CMOS模拟集成电路设总复习教学提纲

VT

2 0.1103 110106 40

0.7

0.91V
M1饱和：VDS1 VGS1 VT
Vb VGS2 VGS1 VT
Vb VGS1 VGS2 VT

2I REF

K ' (W / L)2
2I REF K '(W / L)1
VT
2 0.1103
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
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
P--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。
解：假设(W/L)5=m(W/L)1
Vout mR2 I D1 VEB3
VEB1 R1I D1 VEB2
I VT ln(n) R1
Vout

mR2 R1
VT
ln(n) VEB3
Vout 2 ln(n) k VEB3 2m ln(n) 8.67 102 2.2 0
2 0.1103 110106 40
1.4
1.61V
获得稳定的输出
电流要求所有管 1.11V Vb 1.61V
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
Vout VBE2 (R2 R3 )I
VBE1 VBE2 R3I
I VBE VT ln(n)
R3
R3
Vout
VBE2
VT
ln( n)(1
R2 ) R3
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~M4的 宽长比均相等，R2/R1=2，ID1=ID2=50uA，且Q3和Q1相同。
iO W2 L1 iI W1L2
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 VGS1
2I REF K '(W / L)1
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）：
iD

0COXW
L
[(vGS
VT )vDS

1 2
vDS
2
]
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） COX : 单位面积栅氧化物电容（F/cm2） W : 器件的宽长比
2 0.1103
110106 40 0.7 110106 40
1.11V
例题
M2饱和： VDS2 VGS2 VT
VGS1 (Vb VGS2 ) VGS2 VT
Vb VGS1 VT

2I REF K '(W / L)2
VT
VT

L
COX

OX
tOX
K': 跨导参数
K ' COX 0
MOS管的大信号模型
饱和区电流（以NMOS为例）：
iD

K'
W 2L
(vGS
VT
)2
线性区电流（以NMOS为例）：
iD

K'W L
[(vGS
VT
)

( vDS 2
)]vDS
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
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)
MOSFET的工作原理—饱和过程
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
总复习
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
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
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。
VBE T
300K 2.2mV / 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。
VBE

kT q
ln
n

VT
ln
n(n为两三极管电流比值
)
带隙基准源电路结构
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。
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。
输出电阻
1
ro I D
增益 Av Baidu Nhomakorabeagmro
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）