电子电路大全(PDF格式)-第52部分

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作大信号模型参数发生微小变化时微小变量之间的比率，或者看作某项大信号模型参数对　



另一项大信号模型参数的偏微分。　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　g　　V　

　　　　NMOS的小信号等效模型电路如图　2…5　所示，图中各参数定义为：受控电流源　　m　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　gs　和　



g　　V　　　　　　　　　　　　　　　　　　V　　　　　　　　　　　　V　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　

　　mb　bs　　分别表示栅极电压　GS　　和衬偏电压　bs　　，控制产生的漏级电流　d　　　　　　　　　　　　　　　　的分量。跨导gm背　



栅跨导gmb根据公式计算得到。　Cgs　　、Cgd　　　　　　　　　　为栅…源，栅…漏之间的电容。　Cbg　　　　　　　　　　　　、Cbs　、Cbd　



分别为衬底与栅极、源极、漏极间的电容。　　



　　　　简化为：　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　di　

　　　　g　　　　　　D　　　　　　V　　　　V　　　　　　　　I　

　　　　　　　=　　　　　　　=β（　　　　）　=　2β　

　　　　　m　　　　　　　　　　　　　　GS　　T　　　　　　　　D　

　　　　　　　　　dv　

　　　　　　　　　　　GS　　Q　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



20　　　　


…………………………………………………………Page　469……………………………………………………………

　　　　　　　　　　　di　　　　　　　　λi　

　　　　　gds　=　D　　　　　=　　D　　　　　　　≈λiD　

　　　　　　　　　　dv　　　　　　　1＋λv　

　　　　　　　　　　　　　DS　Q　　　　　　　　DS　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　i　　　　　　　i　　v　　　　　　　i　　　　　v　　　　　　　　　　　　g　　γ　

　　　　　　　　　　　　　　D　　　　　　　　　D　　　　　　GS　　　　　　　　　　D　　　　　　T　　　　　　　　　　　　　m　

　　　　　gmbs　=　　　　　　　=　　　　　　　　　　　　　=　　　　　　　　　　　　=　　　　　　　　　　　　　　　　=ηgm　

　　　　　　　　　　　v　　　　　　　　v　　　　　　v　　　　　　　　v　　　　v　　　　　　　　　2　　2　φF　　…V　

　　　　　　　　　　　　　　BS　Q　　　GS　　　BS　　　Q　　　　　　　T　　　　BS　　Q　　　　　　　　　　　　　　BS　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　重要假设：　　



　　　　　g　m　≈10g　mbs　≈100g　ds　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　那么　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　



例　小信号模型参数的典型值　　



　　　　　已知管子的宽长比为W/L=1um/1um的n沟道管和P沟道管，模型参数值如表　2－1　所示，　



假设漏极电流的直流量为　50uA，源－体直流电压绝对值为　2V。试利用大信号模型参数分别　



求两管的gm、gmbs和gds的值。　　



　　　　解：利用公式求出：n沟道管的gm＝105uA/V、gmbs=12。8uA/V和gds=2。0uA/V；p沟道管　



的gm＝70。7uA/V、gmbs=12。0uA/V和gds=2。5uA/V；　　



2。2　CMOS　工艺　MOS　管模型参数　　



　（1）0。8um　N　阱简单的　MOS　大信号模型（spice　level　1）　　



表　2…1　MOSFET　模型参数　　



　　　　　　



　　　　。MODEL　NMOS1　NMOS　LEVEL=1　VTO=0。7　KP=110U　GAMMA=0。4　LAMBDA=0。04　PHI=0。7　　



　　　　。MODEL　PMOS1　PMOS　LEVEL=1　VTO=…0。7　KP=50U　GAMMA=0。57　LAMBDA=0。05　PHI=0。8　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　21　　


…………………………………………………………Page　470……………………………………………………………

　（2）0。8um　N　阱完整的大信号模型（spice　level　1）　　



　　　　。MODEL　NMOSl　NMOS　LEVEL=1　VTO=0。70　KP=110U　GAMMA=0。4　LAMBDA=0。04　PHI=0。7　　



　　　　＋MJ=0。5　MJSW=0。38　CGBO=700P　CGSO=220P　CGDO=220P　CJ=770U　CJSW=380P　　　



　　　　＋LD=0。016U　TOX=14N　　



　　　　。MODEL　PMOSl　PMOS　LEVEL=1　VTO=…0。7　KP=50U　GAMMA=0。57　LAMBDA=0。05　PHI=0。8　　



　　　　＋MJ=0。5　MJSW=0。35　CGBO=700P　CGSO=220P　CGDO=220P　CJ=560U　CJSW=350P　　　



　　　　＋LD=0。014U　TOX=14N　　



　（3）BSIM　SPICE　模型　　



　　　　前面列举的MOS管大信号模型简单并且便于手工计算，不过忽略了很多重要的二阶效　



应。大部分的二阶效应是由于窄或者短的沟道尺寸（小于　3um）引起的。SPICE　Level　3　半　



经验模型对于大于　0。8um的沟道长度的MOS工艺较为有效。BSIM1　SPICE（Level　4，HSPICE　



为Level　13，60　个直流参数）模型对沟道长度小到　1um的MOSFET都能建模；沟道长度更短　



的MOSFET则需要使用BSIM2（99　个直流参数）、BSIM3（Level　8，HSPICE为Level　49，40　



个直流参数）或者BSIM4　来建模；BSIM3V3　对深亚微米器件有效，已经成为工业界标准的MOS　



管模型。（NMOS和PMOS的SPICE模型有很多种，BSIM模型是其中的一种，一般是通过自动化　



的参数提取和模型生成软件来完成。目前绝大多数芯片加工厂商都采用BSIM模型来描述他　



们加工的器件的性能）　　



　　　　目前，产业界的很多芯片加工厂商并不提供Level　1、Level　2　或者Level　3　的SPICE　



模型（MOSIS除提供BSIM模型外还提供Level　2　和Level　3　模型），学生需要掌握利用BSIM　



参数来提取阈值电压、跨导等参数，以用于手工计算。　　



　　　　注意：如无特别说明，后章所有计算均以　0。8um模型参数为基础；高级的　0。6um双阱和　



0。25um　N阱CMOS工艺模型参数见附录；Berkely提供的SPICE2　和SPICE3　以及BSIM1　模型，　



都不具备对噪声和温度建模的能力。　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2。3　用　HSPICE　仿真　MOS　输出特性　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　在图　2－6　中，N沟道管采用LEVEL　1　模　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　型和表　2－1　中给出的参数值，试采用HSPICE　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　仿真得到晶体管的输出特性。仿真中假设体　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　电压为　0，绘制漏－源电压从　0V到　5V变化、　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　栅－源电压分别为　1V、2V、3V、4V和　5V时的　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　输出特性曲线族。　　



　　　　　　　　　图　2…6　MOS　管输出特性测试　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　（1）SPICE　输入文件　　



　　　　EX2。1　use　spice　to　simulation　MOS　output　　



　　　　。option　post=2　numdgt=7　tnom=27　　



　　　　*。OPTIONS　LIST　NODE　POST　　



　　　　M1　2　1　0　0　MOS1　W=5U　L=1U　　



22　　　　


…………………………………………………………Page　471……………………………………………………………

　　　　VDS　2　0　5　　



　　　　VGS　1　0　1　　



　　　　。MODEL　MOS1　NMOS　VTO=1　KP=110U　GAMMA=0。4　LAMBDA=0。01　PHI=0。7　　



　　　　。DC　VDS　0　5　0。2　VGS　0　5　1　　



　　　　*。PRINT　DC　V（2）　I（VDS）　　



　　　　。PRINT　DC　i（m1）　vth=lv9（m1）　　



　　　　。END　　



　（2）仿真结果　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　2…7　MOS　管输出特性测试仿真曲线　　



2。4　练习　　



　　　　　（1）改变W、L的值，测试MOS管的输出特性，和前面的结果比较，说明引起差别的原　



因。　　



　　　　　（2）请用　0。6um　N阱CMOS工艺模型仿真MOS　N沟道管输出特性，并对仿真结果进行阐　



述。　　



　　　　　（3）请用　0。6um　N阱CMOS工艺模型仿真MOS　P沟道管输出特性，并阐述仿真结果。　　



　　　　　（4）用HSPICE仿真分析MOS体效应：VSB从　0V变化到　5V、VDS固定为　5V的情况下，画　



出MOSFET的漏电流与栅源电压之间的关系图。　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　2…8　MOS　管体效应测试仿真曲线　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　23　　


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　　　　当衬底电压变得更“负”的时候，阈值电压会相应增加（这就是体效应）。另外，随着　



VSB的增大，阈值电压的变化量越来越小；在设计模拟电路时，利用这个特性可以提高阈值　



电压的匹配度。　　



　　　　　（5）用HSPICE仿真分析亚阈值电流：对于　0。8um　工艺加工的W=L=5um的NMOS管，当VGS　



从　0。65V变化到　0。75V时，用HSPICE画出对应不同的VGS的IDS－VDS曲线并分析。　　



　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　2…9　MOS　管亚阈值效应测试仿真曲线　　



　　　　　　



　　　　　（6）用HSPICE仿真阈值电压随温度的变化。　　



　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　2…10　MOS　管阈值电压随温度的变化仿真曲线　　



　　　　　　



24　　　　


…………………………………………………………Page　473……………………………………………………………

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第　3　章　恒流源电路分析与设计　　



3。1　恒流源电路　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　恒流源电路如图　3…1　所示，图中　R　　为参考电流，　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　0　为输出电流，MOS管工作在饱和区，当MOS管M2　的　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V　　　≥V　　　…V　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　DS　　　　GS　　　T　，则M2　工作在饱和区。根据饱和区的　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　　　I　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　电流方程可求得　0　与　R　　　　　　　　的关系式为　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　O　　　　　S　2　（1　＋　λV　D　S　　2　）　　　　S　2　

　　　　　　　图　3…1　　恒流源电路　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　=　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　=　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　R　　　　　S　1　（1　＋　λV　D　S　　1　）　　　　S　1　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3…1）　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　S　　2　（1　　＋　λV　D　　S　2　）　

　　　　　　　　　I　　　　=　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　

　　　　　　　　　　O　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　R　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　S　1　　（1　　＋　λV　D　　S　1　　）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3…2）　　



　　　　式中S1　为M1　的宽长比，S2　为M2　的宽长比，λ为沟道调制系数，并假定两管的工艺参　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　

数相同。由式（3…2）可知，只要改变M1　和M2　的宽长比，就可以设计出所需要的　0　　。若　



V　　　　=V　　　　　　　　　　　　　　　　I　　=I　

　DS　2　　　DS1　，　S1=　S2，则　0　　　　R　。　　



　　　　　　　　　V　　　=V　　　　　　V　　　=V　

　　　　因为　DS　1　　　　GS　1　，　DS　2　　0　，　Vo是输出电压，但是一般情况下Vo是一变量，且　



V　　》V　

　0　　　　DS　1　，由于沟道长度调制效应的存在，Io随输出电压Vo的变化而变化，因此，只有在　



λ=0　时才能使I　0　为恒定值。为了使其恒流特性有所改善，可增大M2　的沟道长度L。L增大，　



　　λ　　　　　　　　　　　　　　　r　

使　　　减小，输出阻抗　0　增大，恒流特性得到改善。　　



　　　　例：镜像电流源电路中，Iin＝100uA，每个晶体管W/L＝　100um/1。6um。假设　

unCox=92uA/V2　，Vtn=0。8V，rds=＇8000L（um）＇/＇ID（mA）＇，求镜像电流源的rout和gm1　的值，　



并推算输出电压变化　0。5V时Iout的变化情况。　　



　　　　解：因为M1　和M2　的W/L比相同，所以Iout的额定值等于Iin的额定值为　100uA。这样，　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　25　　


…………………………………………………………Page　474……………………………………………………………

我们得到　　



　　　　　　　　　　Rout=rds2=8000*1。6/0。1=128kΩ　　



　　　　gm1　的值由下式得出。　　

　　　　　　　　　　gm1＝＇2unCox（W/L）ID1＇1/2=1。07mA/V　　



　　　　得到rs1=1/gm1=935Ω。这个rs1　值远小于rds1，在这个例子中rds1　等于rds2。　　



　　　　输出电流的变化可以利用rout推算为　　



　　　　　　　　ΔIout=ΔV/rout=0。5/128　kΩ=3。9uA　　



　　　　换句话说，如果原来Iout测量为　101uA（由于不匹配和一个更大的VDS电压），输出电压　



增加　0。5V将产生一个大约　105uA的新的输出电流。注意：这个估算并没有说明诸如rds实际　



上随着输出电流改变这样的二级效应。　　



　　　　有三种因素会使电流镜与式（3…1）描述的理想情况不同。这些因素是：（1）沟道长度调　



制。好的电流镜或电流放大器应当有相同的漏－源电压和高的输出电阻。（2）两个管子之　



间的阈值偏差。对于适宜的硅栅CMOS工艺，相同且靠得很近得两只管子阈值电压的典型失　



调值小于　10mV。（3）非理想的几何图形匹配。指两个器件的宽长比的误差，由于存在掩膜、　



光刻、刻蚀以及外扩散的差异，即使是两个管子并排放在一起也会有所不同。　　



3。2　高输出阻抗的恒流源电路　　



　　　　为了抑制沟道长度调制作用的影响，得到更好的电路性能，就要对上述基本电流镜进　



行改进。如图　3…2　所示，它与基本电流镜相比增加了M3、M4。由于增加了这两个MOS管，使　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V　

该电流镜具有很好的恒流特性以及高的输出阻抗。由图　3…2　可知M3　和M4　使Ml的　DS　1　和M2　



　　V　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　　　I　

的　DS　2　相同或近似相同。其中　0　和　R　　　　　　　的关系可写为：　　



　　　　　　　　I　O　　　　　　S　　2　（1　　＋　λV　　D　　S　2　）　　　S　　2　

　　　　　　　　　　　　　=