CMOS模拟集成电路设总复习教学文案

VGS
S
G
D 反型层
N+
N+
E
P--Si
VGS越大吸引到半导体表面的电子就越多，当VGS >VT时， 吸引到栅极附近P型硅表面的电子积累形成N型反型薄层。器 件表面的导电类型从原来的P型反型到现在的N型，导电沟道 形成。
MOSFET的工作原理—导通过程
继续增大VGS可使形 成的反型层增宽(N型导电
有源负载反相器
有源负载反相器
M1饱和：VD1SVG1SVT VbVG2SVG1SVT
VbVG1SVG2SVT
2IREF K'(W/L)2
2IREF K'(W/L)1
VT
12 1 0 1 .1 0 0 6 1 4 0 3 0 0.712 1 0 1 .1 0 0 6 1 4 0 3 0
1.11V
例题
M2饱和： VD2SVG2SVT V G 1 S(V b V G 2)S V G 2 SV T
ro
1 ID
Av gmro
跨导
gm
2K'
W L
ID
知识点
1.MOS器件原理 2.电流镜 3.带隙基准 4.反相器（三种类型） 5.差分放大器 6.共源共栅放大器 7.输出放大器 8.运算放大器
电流镜
1.电流的比值等于管子的宽长比的比值（忽略沟道长度调制效应）
iO W 2 L1 iI W1L2
知识点
1.MOS器件原理 2.电流镜 3.带隙基准 4.反相器（三种类型） 5.差分放大器 6.共源共栅放大器 7.输出放大器 8.运算放大器
反相器
高增益放大电路的结构
差分输入级
共源共栅放大级
反相器是所有放大器中最基本的电路
输出级
1.有源负载反相器
2.电流源负载反相器 3.CMOS反相器
VDS =VGS -VT
输出特性曲线
MOS管的大信号模型
MOS管的电流电压关系（以NMOS为例）：
iD0 C L OW X[v ( G S V T)vD S1 2vD2]S
0 : 器件表面迁移率[载流子（电子和空穴）在单位电场作用下
的平均漂移速度，是载流子在电场作用下运动速度的快慢
的量度]（cm2/Vs） C OX : 单位面积栅氧化物电容（F/cm2） W : 器件的宽长比
P--Si
道被夹断。沟道夹断后，源漏之间
等效为一个很大的电阻，电流不会
随着VDS增加，达到饱和。
MOSFET的工作原理—输入、输出特性曲线
ID VDS=10V
VGS(V) 0 VT
VGS =VT
输入特性曲线
ID(mA)
VGS =8V 7V
6V
5V
4V
VGS =VT
0 5 10 15 20
VDS(V)
器件导通以后，此时在漏源之间加上电压VDS便会产生漏 极电流 ID , 随着VDS的增加ID增加。
由于沟道存在电位梯度,栅极
靠近源极的电位为VGS ,而栅极靠近 漏极的电位则为VGD＝VGS－VDS，靠 近漏极的电场较弱，使沟道形状成
VDS
S
G
VGS
N+
ID
D
N+
楔形。当VDS＝VGS－VT 时，导电沟
2.从管子处于饱和区的条件出发，端口导出电压满足的关系
电流镜
例.下图所示电路中，假设M1和M2的宽长比为40/1, M3和M4的宽长 比为120/1,，IREF=0.1mA,试确定VX的值和Vb的允许范围（忽略衬偏 效应）。
解：VX VG1S
2IREF K'(W/L)1
VT
121 00 1.1 061 0 43 00.70.9V 1
VB1 EVB2 ER3I
I VBEVTln(n)
R3
R3
Vou t VB2 EVTlnn()1(R R3 2)
带隙基准源
例.首先推导下图所示电路输出基准电压Vout的表达式，接下来 确定n和(W/L)5使得基准电压在室温下具有零温度系数,已知M1~M 4的宽长比均相等，R2/R1=2，ID1=ID2=50uA，且Q3和Q1相同。
解：假设(W/L)5=m(W/L)1
Vou tm2IR D 1VE3 B
VE1 BR 1ID 1VE2 B
I VT ln(n) R1
Vout mR12RVTlnn()VEB 3
Vou t 2lnn()kVEB 3 2 m ln ) 8 (.6 1 7 20 2 .2 0
T
q T
只要满足右式的所有m，n均可 mlnn()1.27
L
COX
OX
tOX
K ': 跨导参数
K'COX0
MOS管的大信号模型
饱和区电流（以NMOS为例）： iDK'2W L(vGSVT)2
线性区电流（以NMOS为例）： iDK'W L[v(G SV T)(v2 D)Sv]DS
PMOS的饱和区和线性区电流表达式？
小信号模型
MOS管的小信号模型
输出电阻 增益
CMOS模拟集成电路设总复习
MOS器件原理
器件结构
栅极(Gate）
SGD
金属
( Metal ) Al层
N+
N+
P--Si
氧化物 (Oxide) SiO2层
P型Si衬底 (Semiconductor)
MOSFET的工作原理—导通过程
VGS > 0时, 在栅极 下面的二氧化硅中将产 生一个指向P型衬底、且 垂直衬底表面的电场。 电场排斥空穴，吸引电 子到半导体表面。
带隙基准源
带隙基准源基本不受电源和温度的影响
三极管的基极发射极 电压VBE是负温度系数。
VTBE30K02.2mV /C
两个三极管工作在不 同的电流密度下，其 基极发射极电压的差 值 VBE 是正温度系数。
VBEkqTlnnVTlnn(n为两三极管电)流比值
带隙基准源电路结构
V ou tV B2E (R 2R 3)I
Vb VG1SVT
2IREF K'(W/L)2
VT
VT
121001.106104301.4
1.61V
获得稳定的输出
电流要求所有管 1.1V 1Vb1.6V 1
子饱和，则此时
知识点
1.MOS器件原理 2.电流镜 3.带隙基准 4.反相器（三种类型） 5.差分放大器 6.共源共栅放大器 7.输出放大器 8.运算放大器
VG
SS
G
D 反型层
沟道)，将源区和漏区连接 起来。VGS越大,反型层越 宽, 源漏间的导电能力越
N+
N+
E
Hale Waihona Puke BaiduP--Si
强。
将开始形成反型层所需的VGS 值称为开启电压VT , 也称为阈值电压。
开启电压VT是增强型MOSFET的重要参数，其大 小主要取决于SiO2层的厚度以及衬底掺杂浓度。
MOSFET的工作原理—饱和过程