微纳尺度制造

1、口从1959年肚界上第块集成电路在美国德州仪器公司和西煜电器公司陡生以来集成电略M以惊人的速度发展、其发展经历了小观模IC(SSI),中观模IC(MSI),大规模IC(LSI).超大规模IC(VLSI)和待大规模IC(lLSI)：个不同的阶段.集成电路的制造丁艺也发屐刮深亚微米阶段.随若半导体集成电路产品的种类越來越多，电了技术的应用已渗透到社会生活的各个领域.极人地影嗣和改善若人们的生活。些热门的如让算机、多媒体、数字信号处理、通信等行业,人们対其性能的娶求也越来越高.包括高的处卯速度、高的运算精度、低功耗等几个】要方而。这对设计和T产带來了很人:的压力和动力，也是个很迫切需要解决的问题，要

2、解决这吐问题，就耍求我们在这类产品的内部电路结构、器件、材料以及工艺等*力面进彳亍研究，这是一个非沁泛的课题在电路结构的研究方面,运算放大器作为模拟IC中个垠取要的皋木电路中兀是我们应该首先右虑的。它是构成开关电容滤波器、依乃放大器和输入输出缰冲器等模拟电路的羽木模块，在模拟运笄、信弓处理、模数和数模转换器等等许多方面仃广泛的应用随石I七的进步，大就的模拟电路C经由数字电路的匸艺实现。在过去的几I年里面,数字电路工艺的进步使数字CMOS电路的性能提高了很多.电路的最小线宽不断卜降,从0.9um到O.lSuin到90um捷至更低.小的尺寸使得数字CMOS电路的性能不断改善:更小的版图面积，史高的

3、集成度，更快的响应速度以及更少的寄生效宙,但定模拟CMOS仍然采用长沟道以遐免短沟道使得模拟电路性能的降低.数字CMOS电路能够I砸看工艺的捉高不断捉高集成度，1仙尢需求豹设计以实现兀顶定功能，而模拟CMOS电路在更新其工艺时,需要对电路重新设II来克服沟道长度对电路的模拟电路各方面11能造成的影响。如何在电源电圧不断F降.器件沟道长展不断减小的情况1根据实际箜求设计实现高啊能的令芹分运畀放人器成为了半今IC领域个匝要的课题。作为系统取元核心模块，它的理论依据也貝有广泛的代衣性。开展对它的研究，在理论上为设计研允A/DD/A转换器，滤波器，RF射频电路等系统模块捉供技术枳累和探索：任丄艺上结合

4、现有的L流Si-CMOS工艺,为所设计运算放大那提供试验依据。囚此，认真研究込算放人器的垄木结构，通过対电路性能的研究分析，提岀改进方法，设计出性能更优越的运算放大电路堆本甲元，对提升系统的总体性能具有币:要意义。鲁考电平CMOS电路具有功耗小、成本低、易与数字电路樂成的特点.随着CMOSL艺的不断发展，以及rfj场対低成本、高件能、高集成的小芯片系统的需求，使得VGA的设il和开发也需要采用CMOS工艺。如今36牌照在我国已经正式发放，3G千机将大规模的商用,包括电脑和游戏机在内的3G产品将会陆续一上帀，VGA貝白广阔的市场前最。叮见，研究和开发高性能的CMOSnJ变增益放人器貝有玳要的现实

5、意义。国际上,许多高校和研究机构都在进行各种结构的VGA研究和开发。从他们的研究成果中.叫以/解判VGA的发展动态.1996年，C.Srinivasan等人设计的VGA貝有15dB到40dB的增益控制范围和80MHz带宽，功耗30mW岂设计中是利用匸作在线性区的MOS作为并联反馈部分来调节增侨，电路增临与控制电圧成反相关。2000年.香港科技大学ClninbmoGUO和HowardCLuong呆用05“】CMOS匸艺实现的VGA.具有70MHz带宽和70dB增益控制范围，2.5V电源电压,15mW功耗，芯片面枳400X240pm，其中釆用automaticcontinuous-timeoffs

6、etcancellation技术町承受0.5mV的处调电压仪格个VGA用二级级联，在70MHz频率下，每级的最大增益23dB,三级总增益达到70dB.2002年,AbdeifattahK.M和SolimanA.M采用0.5pmCMOS工艺设i|了-种新型电流横VGA,使电路在较宽的范围内满足近似指数关系囚。仿真显示兀増益动态范围达到50dB,1.5V电压供电，功耗小于1.2mWo2004年,YuanjuiZheng等人采用0.35juiiCMOSI.艺设计出增益范刑60dB的VGA.3dB带宽大十10MHz凹构造f-种新颖的指放控制电函实现纟戈性特性.文章分析/dB线性的非理想影响，给出了相应

7、的补偿方法.2005年,ChienM.Ta等人设讣了种低功耗小面积的VGA,采用0.18iunCMOSI艺,功耗2.7mV,芯片面积0.064mm，巴。电路采用全差分结构，输出摆lVpp,fl：0.2V0.9V的用制电压范用内，dB线杵増益范环3dB57dB,3dB帯宽大于1OOMIIz.两个流失调消除环路用于消除厲流失调.即使输入失调达到40mV输出失调也小J：20mV年.Quoc-HoangDuong等人采用0.18pmCMOS1艺设计的两级VGA.带宽32MHz到1.05GHz,增益控制范ffl95dB,K中误差小JilclB的线性范围达到90dB,输入ldB压缩点4817dB凹。改变电

8、路中一电阻阻值的情况下,増益控制范围可从68dB变化到95dBo整个芯片面积0.4min1.8Vill压供电，电流水于3.6mA。年，lluiDongLee等人用0.18pmCMOSI：艺设计了带宽大约900MIIz的VGA.控制电压从0V到1.8V变化.増益控制范围9411B.其中Jfi数增益控制部分利用寄生双极吐晶体管，使用inductivepeaking技术展宽频带，还运用了消除直流失调的技术。整个芯片1.8V电压供电，电流11.4mA,面积0.85X0.49mm2007年，Q.-H.Duong和S.GL”采HO.lSjmiCMOSI艺设计了种单级VGA,功耗1.4mW,芯片面积0.07

9、mm2o在L.8V电源下，巾级提供86dB的线ft増益范围电路采用新颖的结构.从电源利地层廉3个管介通过改变电流來改变差分对的跨导，达到増益可调的II的.控制电斥控制PMOS的衬底电位实现dB线性，带宽23MHz120MHz2008年.Yong-JuSuh等人采用0.13pmCMOS丁艺.设计了用于三波段WCDM/X的VGA,在800MHz卜动念范阳大于100HB,在2GHz下动态范用大于84dB用两级放大器实现宽动态范围.并设讣了新颖的电爪一电流抬数控制电路，800MHz卜的最大输岀功率为7dBnio2008年,YaiijieWang等人采用90nmCMOS工艺设计了用带接收机的VGA,电源

10、电压IV,功耗2.5mW，芯片面枳O.Olmnr,3dB帯宽大于2.2GHz,Mi60lB増益可调范用.电路包含级改进空chenyhooper放大器和双反馈H流峽调消除网络，在消除立流失调的冋时提高了带宽，节约了芯片面积。近几年來.国内高校.VGA方而的研究也取得了淀的成果。2005年，淸华大学的王门强等人设汁了种CMOS宽带低功耗的VGA.采川0.25iunCMOS工艺,核心电路功耗3.15mW,増益范围010dB,在负戟为5pF电容时3dB带宽大于340MHz,输出三阶交调点高于3.5dBm也.电路设计中加入频率补偿电容改隻放大益的写极点分布.在个增加功耗的情况卜扩展了带宽.使用跨导増强电

11、路提高了放大器的线性度.2007年，东附人学的郭峰等人设IIT-种对数増益线性控制型的宽fiJVGA采用TSMC0.18/unRFCMOS艺电源电压1.8V.电流9mA.3dB带宽430MHz2330MH7：増益调节范国128HB呆大増益卜噪声条数6.2JB最小増益卜轶入ldBffi缩点-9dBmM.电路采用两级结构，设计-种新空指数控制电路,实现增益随控制电压的dB线性变化。从以上国内外的研究状况中町以看到，VGA的研究工要是基于CMOS工艺*H研究帀1点集中在三个方而：CMOS工艺下宽范围的指数控制电路，宽増益动态范围的增益模块和高统性度的叮变跨导电路3I科内的研究进展弓国外相比胚存在较大

12、的帯距.为北.冇必耍展开高性能*GA的研究.特别是在低压低功枪、简线性度宽増苗动态范用，低失调以及优异的温度特杵等业内关汴的方|阮2短沟道器件对电路性能的影响近些年来，模拟电路越来越多的采用标准的数字工艺实现数字工艺的进步也促进了模拟电路的改进.数宁CMOS制造的器fl的尺“卜降刊了90nm耳伞更小，他得7CMOS电路*1能更加优越駅然数了呂能够支持和沟道品体诗宝现鮎功能，模拟CMOS仍然采用快沟道的晶休管以实现其预疋功能.虽然在模拟CMOS电蹄中巣用短沟道器件能像数字电路样达到杲些方1加的改善，如史小的版图佃积、史小的寄生效网、迴高的連度、史低的电冷弓更低的功耗：然血，在设计过程中却尤法亍部采用短沟道的器杵实现模拟电路仃时需梵采用长沟道器件与知沟道期间相结合的方式来实现模拟电路.以克服系列II【巾-独采用短沟道器竹造嵐的问题：(】)器件沟道氏度缩短会便得MDS世捌极效沟道曲枳变小.而噪声足写何效沟逍而积成反比.丙此电賂中的噪声打平匹配都将随着沟道长度的减小而变得严短沟道MO石管仝仔严亜的沟长调制效应.这样佥减小在小信号下，MOSW漏用到游阳的电R1.短沟道MX管会使得M流偏罢更加困艰给传统的備置方式雪如电流镜引入一些非理想闵秦。在电流说中.半知沟道MOE骨处于强反舉时、沟长调制效啣会使貝：漏端电