MOS器件物理3.pptx
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1、MOS管的小信号模型管的小信号模型MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-低频低频o小信号是指对偏置的影响非常小的信号。小信号是指对偏置的影响非常小的信号。o由于在很多模拟电路中,由于在很多模拟电路中,MOS管被偏置在饱和区,管被偏置在饱和区,所以主要推导出在饱和区的小信号模型。所以主要推导出在饱和区的小信号模型。o在饱和区时在饱和区时MOS管的漏极电流是栅源电压的函数,管的漏极电流是栅源电压的函数,即为一个压控电流源,电流值为即为一个压控电流源,电流值为gmVGS,且由于,且由于栅源之间的低频阻抗很高,因此可得到一个理想的栅源之间的低频阻抗很高,因此可得到一个理想的MOS管的小信号模型,如图
2、所示。管的小信号模型,如图所示。MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-低频低频(a)(b)MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-低频低频o其中(其中(a)为理想的小信号模型。)为理想的小信号模型。o实际的模拟集成电路中实际的模拟集成电路中MOS管存在着二阶效应,而管存在着二阶效应,而由于沟道调制效应等效于漏源之间的电阻由于沟道调制效应等效于漏源之间的电阻ro;而衬;而衬底偏置效应则体现为背栅效应,即可用漏源之间的底偏置效应则体现为背栅效应,即可用漏源之间的等效压控电流源等效压控电流源gmbVBS表示,因此表示,因此MOS管在饱和管在饱和时的小信号等效模型如图时的小信号等效模型如图(b)所示
3、。所示。o上图所示的等效电路是最基本的,根据上图所示的等效电路是最基本的,根据MOS管在电管在电路中不同的接法可以进一步简化。路中不同的接法可以进一步简化。MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-高频高频o在高频应用时,在高频应用时,MOS管的分布电容就不能管的分布电容就不能忽略。即在考虑高频交流小信号工作时必须忽略。即在考虑高频交流小信号工作时必须考虑考虑MOS管的分布电容对电路性的影响,管的分布电容对电路性的影响,o所以所以MOS管的高频小信号等效电路可以在管的高频小信号等效电路可以在其低频小信号等效电路的基础上加入其低频小信号等效电路的基础上加入MOS管的级间电容实现,如图所示。管的级间
4、电容实现,如图所示。MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-高频高频MOS管交流小信号模型管交流小信号模型-高频高频o不同工作状态(截止、饱和、线性)时不同工作状态(截止、饱和、线性)时MOS管的分布电容值不同,因此若进行详细的计管的分布电容值不同,因此若进行详细的计算比较困难,但可以通过软件模拟进行分析。算比较困难,但可以通过软件模拟进行分析。o另外,在高频电路中必须注意其工作频率受另外,在高频电路中必须注意其工作频率受MOS管的最高工作频率的限制(即电路的工管的最高工作频率的限制(即电路的工作频率如高于作频率如高于MOS管的最高工作频率时,电管的最高工作频率时,电路不能正常工作)。路不能正
5、常工作)。CMOS中的电阻、电容中的电阻、电容有源电阻有源电阻 oMOS管的适当连接使其工作在一定状态(饱和区或是线性区),管的适当连接使其工作在一定状态(饱和区或是线性区),利用其直流电阻与交流电阻可以作为电路中的电阻元件使用。利用其直流电阻与交流电阻可以作为电路中的电阻元件使用。o1MOS二极管作电阻二极管作电阻 MOS二极管是指把二极管是指把MOS晶体管的栅极与漏极相互短接构晶体管的栅极与漏极相互短接构成二端器件,如图所示。成二端器件,如图所示。有源电阻有源电阻o由上图可知,由上图可知,MOS二极管的栅极与漏极具有同的二极管的栅极与漏极具有同的电位,电位,MOS管总是工作在饱和区,根据饱
6、和萨氏管总是工作在饱和区,根据饱和萨氏方程可知其转移特性曲线(漏极电流栅源电压间方程可知其转移特性曲线(漏极电流栅源电压间的关系曲线)如下图所示。的关系曲线)如下图所示。NMOSPMOS有源电阻有源电阻(一一)直流电阻直流电阻o此时此时NMOS管的直流电阻为:管的直流电阻为:oPMOS管的直流电阻为:管的直流电阻为:o由以上两式可以发现:由以上两式可以发现:MOS二极管的直流电阻与器二极管的直流电阻与器件的尺寸相关,并且还取决于件的尺寸相关,并且还取决于VGS的值的值。有源电阻有源电阻(二)交流电阻(二)交流电阻o交流电阻可以视为交流电阻可以视为MOS管的输出特性曲线在管的输出特性曲线在VDS
7、VGS时的斜率,对于理想的情况,即忽时的斜率,对于理想的情况,即忽略沟道调制效应时,其值为无穷大。略沟道调制效应时,其值为无穷大。o考虑沟道调制效应时,交流电阻是一有限值,考虑沟道调制效应时,交流电阻是一有限值,但远大于在该工作点上的直流电阻,且其值但远大于在该工作点上的直流电阻,且其值基本恒定。基本恒定。有源电阻有源电阻1)忽略衬底偏置效应)忽略衬底偏置效应o首先根据饱和萨氏方程,可得到其电压与电首先根据饱和萨氏方程,可得到其电压与电流特性:流特性:o则有:则有:o上式说明当流过三极管的电流确定后,上式说明当流过三极管的电流确定后,MOS管的二端压降仅与几何尺寸有关管的二端压降仅与几何尺寸有
8、关。有源电阻有源电阻o再根据再根据MOS二极管的低频小信号模型,有:二极管的低频小信号模型,有:V1V和和IV/rogmV。所以小信号工作时。所以小信号工作时MOS二极管可近似二极管可近似为一个两端电阻,其值为:为一个两端电阻,其值为:由上式可以看出:由上式可以看出:o二极管连接的二极管连接的MOS管的交流电阻等于其跨导的倒数,管的交流电阻等于其跨导的倒数,且为一非线性电阻。且为一非线性电阻。o但由于在模拟电路中一般交流信号幅度较小,因此,在但由于在模拟电路中一般交流信号幅度较小,因此,在直流工作点确定后,可以认为其值为一恒定值。直流工作点确定后,可以认为其值为一恒定值。有源电阻有源电阻2)考
9、虑衬底偏置效应)考虑衬底偏置效应o如果考虑体效应,如下图(如果考虑体效应,如下图(a)所示,由于衬底接地电)所示,由于衬底接地电位,则有:位,则有:V1V,VbsV,其等效电路如下图,其等效电路如下图(b)所示。)所示。(a)(b)有源电阻有源电阻o根据根据KCL定理,由上图(定理,由上图(b)可以得到:)可以得到:o所以此时的等效电阻为:所以此时的等效电阻为:o上式即为考虑了衬底偏置效应与沟道调制效应的小信上式即为考虑了衬底偏置效应与沟道调制效应的小信号电阻,由上式可知:在考虑衬底效应后,从号电阻,由上式可知:在考虑衬底效应后,从M1的的源端看其阻抗降低了。源端看其阻抗降低了。有源电阻有源电
10、阻2MOS管的栅极接固定偏置管的栅极接固定偏置o根据根据MOS管的栅极所接的固定偏置的大小不管的栅极所接的固定偏置的大小不同,同,MOS管可工作于饱和区与三极管区。管可工作于饱和区与三极管区。o在实际应用中,根据输出端不同,又可分为在实际应用中,根据输出端不同,又可分为漏输出与源输出两类工作方式。漏输出与源输出两类工作方式。有源电阻有源电阻1)漏输出,源极交流接地)漏输出,源极交流接地oVGS是固定的,当是固定的,当MOS管的漏源电压大于栅极的管的漏源电压大于栅极的过驱动电压时,过驱动电压时,MOS管工作于饱和区,忽略沟道管工作于饱和区,忽略沟道调制效应时,其阻值为无穷大,但实际阻值应考虑调制
11、效应时,其阻值为无穷大,但实际阻值应考虑沟道调制效应,可用饱和萨氏方程求出:沟道调制效应,可用饱和萨氏方程求出:有源电阻有源电阻o而当漏源电压小于栅极过驱动电压时,而当漏源电压小于栅极过驱动电压时,MOS管工作于三极管区,此时的等效输管工作于三极管区,此时的等效输出电阻为:出电阻为:有源电阻有源电阻2)源输出,漏极交流接地)源输出,漏极交流接地o此时栅源电压随输出电压变化,当此时栅源电压随输出电压变化,当MOS管工作于饱和区时,管工作于饱和区时,其输出电阻为其输出电阻为1/gm;而当;而当MOS管工作于三极管区时,其输管工作于三极管区时,其输出电阻值为:出电阻值为:式中的式中的gm为器件跨导,
12、而为器件跨导,而gd则为器件导纳。且有:则为器件导纳。且有:o所以此时的输出电阻值较小。所以此时的输出电阻值较小。有源电阻有源电阻o总之,当总之,当MOS管在电路中作有源电阻时,管在电路中作有源电阻时,一般栅接固定电位(接漏是一种特例),这一般栅接固定电位(接漏是一种特例),这时根据栅电压大小来判定时根据栅电压大小来判定MOS管的工作区管的工作区域(饱和区与三极管区),另外,输出的端域(饱和区与三极管区),另外,输出的端口是源端或是漏端,其呈现的阻抗也不同。口是源端或是漏端,其呈现的阻抗也不同。无源器件无源器件在模拟集成电路中的无源器件主要是指在模拟集成电路中的无源器件主要是指电阻、电容等,精
13、密的电阻、电容是电阻、电容等,精密的电阻、电容是MOS模模拟电路设计所要求的主要基本元件,电阻或电拟电路设计所要求的主要基本元件,电阻或电容在电路应用中最关键的是要提供精确的元件容在电路应用中最关键的是要提供精确的元件值,但在大多数情况下,电阻或电容的绝对值值,但在大多数情况下,电阻或电容的绝对值不如它们的比值那么重要。不如它们的比值那么重要。无源器件无源器件-电阻电阻o电阻是模拟电路的最基本的元件,在集成电电阻是模拟电路的最基本的元件,在集成电路中有多种设计和制造方法,并有无源电阻路中有多种设计和制造方法,并有无源电阻与有源电阻之分。电阻的大小一般以方块数与有源电阻之分。电阻的大小一般以方块
14、数来表示,电阻的绝对值为:来表示,电阻的绝对值为:o式中式中R为单位方块电阻值,为单位方块电阻值,L和和W分别是指分别是指电阻的长度与宽度。电阻的长度与宽度。无源器件无源器件-电阻电阻o若假定这些参数是统计无关的,则电阻值的偏差可表示为:若假定这些参数是统计无关的,则电阻值的偏差可表示为:o在大多数情况下,由于在大多数情况下,由于LL L,所以上式可简化成:,所以上式可简化成:o通常对于上式中第一项偏差,离子注入电阻比扩散电阻要小,通常对于上式中第一项偏差,离子注入电阻比扩散电阻要小,衬底硅电阻比多晶硅电阻要小(多晶硅材料晶粒结构变化增加衬底硅电阻比多晶硅电阻要小(多晶硅材料晶粒结构变化增加所
15、致);第二项偏差,随着光刻技术特别是干法刻蚀即等离子所致);第二项偏差,随着光刻技术特别是干法刻蚀即等离子刻蚀技术的出现,该项偏差大大减小。刻蚀技术的出现,该项偏差大大减小。无源器件无源器件-电阻电阻o在某些设计中,要求精确的电阻比值,对称在某些设计中,要求精确的电阻比值,对称叉指式设计布局用来补偿薄层电阻与条宽范叉指式设计布局用来补偿薄层电阻与条宽范围的梯度变化。围的梯度变化。o在电阻设计时还需注意相对于衬底的寄生电在电阻设计时还需注意相对于衬底的寄生电容可能把一些高频噪声通过电阻叠加在有用容可能把一些高频噪声通过电阻叠加在有用信号上,所以在设计时对一些特殊电阻必须信号上,所以在设计时对一些
16、特殊电阻必须加电屏蔽(如阱接地,采用多晶电阻或双多加电屏蔽(如阱接地,采用多晶电阻或双多晶结构)。晶结构)。无源器件无源器件-源源/漏扩散电阻漏扩散电阻o金属栅与硅栅技术的金属栅与硅栅技术的NMOS和和CMOS工工艺,与漏源区同时制成。艺,与漏源区同时制成。无源器件无源器件-源源/漏扩散电阻漏扩散电阻o方块电阻值为方块电阻值为R20100,在需要较大电阻时,在需要较大电阻时,需要很多方块,占用很大面积,所以一般不用扩散电需要很多方块,占用很大面积,所以一般不用扩散电阻制作大阻值的电阻。阻制作大阻值的电阻。o精度为精度为20%,温度系数为,温度系数为5001500ppm/,电压系数为电压系数为1
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