和工作原理，设计实验步骤，做线路搭接并进行实验研究。
2、实验数据整理、绘制曲线，对实验结果和理论结果进行对比分析。
3、使用MATLAB软件对各主电路进行仿真。
放大原理和主要参数辅以实验来化解和提高学习效率是研究场效应管行之有效的方法。但由于目前MOS场效应管的实验装置普遍存在弊端，即实验装置没有充分考虑到场效应管易损的因素，即实验者误操作、带电连接电路，造成实验中场效应管大量损坏，导致实验不能顺利完成，乃至正常开展。经调查，目前高校开展MOS场效应管测试实验的较少，无法深入甚至放弃。
场效应管是一种电压控制半导体器件，应用非常广泛。目前与我们的日常生活高度相关，如现代电子计算机、超大规模成电路、数码相机、开关电源、控制电路、液晶电视、数码音响、热释电传感器等就是以场效应管为基本器件构成和发展起来的。
MOS场效应管由于特殊的结构和工艺，其栅极与导电沟道没有电接触，即绝缘的，故它的输入电阻很高，可达109Ω以上，工作时几乎栅极不取电流，又栅-源极间电容非常小，极易受外界电磁场或静电的感应而带电，而少量电荷就可在极间电容上形成相当高的电压（U=Q/C），将管子损坏。通俗地说，MOS场效应管比较“娇气”。因此MOS场效应管出厂时各管脚都绞合在一起，或装在金属箔内，使G极与S极呈等电位，防止积累静电荷。管子不用时，全部引线也应短接。在测量时应格外小心，并采取相应的防静电感措施。
1、当需要进入实验室做毕设实验研究时，一定要遵守实验室学生守则。
2、不准在实验室内吸烟，喧哗、打闹等。不准在实验室内吃零食。
3、要爱护设备、仪器、仪表，轻拿轻放。旋钮使用不要用力过猛，防止机械性损坏；不要超量程扭动，以确保仪器、仪表等的完好和安全使用。
MOS结构电容-电压特性
MOS 结构高频C-V 特性测试MOS 结构电容-电压特性（简称C-V 特性）测量是检测MOS 器件制造工艺的重要手段。
它可以方便地确定二氧化硅层厚度ox d 、衬底掺杂浓度N 、氧化层中可动电荷面密度I Q 、和固定电荷面密度fc Q 等参数。
本实验目的是通过测量MOS 结构高频C-V 特性及偏压温度处理（简称BT 处理），确定ox d 、N 、I Q 和fc Q 等参数。
一、 实验原理MOS 结构如图1（a ）所示，它类似于金属和介质形成的平板电容器。
但是，由于半导体中的电荷密度比金属中的小得多，所以充电电荷在半导体表面形成的空间电荷区有一定的厚度（—微米量级），而不像金属中那样，只集中在一薄层（—0.1nm ）内。
半导体表面空间电荷区的厚度随偏压G V 而改变,所以MOS 电容是微分电容 GG dV dQ A C = （1） 式中G Q 是金属电极上的电荷面密度,A 是电极面积。
现在考虑理想MOS 结构。
所谓理想情形，是假设MOS 结构满足以下条件：（1）金属与半导体间功函数差为零；（2）2O S i 绝缘层内没有电荷；（3）2O S i 与半导体界面处不存在界面态。
偏压V G 一部分在降在2O S i 上，记作ox V ；一部分降在半导体表面空间电荷区，记作S V ,即S OX G V V V += （2）S V 又叫表面势。
考虑到半导体表面空间电荷区电荷和金属电极上的电荷数量相等、符号相反，有G SC Q Q = （3）式中SC Q 是半导体表面空间电荷区电荷面密度。
将式（2）、（3）代入式（1），S ox S ox Sox S ox G G G C C C C C C dV dV dQ A dV dQ A C +=+=+==111 （4） 式（4）表明MOS 电容由ox C 和S C 串联构成，其等效电路如图1（b ）所示。
其中ox C 是以2O S i 为介质的氧化层电容，它的数值不随改变G V ；S C 是半导体表面空间区电容，其数值随G V 改变，因此oxro ox G ox d A dV dQ A C εε0== （5） S SC S dV dQ AC = （6） 式中ro ε是2O S i 相对介电常数。
模拟cmos集成电路设计拉扎维MOS器件物理基础PPT课件
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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
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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
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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
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I/V特性－沟道随VDS的变化
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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4讲 MOS管的电容和讲解
VGS<0
B
堆积状态的等效电容
主要的电容Cgb串联了一个较大的电阻
G
Cgs
Cgb
Cgd
gnd
耗尽状态
VGS不是足够“负”，也不是足够“正”，栅氧化层下 方自由电子或空穴浓度都很低，下极板情况复杂，电容 随电压变化。 +
B S VGS G 少量数目电子 D
FOXP+Fra bibliotekFOX
N+ 耗尽层
N+ 耗尽层与栅氧 化电容C串联
Cgd 漏
Cdb 栅 Csb Cgb Cgs 体
源
任何两极之间存在电容
作为电容使用的MOS管特性
R R
v S
G B D
v
C
在没有好的多晶电容的工艺中，常使用MOS管（栅） 作为电容。
堆积状态
当VGS<0时，空穴被吸附（堆积）到栅氧化层下 方，相当于电容的一个极板（另一个极板为多晶）。
S Cgs FOX P+ FOX N+ Ldiff P衬底 衬底电阻 堆积的空穴 + Cgd G D Cgd N+ Ldiff FOX
PMOS管输入输出特性曲线
阈值电压测量
有多种工程定义：本课程采用“输入特性曲线斜 率变化最大的点对应的电压”。
输出特性曲线
VGS=5V
线性区 饱和区
VGS=4V
VGS=3V
VGS=2V VGS=1V
线性区和饱和区的实验划分方法
线性区 饱和区
统一为:输出特性曲线中斜率变化最大的点。
一些概念问题
Cox
TOX是栅氧化层厚度
ox
TOX
栅极电容与MOS管的WL乘积成正比
第五章-电路仿真
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第二节SIM99中的激励源描述
一、直流源 在库Simulation Symbols.Lib中包含 了如下的直流源元件。 （1）VSRC：电压源。 （2）ISRC：电流源。
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电压/电流源符号 二、正弦仿真源 在库Simulation Symbols.Lib中包含了 如下的正弦源元件。
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正弦电压/电流源符号 三、其他激励源 在库Simulation Symbols.Lib中包 含的其他激励源有：
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半波整流电路原理图
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本电路为一个半波整流电路，输入为 一正弦波的电压源，电压源参数设置如下 设置，经整流滤波后，输出Vhw为一恒压直 流电压。在添加正弦波电压源时，按 “Tab”键修改属性，设置如下对话框。
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参数设置对话框
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AC小信号分析电压 信号振幅 叠加正弦信号上的 直流电压
忽略不用的直流参数
压控振荡源元件
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第三节仿真器的设置
在进行仿真前，设计者必须确定对电 路进行哪种分析，要收集哪个变量数据， 以及仿真完成后要自动显示哪个变量的波 形等。
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一、进入分析主菜单 1、单击Simulate Setup命令，进入 仿真器的设置。 2、单击Setup选项，将启动仿真器设置 对话框，在General选项中，设计者 可以选择分析类别，如图所示。
仿真后波形
分析仿真结果
电路仿真的一般流程
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1、编辑原理图
（1） 在编辑原理图过程中，除了导线、 电源符号、接地符号外，原理图中所有元 件都要取自仿真库（Sim.ddb）。否则在仿 真时,因找不到元件参数而给出错误提示并 终止仿真过程。
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（2）在放置元件操作过程中，元件未固定 前，需按下“Tab”键进入元件属性设置窗 （元件固定后，双击元件同样也会激活属 性设置窗)，在分别单击“Attributes”、 Part Fields 等属性窗标签，设置元件的 仿真参数。
实验四：MOSFET工艺器件仿真(7-8次实验)
# (c) Silvaco Inc., 2013go athena#line x loc=0.0 spac=0.1line x loc=0.2 spac=0.006line x loc=0.4 spac=0.006line x loc=0.6 spac=0.01#line y loc=0.0 spac=0.002line y loc=0.2 spac=0.005line y loc=0.5 spac=0.05line y loc=0.8 spac=0.15#init orientation=100 c.phos=1e14 space.mul=2 two.d#开始进行单步仿真#pwell formation including masking off of the nwell#diffus time=30 temp=1000 dryo2 press=1.00 hcl=3#etch oxide thick=0.02##P-well Implant#implant boron dose=8e12 energy=100 pears#开始提取杂质分布diffus temp=950 time=100 weto2 hcl=3##N-well implant not shown -## welldrive starts herediffus time=50 temp=1000 t.rate=4.000 dryo2 press=0.10 hcl=3 #diffus time=220 temp=1200 nitro press=1#diffus time=90 temp=1200 t.rate=-4.444 nitro press=1#etch oxide all##sacrificial "cleaning" oxidediffus time=20 temp=1000 dryo2 press=1 hcl=3etch oxide all##gate oxide grown here:-diffus time=11 temp=925 dryo2 press=1.00 hcl=3## Extract a design parameterextract name="gateox" thickness oxide mat.occno=1 x.val=0.05##vt adjust implantimplant boron dose=9.5e11 energy=10 pearson#depo poly thick=0.2 divi=10##from now on the situation is 2-D#etch poly left p1.x=0.35#method fermi compressdiffuse time=3 temp=900 weto2 press=1.0#implant phosphor dose=3.0e13 energy=20 pearson#depo oxide thick=0.120 divisions=8#etch oxide dry thick=0.120#implant arsenic dose=5.0e15 energy=50 pearson#method fermi compressdiffuse time=1 temp=900 nitro press=1.0## pattern s/d contact metaletch oxide left p1.x=0.2deposit alumin thick=0.03 divi=2etch alumin right p1.x=0.18# Extract design parameters# extract final S/D Xjextract name="nxj" xj silicon mat.occno=1 x.val=0.1 junc.occno=1# extract the N++ regions sheet resistanceextract name="n++ sheet rho" sheet.res material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.05 region.occno=1# extract the sheet rho under the spacer, of the LDD regionextract name="ldd sheet rho" sheet.res material="Silicon" \mat.occno=1 x.val=0.3 region.occno=1# extract the surface conc under the channel.extract name="chan surf conc" surf.conc impurity="Net Doping" \material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.45# extract a curve of conductance versus bias.extract start material="Polysilicon" mat.occno=1 \bias=0.0 bias.step=0.2 bias.stop=2 x.val=0.45extract done name="sheet cond v bias" \curve(bias,1dn.conduct material="Silicon" mat.occno=1 region.occno=1)\outfile="extract.dat"# extract the long chan Vtextract name="n1dvt" 1dvt ntype vb=0.0 qss=1e10 x.val=0.49structure mirror rightelectrode name=gate x=0.5 y=0.1electrode name=source x=0.1electrode name=drain x=1.1electrode name=substrate backsidestructure outfile=mos1ex01_0.str# plot the structuretonyplot mos1ex01_0.str -set mos1ex01_0.set############# Vt Test : Returns Vt, Beta and Theta ################go atlas# set material modelsmodels cvt srh printcontact name=gate n.polyinterface qf=3e10method newtonsolve init# Bias the drainsolve vdrain=0.1# Ramp the gatelog outf=mos1ex01_1.log mastersolve vgate=0 vstep=0.25 vfinal=3.0 name=gatesave outf=mos1ex01_1.str# plot resultstonyplot mos1ex01_1.log -set mos1ex01_1_log.set# extract device parametersextract name="nvt" (xintercept(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain")))) \ - abs(ave(v."drain"))/2.0)extract name="nbeta" slope(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain")))) \ * (1.0/abs(ave(v."drain")))extract name="ntheta" ((max(abs(v."drain")) * $"nbeta")/max(abs(i."drain"))) \ - (1.0 / (max(abs(v."gate")) - ($"nvt")))quit1、画出结构图，进行单步仿真，代码翻译（第7次实验）2、对比实验（第8次实验）注意：对比仿真时只能改变一个参数，其它参数要恢复到参考代码原始值。
ASIC课程设计——MOS输出级电路设计与Hspice仿真
ASIC课程设计——MOS输出级电路设计与Hspice仿真————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：目录一．背景介绍 (1)二．设计要求与任务 (2)三．电路原理及设计方法 (2)1．电阻负载共源级放大器电路原理分析 (3)2．有源负载共源放大器设计方法 (5)四．HSpice软件环境概述 (7)1．简介 (7)2．特点 (8)3．界面预览 (8)五．设计过程 (10)六．结果和讨论 (11)七．设计心得 (12)八．库文件程序附录 (13)一．背景介绍ASIC是Application Specific Integrated Circuit的英文缩写，在集成电路界被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。
ASIC的设计方法和手段经历了几十年的发展演变，从最初的全手工设计已经发展到现在先进的可以全自动实现的过程。
在集成电路界ASIC被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。
是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。
ASIC的特点是面向特定用户的需求，ASIC在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。
ASIC分为全定制和半定制。
全定制设计需要设计者完成所有电路的设计，因此需要大量人力物力，灵活性好但开发效率低下。
如果设计较为理想，全定制能够比半定制的ASIC芯片运行速度更快。
半定制使用库里的标准逻辑单元（Standard Cell），设计时可以从标准逻辑单元库中选择SSI（门电路）、MSI（如加法器、比较器等）、数据通路（如ALU、存储器、总线等）、存储器甚至系统级模块（如乘法器、微控制器等）和IP核，这些逻辑单元已经布局完毕，而且设计得较为可靠，设计者可以较方便地完成系统设计。
现代ASIC常包含整个32-bit处理器，类似ROM、RAM、EEPROM、Flash的存储单元和其他模块. 这样的ASIC常被称为SoC（片上系统）。
MOS器件建模及仿真 ppt课件
IC设计
（DC、AC及瞬态分析）
● MOSFET模型
器件模型是通过I-V, C-V以及器件中载流子输运过程 描述器件的端特性，这些模型应能够反映器件在所有 工作区域的特性. 分为物理模型和等效电路模型。
▲ 器件物理模型 根据器件的几何图形、掺杂分布、载流子输运方程和材
料特性等预测器件的端特性和输运特性. 特点：1）通常需要二维或三维的数值计算；
2）能揭示器件的内在物理效应； 3）一般只适用于器件物理研究和器件开发； 4）部分工作区能找到收敛的解析模型，可应用于电 路模拟器.
▲ 等效电路模型 将器件等效成由一些基本单元组成的电路，器件特性由
该等效电路特性来描述. 特点：1）可解析求解；
2）不能揭示器件的内在物理效应； 3）适合于电路模拟器.
p
x
● MOSFET结构和工作原理
1、MOSFET的基本结构
2 、MOSFET的工作原理
VGS来控制沟道的导电性,从而 控制漏极电流 ID ,是一种电压 控制型器件.
当 VGS＜VT（称为阈值电压）时,源漏之间隔着P区,漏结反偏, 故无漏极电流.当VGS >VT 时,栅下的P型硅表面发生强反型,形成 连通源区和漏区的N型沟道,产生漏极电流ID. 对于恒定VDS ,VGS 越大,则沟道中的可移动电子就越多,沟道电阻就越小,ID 就越大.
p t
1 q
Jp
R
上式中，R = U - G ，U、G 、R 分别为复合率、产生率和净
复合率。R > 0 表示净复合，R < 0 表示净产生。
③ 电子与 空穴的电流密度方程：
Jn qDnn qnn J p qDpp q p p
第七章 MOS管模拟集成电路设计基础
2. 以多晶硅作为下极板的MOS电容器 以多晶硅作电容器下极板所构造的MOS电容器是无极性电
容器，如下图所示。这种电容器通常位于场区，多晶硅下极板 与衬底之间的寄生电容比较小。
（a）金属做上极板 （b）多晶硅做上极板 图7.2.3 多晶硅为下极板的MOS电容器结构
3.薄膜电容器 在某些电路中，需用较大的电容或对电容有某些特殊要求，
7.2 MOS模拟集成电路中的基本元器件
7.2.1 模拟集成电路中电阻器----无源电阻和有源电阻
1. 掺杂半导体电阻 (1)扩散电阻
所谓扩散电阻是指采用热扩散掺杂的方式构造而成的电阻。 这是最常用的电阻之一，工艺简单且兼容性好，缺点是精度稍 差。 (2)离子注入电阻
同样是掺杂工艺，由于离子注入工艺可以精确地控制掺杂 浓度和注入的深度，并且横向扩散小，因此，采用离子注入方 式形成的电阻的阻值容易控制，精度较高。
社，2004年5月（21世纪高等学校电子信息类教材）.
第七章 MOS管模拟集成电路设计基础 7.1 引言
1、采用数字系统实现模拟信号处理 现实世界中的各种信号量通常都是以模拟信号的形式出现
的，设计一个电路系统的基本要求，就是采集与实现系统功能 相关的模拟信号，按系统的功能要求对采集的信号进行处理， 并输出需要的信号（通常也是模拟量）。
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。
Hale Waihona Puke 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7.3.1 NMOS基本电流镜
MOS可变电容
Vctrl P+
P+ n-well p-sub (b) D=S=B MOS G
N+
Vctrl P+
第四章
可变电容特性分析
第四章
可变电容特性分析
本章首先分析了可变电容的小信号和大信号的差别， 得出了像电感电容谐振电路这样的 大信号电路必须采用可变电容的大信号分析方法的结论。 接着对电感电容谐振回路中的非线 性可变电容进行大信号分析， 推导了采用非线性可变电容的电感电容谐振电路的有效电容的 计算公式。 但是对于采用阶跃可变电容(反型 MOS 管电容和累积型 MOS 管电容)的电感电容 压控振荡器电路，该方法在复杂度和精度上都存在很大问题。因而本章又从时间域角度，对 电感电容谐振电路的周期计算方法在理论上进行了系统推导， 阐述了阶跃可变电容能够进行 频率控制的本质， 得到了一种计算频率－电压曲线的有效方法。 仿真和测试验证结果表明该 公式计算的 F-V 曲线与仿真和测试结果非常吻合。 4.1 引言 近几年无线通信系统的蓬勃发展推动了低成本、低功耗 CMOS 无线收发机的研究与开 发。同时 CMOS 工艺技术的不断进步，使得无线收发机系统中大部分单元电路，如低噪声 放大器(LNA)、混频器（Mixer） 、本机振荡器(Local Oscillator)以及中频滤波器(IF Filter)等都 能够单片实现。无源器件(片上电感和可变电容)的片上实现问题的解决，使得本机振荡器的 单片集成成为可能。 互补、交叉耦合负跨导结构的电感电容压控振荡器如图 4.1 所示，它是由交叉耦合的 PMOS 管和 NMOS 管产生一个负跨导，抵消片上电感和可变电容中的串联电阻，从而使得 电感电容谐振电路能够持续振荡起来。 目前有许多发表的文章[1-4][9][10]中的振荡器电路采 用了互补、交叉耦合负跨导结构，它们的频率－电压压控曲线都是采用 SPICE 仿真或者是 测试得到的，很少是通过理论方法计算得到的。在文献[3]中，S. Levantino 等人提出了一种 频率－电压压控曲线分析方法， 并且采用数值计算的方法得到了压控曲线。 我们知道数值计 算是一个复杂而且费时的方法， 特别是在改变偏置电流的情况下， 整个数值计算方法需要重 新进行演算。M.Tiebout[2]和 R. L.Bunch[4]等人也分析了可变电容的大信号现象，但他们的
mos管作为电容的曲线
mos管作为电容的曲线电容是电学中的一个重要概念，它是用来描述电路中存储电荷的能力的。
在电路中，电容器是最常见的元件之一。
电容器通常由两个导体之间隔绝的介质所组成，例如空气、塑料、玻璃等。
在电路中，电容器可以有效地存储电荷，当电源施加电压时，电荷会被存储在电容器的两个板之间。
这时，电容器会具有电荷和电场，形成一种电场能。
为了更好地理解电容的特性，我们可以观察一下电容器的电压和电荷之间的关系。
当电压升高时，电容器存储的电荷也会增加。
这是由于电容器的存储能力，也可以理解为电容与电压之间的线性关系。
我们可以用一个简单的公式来表示电容的存储能力，即C = Q/V，其中C表示电容（以法拉为单位），Q表示电容器存储的电荷量（以库仑为单位），V表示电容器上施加的电压（以伏特为单位）。
当电荷量不变时，电容器的电压升高，电容器的电容也会增加。
这意味着在电路中，电压可以调节电容的大小，从而调节电容器的存储能力。
除了存储电荷外，电容器还具有一些其他的特性。
其中一个重要特性是电容器的充电和放电过程。
当一个电容器连接到电源电路时，电容器会逐渐累积电荷，直到达到电源电压的稳定值。
这个过程被称为充电过程。
在充电过程中，电容器的电压与时间的关系可以用一个指数函数来描述。
当电容器处于充电状态时，如果将其与电路断开，电容器上存储的电荷将通过电路中的负载器件释放出来。
这个过程被称为放电过程。
在放电过程中，电容器的电压与时间的关系也可以用一个指数函数来描述。
除了充电和放电过程，电容器还可以在电路中形成谐振电路。
谐振电路是一种特殊的电路，可以在特定的频率下产生共振现象。
在谐振电路中，电容器和电感之间的相互作用会形成一个共振频率，当电路中的输入信号的频率等于共振频率时，电容器和电感之间的能量交换达到最大值，从而产生共振现象。
除了上述特性外，电容器还具有一些其他的应用。
例如，电容器可以用于滤波电路，用于消除电路中的噪声和杂波；电容器还可以用于存储能量，例如用于电池等电源中；电容器还可以用于启动电动机等等。
MOS可变电容
C (V )
gm
VGS
IDS
(a) Variable Capacitor Model
(b) PN Junction Varactor
图 4.4
MOS 管的小信号跨导
图 4.5
可变电容模型和 PN 结电容
用大信号分析公式，
dCss (V ) dQ d ( Css (V ) ⋅ V ) dV (4.4) = = Css (V ) +V dt dt dt dt 为了验证该现象， 我们采用 HSPICE 软件仿真了具有相同小信号电容的可变电容模型和 I=
第四章
可变电容特性分析
第四章
可变电容特性分析
本章首先分析了可变电容的小信号和大信号的差别， 得出了像电感电容谐振电路这样的 大信号电路必须采用可变电容的大信号分析方法的结论。 接着对电感电容谐振回路中的非线 性可变电容进行大信号分析， 推导了采用非线性可变电容的电感电容谐振电路的有效电容的 计算公式。 但是对于采用阶跃可变电容(反型 MOS 管电容和累积型 MOS 管电容)的电感电容 压控振荡器电路，该方法在复杂度和精度上都存在很大问题。因而本章又从时间域角度，对 电感电容谐振电路的周期计算方法在理论上进行了系统推导， 阐述了阶跃可变电容能够进行 频率控制的本质， 得到了一种计算频率－电压曲线的有效方法。 仿真和测试验证结果表明该 公式计算的 F-V 曲线与仿真和测试结果非常吻合。 4.1 引言 近几年无线通信系统的蓬勃发展推动了低成本、低功耗 CMOS 无线收发机的研究与开 发。同时 CMOS 工艺技术的不断进步，使得无线收发机系统中大部分单元电路，如低噪声 放大器(LNA)、混频器（Mixer） 、本机振荡器(Local Oscillator)以及中频滤波器(IF Filter)等都 能够单片实现。无源器件(片上电感和可变电容)的片上实现问题的解决，使得本机振荡器的 单片集成成为可能。 互补、交叉耦合负跨导结构的电感电容压控振荡器如图 4.1 所示，它是由交叉耦合的 PMOS 管和 NMOS 管产生一个负跨导，抵消片上电感和可变电容中的串联电阻，从而使得 电感电容谐振电路能够持续振荡起来。 目前有许多发表的文章[1-4][9][10]中的振荡器电路采 用了互补、交叉耦合负跨导结构，它们的频率－电压压控曲线都是采用 SPICE 仿真或者是 测试得到的，很少是通过理论方法计算得到的。在文献[3]中，S. Levantino 等人提出了一种 频率－电压压控曲线分析方法， 并且采用数值计算的方法得到了压控曲线。 我们知道数值计 算是一个复杂而且费时的方法， 特别是在改变偏置电流的情况下， 整个数值计算方法需要重 新进行演算。M.Tiebout[2]和 R. L.Bunch[4]等人也分析了可变电容的大信号现象，但他们的
两级CMOS运算放大器的设计与spectrum仿真
LAB2 两级CMOS 运算放大器的设计V SSvoutiref图 1两级CMOS 运算放大器一：基本目标：参照《CMOS 模拟集成电路设计第二版》p223.例6.3-1设计一个CMOS 两级放大器，满足以下指标：5000/(74)v A V V db = 2.5DD V V = 2.5SS V V =-5GB MHz = 10L C pF = 10/SR V s μ>out V V ±范围=2 1~2ICMR V =- 2diss P mW ≤相位裕度：60为什么要使用两级放大器，两级放大器的优点：单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此单级电路增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。
在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的。
要想得到大的增益我们可以采用共源共栅结构来极大地提高输出阻抗的值，但是共源共栅结构中堆叠的MOS 管不可避免地减少了输出电压的范围。
因为多一层管子就要至少多增加一个管子的过驱动电压。
这样在共源共栅结构的增益与输出电压范围相矛盾。
为了缓解这种矛盾引进了两级运放，在两极运放中将这两点各在不同级实现。
如本文讨论的两级运放，大的增益靠第一级与第二级相级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级这个共源放大器来获得。
表1 典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性二：两级放大电路的电路分析：图1中有多个电流镜结构，M5,M8组成电流镜，流过M1的电流与流过M2电流1,23,45/2d d d I I I ==，同时M3，M4组成电流镜结构，如果M3和M4管对称，那么相同的结构使得在x ，y 两点的电压在Vin 的共模输入范围内不随着Vin 的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。
图1所示，Cc 为引入的米勒补偿电容。
表2 0.5m μ工艺库提供的模型参数表3 一些常用的物理常数利用表2、表3中的参数/OX ox ox C t ε=0oxK C μ'=计算得到2110/NK A V μ'≅ 262/PK A V μ'≅ 第一级差分放大器的电压增益为：1124m v ds ds g A g g -=+ （1）第二极共源放大器的电压增益为6267m v ds ds g A g g -=+ （2）所以二级放大器的总的电压增益为16261224675246672()()m m m m v v v ds ds ds ds g g g g A A A g g g g I I λλλλ===++++ （3）相位裕量有111121180tan ()tan ()tan ()60M GB GB GB p p z ---Φ=±---=要求60°的相位裕量，假设RHP 零点高于10GB 以上11102tan ()tan ()tan (0.1)120v GBA p ---++= 102tan ()24.3GBp -= 所以2 2.2p GB ≥ 即622.2()m m L cg gC C > 由于要求60的相位裕量，所以626210()10m m m m c cg gg g C C >⇒> 可得到 2.20.2210Lc L C C C >==2.2pF 因此由补偿电容最小值2.2pF ，为了获得足够的相位裕量我们可以选定Cc=3pF 考虑共模输入范围：在最大输入情况下，考虑M1处在饱和区，有3131(max)(max)DD SG n IC n TN IC DD SG TN V V V V V V V V V V --≥--⇒≤-+ （4）在最小输入情况下，考虑M5处在饱和区，有1515(min)(min)IC SS GS Dsat IC SS GS Dsat V V V V V V V V --≥⇒≤++ （5）而电路的一些基本指标有11m v Cg p A C =-（6） 62m Lg p C =-（7） 61m Cg z C =（8） 1m Cg GB C =（9） CMR:正的CMR in31()()DD T T V V V +（最大）=V 最大最小 (10)负的CMR in15()()SS T DS V V V ++（最小）=V 最大饱和(12)由电路的压摆率5d CI SR C =得到 5d I =(3*10-12)()10*106)=30μA(为了一定的裕度，我们取40iref A μ=。
PSPICE仿真流程
PSPICE仿真流程(2013-03-18 23:32:19)采用HSPICE 软件可以在直流到高于100MHz 的微波频率范围内对电路作精确的仿真、分析和优化。
在实际应用中，HSPICE能提供关键性的电路模拟和设计方案，并且应用HSPICE进行电路模拟时，其电路规模仅取决于用户计算机的实际存储器容量。
二、新建设计工程在对应的界面下打开新建工程：2）在出现的页面中要注意对应的选择3）在进行对应的选择后进入仿真电路的设计：将生成的对应的库放置在CADENCE常用的目录中，在仿真电路的工程中放置对应的库文件。
这个地方要注意放置的.olb库应该是PSPICE文件夹下面对应的文件，在该文件的上层中library 中的.olb中的文件是不能进行仿真的，因为这些元件只有.olb，而无网表.lib。
4）放置对应的元件：对于项目设计中用到的有源器件，需要按照上面的操作方式放置对应的器件，对于电容，电阻电感等分离器件，可以在libraries中选中所有的库，然后在滤波器中键入对应的元件就可以选中对应的器件，点击后进行放置。
对分离元件的修改直接在对应的元件上面进行修改：电阻的单位分别为：k m;电容的单位分别为：P n u ;电感的单位分别为：n 及上面的单位只写量级不写单位。
5）放置对应的激励源：在LIBRARIES中选中所有的库，然后键入S就可以选中以S开头的库。
然后在对应的库中选中需要的激励源。
激励源有两种一种是自己进行编辑、手工绘制的这个对应在库中选择：另外一种是不需要自己进行编辑：该参数的修改可以直接的在需要修改的数值上面就行修改，也可以选定电源然后点击右键后进行对应的修改。
6）放置地符号：地符号就是在对应的source里面选择0的对应的标号。
7）直流电源的放置：电源的选择里面应该注意到选择source 然后再选定VDC或者是其它的对应的参考。
8）放置探头：点击对应的探头放置在感兴趣的位置处。
6 对仿真进行配置：1）对放置的项目的名称进行设置，也就是设置仿真的名称。
第4讲 MOS管的电容和讲解
-+
B
S
VGS<0
Cgd
G
D
Cgs
Cgd
FOX P+ P衬底
FOX N+ Ldiff
衬底电阻
N+ FOX Ldiff 堆积的空穴
堆积状态的等效电容
? 主要的电容Cgb串联了一个较大的电阻
G
Cgs
Cgb
Cgd
gnd
耗尽状态
VGS不是足够“负”，也不是足够“正”，栅氧化层下
方自由电子或空穴浓度都很低，下极板情况复杂，电容
PMOS管输入输出特性曲线
阈值电压测量
有多种工程定义：本课程采用“输入特性曲线斜 率变化最大的点对应的电压”。
输出特性曲线
线性区
饱和区
VGS=5V VGS=4V
VGS=3V VGS=2V VGS=1V
线性区和饱和区的实验划分方法
线性区
饱和区
统一为:输出特性曲线中斜率变化最大的点。
一些概念问题
第4讲 MOS管外特性和寄生电容
直流特性
（1）输入转移特性 VDS固定，ID与VGS的关系
（2）输出特性 对于各种固定的VGS，ID与VDS的 关系。
ID
mn nd
ng
+
NMOS管测试
vds
电路
vgs +
-
gnd
PMOS管测试电路
PMOS管实际工作时如图（a），但仿真测试时一般
用图（b）,电路画法与NMOS相同，但VGS和VDS都 加负压。
? MOS管的理想输出特性是什么样？ ? 晶体管能够放大信号的根本原因？ ? 数字电路中MOS管主要工作在什么区？ ? 模拟电路中的MOS管主要工作在什么区？
mos输入电容和输出电容 反向传输电容测试原理
《MOS输入电容和输出电容反向传输电容测试原理》一、MOS输入电容的概念及测试原理MOS输入电容（Cin）是指MOS场效应管输入端的电容，它是由栅极和源极之间的结电容和栅极与基底之间的扩散电容所组成的。
输入电容是MOS场效应管的重要参数之一，它直接影响着MOS管的高频特性和输入阻抗。
在测试MOS输入电容时，可以采用交流稳态法来测量。
测试原理是将待测MOS管的栅极加上一定频率的信号，通过测量输入端的电流与电压的相位差，计算得到输入电容的值。
二、MOS输出电容的概念及测试原理MOS输出电容（Cout）是指MOS场效应管输出端的电容，它是由漏极和源极之间的结电容和漏极与基底之间的扩散电容所组成的。
输出电容也是MOS管的重要参数之一，它直接影响着MOS管的高频特性和输出阻抗。
测试MOS输出电容的方法通常是采用相应的测试仪器，如示波器和高频参数测量仪等，通过施加不同的电压和频率信号，测量输出端的电压变化来计算输出电容的数值。
三、反向传输电容测试原理在MOS管中，由于通道区域的载流子浓度和MOS结电容的存在，使得栅极与漏极之间存在着反向传输电容。
在进行反向传输电容的测试时，可以利用交流测量方法，通过测量栅极和漏极之间的电压变化，从而得到反向传输电容的数值。
而这个数值对于MOS管的高频特性和开关速度有着重要的影响。
四、个人观点在实际的电路设计与应用中，对MOS输入电容和输出电容以及反向传输电容的测试原理的深入理解是非常重要的。
只有充分了解这些参数的特性和测试方法，才能更好地优化电路设计、提高系统的性能，并解决实际使用中遇到的问题。
在工程实践中，需要不断学习和探索，加深对这些知识的理解和应用。
总结回顾：通过本文的阐述，我们对MOS输入电容和输出电容的概念及测试原理有了更深入的了解。
我们也了解到反向传输电容的测试原理在MOS 管的应用中具有重要的作用。
在实际应用中，对这些参数的准确测试和分析至关重要，因此我们需要认真对待，并不断学习和实践。