CMOS模拟集成电路设计 拉扎维课件

.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8
.endHIT Microelectronics
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Байду номын сангаас
小结
用简单的模型设计（design），用复杂的模型验证 （verification）；
种类
1st 代：MOS1，MOS2，MOS3； 2nd代：BSIM，HSPICE level＝28，BSIM2 3rd代：BSIM3，MOS model9，EKV(Enz-Krummenacher-Vittoz)
目前工艺厂家最常提供的MOS SPICE模型为BSIM3v3 （UC Berkeley）
*model .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
.end
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MOS SPICE模型
例：采样spice进行DC分析
* DC analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K
.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8
.endHIT Microelectronics
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MOS SPICE模型
例：采样spice进行TRAN分析
* TRAN analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K *CL 2 0 5p
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CMOS模拟集成电路设计
单级放大器
王永生 Harbin Institute of Technology Microelectronics Center
Vdd 4 0 DC 5.0 Vin 1 0 DC 1.07 sine(2v 2v 100KHz)
.op .tran .1u 10u .plot tran V(2) V(1) .probe
*model .MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
q是电子电荷，Nsub是衬底 掺杂浓度，Qdep是耗尽区电荷，Cox是单位面积的栅 氧化层电容；
εsi表示硅介电常数。
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MOS器件物理基础
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“本征”阈值电压
通过以上公式求得的阈值电压，通常成为“本征(native)”阈值 电压，典型值为-0.1V.
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2.4.2 MOS小信号模型
=1 λI D
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= β (VGS −VTH ) = 2βI D
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MOS SPICE模型
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MOS SPICE模型
在电路模拟（simulation）中，SPICE要求每个器件都有一 个精确的模型。
Vdd 4 0 DC 5.0 Vin 1 0 DC 5.0
.op .dc vin 0 5 0.1 .plot dc V(2) .probe
*model .MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8
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MOS器件物理基础
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等效电容：
器件关断时，CGD=CGS=CovW，
CGB由氧化层电容和耗尽区电容串连得到
深三极管区时，VD≈VS，
饱和区时，
在三极管区和饱和区，CGB通常可以被忽略。
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MOS器件物理基础
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MOS器件物理基础
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2、MOS器件物理基础
2.1 基本概念
2.1.1 MOSFET的结构
（以n型为例）
栅（G: gate）、源（S: source）、漏（D: drain）、衬底（B: bulk）
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模型用于：
大信号静态 (dc variables) 小信号静态 (gains, resistances) 小信号动态 (frequency response, noise) 大信号动态 (slew rate)
计算机模型（spice model）用于计算机验证，而非 用于设计
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chapter11带隙基准
chapter6频率特性
chapter7噪声
chapter8反馈
chapter3单级放大器 simple Circuits
chapter4差动放大器
Devices
chapter2 MOS器件物理
chapter5电流源
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chapter1绪论
Vdd 4 0 DC 5.0 Vin 1 0 DC 1.07 AC 1.0
.op .ac DEC 20 100 100MEG .plot ac VDB(2) VP(2) .probe
*model .MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
.endHIT Microelectronics
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MOS SPICE模型
例：采样spice进行AC分析
* AC analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K CL 2 0 5p
模拟集成电路的分析与设计，Paul R. Gray， Paul J. Hurst，Stephen H. Lewis，Robert G. Meyer著， 高等教育出版社。
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绪论
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研究模拟集成电路的重要性
Eggshell Analogy of Analog IC Design (Paul Gray)
饱和区（VDS≥VGS-VTH）
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PMOS
MOS器件物理基础
ID参考电流方向
截止区 三极管区（线性区）
饱和区
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MOS器件物理基础
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2.3 二级效应
MOS器件物理基础
MOSFET是一个四端器件
CMOS技术
N阱 HIT Microelectronics
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MOS器件物理基础
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2.1.2 MOS符号
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MOS器件物理基础
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2.2 MOS的I/V特性
BSIM web site: /~bsim3
仿真器：
HSPICE；SPECTRE；PSPICE；ELDO WinSPICE；Spice OPUS Free!
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绪论
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1、绪论
先修课程：模拟电路基础、器件模型、集成电路原理
教材：
模拟CMOS集成电路设计，[美]毕查德.拉扎维 著，陈贵灿 程军 张瑞智 等译，西安交通大学出版社。
参考教材：
CMOS模拟电路设计（第二版）（英文版），[美] Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg 著，电子工业出版社。
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MOS SPICE模型
例：采样spice模拟MOS管的输出特性
*Output Characteristics for NMOS M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
.op .dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds) .probe
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2.4 MOS器件模型
2.4.1 MOS器件电容
栅和沟道之间的氧化层电容 衬底和沟道之间的耗尽层电容 多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容C3，C4，每单
位宽度交叠电容用Cov表示 源/漏与衬底之间的结电容C5，C6，结电容
HIT MicrCoej0l是ect在ro反nic向s 电压VR为0时的电容，ΦB是结的内建电势，m=0.3~0.4王永生
在器件制造工艺中，通常通过向沟道区注入杂质来调整VTH 对于NMOS，通常调整到0.7V（依工艺不同而不同）
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MOS器件物理基础
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2.2.2 MOS器件的I/V特性 NMOS
截止区(VGS<VTH) 三极管区（线性区）（VDS<VGS-VTH）
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2.3.4 电压限制
栅氧击穿 过高的GS电压。
“穿通”效应
过高的DS电压，漏极周围的耗尽层变宽，会到达源 区周围，产生很大的漏电流。
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MOS器件物理基础
2.3.1体效应
对于NMOS，当VB<VS时，随VB下降，在没反型前， 耗尽区的电荷Qd增加，造成VTH增加，也称为“背栅 效应”
其中，γ为体效应系数
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VTH 0
VTH
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2.3.2 沟道长度调制效应
当沟道夹断后，当VDS增大时，沟道长度逐渐减小， 即有效沟道长度L’是VDS的函数。
2.2.1 阈值电压
（以N型FET为例）
耗尽（b）；反型开始（c）；反型（d）
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阈值电压（VTH）定义
NFET的VTH通常定义为界面的电子浓度等于P型衬 底的多子浓度时的栅压。
ΦMS是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差；
定义L’=L-ΔL， ΔL/L=λVDS
λ为沟道长度调制系数。
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2.3.3亚阈值导电性
当VGS≈VTH时和略小于VTH ，“弱”反型层依然存在， 与VGS呈现指数关系。当VDS大于200mV时，
这里ζ>1，VT＝kT/q
MOS SPICE模型
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基本的SPICE仿真
时间独立性
时间独立
时间（频率）依赖
线 线性 小信号，Rin, Av, Rout 小信号频率－频
性
(.TF)
率，零极点响应 （.AC）
非线 DC工作点，DC分析
性
ID＝f(VD, VG, VS, VB)
(.OP, .DC)
大信号瞬态响应 Slew Rate （.TRAN）
CMOS模拟集成电路设计
绪论、MOS器件物理基础
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提纲
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提纲
1、绪论 2、MOS器件物理基础
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研究CMOS模拟集成电路的重要性
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绪论
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AD/DA
PLL
Systems
chapter12开关电容电路
chapter14振荡器
Chapter13非线
chapter10稳定性
性与不匹配
chapter9运算放大器 complex
及频率补偿