模拟集成电路设计.ppt

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：CBD, CBS
P65 上式S→D 则 CBS→ CBD
18
§3-3: 其他MOS管大信号模型的参数
3.电荷存储电容： CGD, DGS ,CGB
交叠电容： C1、C3 、C5 珊-源/漏 C1 C3 LD Weff Cox CGXO Weff
25
§3-4: MOS管的小信号模型
1. gm,gmbs , gds 在饱和区：
gm (2K'W / L) ID (1 VDS ) (2K'W / L) ID
gmbs
iD vBS
iD vSB
( iD VT
)( VT ) vSB
iD iD VT vGS
gmbs gm 2(2 F
VSB )1/ 2
（a) （b)
多个器件的表示， 从匹配角度看更好。
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§3-7: MOS电路的SPICE模拟
三、MOS模型描述
.MODEL < 模型名> <模型类型> <模型参数>
例如： .MODEL NCH NMOS LEVEL=1 VT0=1 KP=50U GAMMA=0.5 +LAMBDA=0.01
四、分析实例
vGS
VT
n
kT q
（简化模型，适合手工计算）
第3章第7节
35
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 <数字> <漏> <珊> <源> <体> <模型名>…… 例如：
小的几何尺寸引起的二阶效应 P75
1.漏级电流
iDS
BETA vGS
VT
(1 fb 2
)vDE vDE
2.阈值电压
VT
Vbi
(
ETA 8.141022 Cox L3EFF
)vDS
GAMMA
fs (PHI vSB )1/2
fn (PHI vSB )
3.饱和电压
vsat
vgs VT 1 fb
2
KF f CoxWLK '
f
(V
2)
4.输入均方电压噪声谱密度
en2q f
2
f
KF CoxWLK
'
B (V 2 / Hz) f WL
第3章第4节
23
Hale Waihona Puke 3.4 MOS管的小信号模型
特点: 有助于简化计算 的线性模型
§3-4: MOS管的小信号模型
一、模型电路
24
gbd、gbs很小（反偏结）； rD、rS与大信号模型一样； Cgs、Cgd 、 Cgb 、 Cbs 、 Cbd与大信号模型一样； ● 关键参数：gm、gmbs 、 gds ? ● 其它参数：均方噪声
第3章
1
提纲：
第3章 CMOS器件模型
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章第1节
2
3.1 MOS结构及工作特性
1. 体-源电压（VBS)对转移特性的影响
2. 体-源电压（VBS)对VT的影响
§3-2: 简单的MOS大信号模型
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
NMOS: PMOS:
第3章第3节
15
§3.3 MOS管大信号模型的其他参数 完整的大信号模型
预夹断后 预夹断
当vDS>vGS - vT , vDS↑→iD基本 不变。
当0<vDS<vGS - vT ,
vDS↑→ iD↑。
§3-1: MOS结构及工作特性
4. NEMOSFET 的输出特性
vT =1V
8
iD ~ vDS的关系, vGS为 参变量 夹断： 当vGS<vT, iD=0;
预夹断前： 当0<vDS<vGS - vT ,
vDS↑→ iD↑；
预夹断后： 当vGS>vT , vDS>vGS - vT 时, vDS↑→iD基本不 变；
§3-1: MOS结构及工作特性
5. NEMOSFET 的转移特性
9
iD ~ vGS的关系, vDS为 参变量
当vGS<vT时, iD=0； 当vGS>vT时, vGS↑→ iD↑。
vT =1V
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§3-5: 计算机仿真模型
四、几种模型跨导特性比较
第3章第6节
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3.6 亚阈值电压区MOS模型 （特点：适合于亚阈区，即弱反型区）
§3-6:压阈值电压区MOS模型
34
亚阈值电压区MOS模型
（基于LEVEL3 模型）
指数律
平方律
VON VT fast
P79
§3-6:压阈值电压区MOS模型
§3-3: 其他MOS管大信号模型的参数
一、电原理图
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1. rS, rD ：漏极、源极欧姆电阻,典 型值50~100 2. 二极管表示反偏pn结：
3.电容分三类：
耗尽结电容：CBD, CBS 电荷存储电容： CGD, DGS ,CGB 寄生电容
§3-3: 其他MOS管大信号模型的参数
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二、MOS电容
§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
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亚阈值电压区MOS模型
（基于LEVEL3 模型）
指数律
平方律
VON VT fast
P79
iDS
iDS
(VON
,
vDS
,
vSB
)
exp(
vGS VON fast
)
iDS
BETA vON
VT
(1 fb 2
)vDE
vDE
VGS VON
（LEVEL3 模型）
iD
W L
ID0
exp(
vGS ) n(kT / q)
尽可能远离最小沟道长度
大的rds
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
1.例3.6-1 用SPICE 仿真 MOS输出特性
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§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
en2
in2 gm2
8kT(1)
3gm
2
f
KF CoxWLK
'
f
(V 2 )
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§3-3: 其他MOS管大信号模型的参数
三、噪声
1.均方噪声电流
2.等效输入均方电压噪声
en2
in2 gm2
8kT(1)
3gm
2
f
KF CoxWLK
'
f
(V 2 )
3.等效输入均方电压噪声简化表示
en2q
珊-体 2C5 CGBO Leff
沟道电容： C2、C4 珊-沟道 C2 Weff (L 2LD) Cox Weff Leff Cox 沟道-体 C4 随电压变化
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§3-3: 其他MOS管大信号模型的参数 4. CGD、DGS 、CGB 的表达式 （1）截止区：
（2）饱和区：
（3）非饱和区：
沟道夹断
沟道开启 沟道开启
§3-1: MOS结构及工作特性
2. 当VGS=2 VT时，NEMOSFET 的输出特性
6
当0<vDS<vT, vDS↑→iD↑。
预夹断前 预夹断
§3-1: MOS结构及工作特性
3.当VDS=2 VT 时，NEMOSFET 的输出特性
7
当vGS>vT, vGS↑→ iD↑;
§3-2: 简单的MOS大信号模型
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三、简单大信号MOSFET模型
MOS管的工作分三个区： 1.截止区：
2.非饱和区：
3.饱和区： iD 与 vDS几乎无关，vDS= vGS – vT代入模型式： 考虑vDS对输出特性的影响：
§3-2: 简单的MOS大信号模型
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四、体电压对大信号MOSFET模型的影响
§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