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文档简介
ogIC
Chapter1Devices-MOSFETVersion-II,2012, WhatisElectronic
Circuits(Netlist)=ElementsElementsordevices:PrimaryorBasicCellinthe元器件在电路中的基础地位和决定性元器件的选择+连接关系(结构)+参数(量化ElementsStructure&itsOperationStateSmall/Larger
Elements(
Active有源PN
Passive无源simplePassive:Twoterminals;linear;BiasingtoprovideactivedevicesoperationpointActive:ExceptDiode,threeormoreterminals(Why?)Staticbiasingnecessary,Generallynonlinear;Onlyactivedevicewithmorethantwoterminalscanbeusedamplifying,andseriousconditionsneededforlinear Passive:
,Ohmlaw:RL LR W 选择电阻类型(结构/材料:RS),设计图形Application,VtoBranchCircuitCurrentCurrentBasing.GoodinApplication,ItoCurrentCurrentVoltageBasing,Poorin
电阻自身的设简单, 主要考虑在电路中的电流定义、电位调节,设定合适的工作点和匹配条 Passive:LinearCapacitance&
CCS
(W
Inductance:LLt tC和L功能上表现为对偶特
CdVC
L
Lagersignal& 描Smallsignal& 描
XC
XL电容上电压不能突变,电压电感上电流不能突变,电流纹
IC中至少C不可避免,电路频时域大信号Start-upPulseOSCDelayDC Simplestactiveelement:PN PN/Diode--正向导通(电压近似钳位),反向截止直至击穿电流性--扩散电流,I-V指数规律V-I对数率显著非线性 )1] Vln(IPN S
S
SIS0反向饱和电流与反偏电压无关,但随PN结面积而增热电压,理想正温度系数电
kT26mV@ 电 能Question:PN结在电路里有何具体应用直流 ,稳压,钳位,电平移位交流:低阻高频极点、交流短路,结电容变容效应拓展应用:MOSDiode电流 Active:BipolarJunctionTransistor
结构两个背靠背PN,发射结正偏集电结反偏三端口非线性电流性质:本质上仍是PN结电流!发射结正偏提供扩散电流Ie;基极复合形成IB;IBIE集电结反偏对Ie按比例收集,形成VCB正偏或零偏,收集系数随偏压线性变化导致IC随反偏电压线性变化
exp(VBEV CV CQuestion:画出BJT输出特性曲线,与MOS输出特性比较形似而内在机制不同,应用可类比、借鉴
FourTerminals:Gate(G),Source(S),Drain(D),Substrate特点:PN结反偏天 横向:对原理:栅压(纵向电场)感应电荷,形成反型沟道、沟道电阻(开启)漏压(横向电场)驱动沟道电阻,形成沟道电流;两维电场增强型耗尽型本质强反型下为漂移电流定律成立(修正弱反型下为扩散电流; Dimension:WidthLengthRatio
工艺规范制造,设计确定形状和尺PlateCap,Controlled
简单看就是可变非线性 DeviceSymbol:two
VoltageControltype Currentdirectiontype Substrate-ReverseBiased,抑制衬底PN结电流P:方向向外;N:DefinitionDrain& Source:提供载流子;Drain:收集载流Circuit(CurrentPMOS:s/bulk,high,NMOS:s/bulk,
NMOS:DtoPMOS:StoDrain:N/PMOS
DCI-Vequationsindifferentregion;DCParametersinMOSFET.
DCCurrent:InducedCharger ChargerinChannelinducedbyGateVoltage(dxwithVx
Vx
LinearapproximationofVxaroundxVx ,dxLx
0;
TotalQinvinChannelinducedbyFieldL dQ
VDS
V)WL
VGDVTH xC )1 x
VGS
DCCurrentindifferent
ElectricalFiled,mobility
tL,
ELDrift
EQinvVDS
inv
LinearCurrent,
W 1V2 kCox kk'(W VGS 过驱 k(V 1V2
导通电阻 (on)VDS
k线性电流饱和漏
1k2, DS
Process/Gaink
Width-LengthW/
Overdrive
Threshold衬底偏置AC:背栅
VTHVTHVTH0 2f2q2f2q0Si
2/2Explain:Usuallyinversebiased,NMOS:VBS<0;PMOS:沟道调制效
1k2(1 ), ,
MOSFET更关注在饱和恒流区的应用-不可替代 沟道调制效应–对饱和漏电流修
LLL(1L)L(1 等效W/L
(W W(1 )W(1VDS L(1 引入沟道调制系数,理想等效厄利电压V,理想V
1,
A(W
1k2(1 )
1k2(1VDSA DS A实际输出电流与VGS,VDS两种电压均有关;VGS(主控),VDS(辅控 非线性
Operationregion
工作区域的限定与两VGS:截止-弱反型(亚阈)-过渡-强反型;VDS:线性-过渡-D端沟道未夹断,VGD=VG-VD=VGS- 饱和恒D端沟道夹断VGDVTHVDSVGS-VTHVDSVDS到达临界点后,多余VDS降落在漏漏耗尽层中,沟道电阻形状不变,漏收集电流系数饱和为1,电流近似恒定.
OverdriveVoltage
饱和
1
2IDSk2IDSkQuestion:=0时电流IDS=0或者说,强反型饱和电流模型在当IDS0时,一定可进入弱反型亚进入过渡区和亚阈区后,可使0甚至<0Question:如何判断在弱反型下的漏饱和恒流临界条件
SubthresholdorWeak -100mV左两种电流成份并存:VGS感应的载流子梯度形成VDS横向电场驱动形成漂 exp(VGSVTH)[1exp(VDS 当VDS>>3VT时,浓度梯度大,但载流子总量小,扩达到输出电流饱和条件 栅控电压调制为主的扩散电流分
)Iexp(VGS D
SimilartoBJT,亚阈的MOSFET可视为BJT(I-V功能特性)观特征:电流小,或小电流易工作WI区,n>1亚阈斜率
ACRelated&ComefromDCACParametersinMOSFET:Small
AC
ACparametersarederivedbyDCI-V AC:gm&栅压、漏压对输出小
io1
线性
@
Constan
d d
@VGSConstan
io
线性叠交流参数与直流I-V方程有关,由直流工作点定义最关心饱和区的交流参数 存在gm和gd的非对称,可放大?
gm&gdunbalancedforpossible
gm(SI)k
2I
k
I
1
&
大信号下一定产生非Whatis
/2
VA0L 高
IDS
恒流信号放大:定性/定量
io
gmgd
gm/
Review:MOSFETOperation Digital:x-yTurn-on;Cut-yx
og:x-y第一象Turn-CurrentVoltageStrong/Weak og:R,ConstantI,Constant
MOSDiode:VoltageSource 饱和/线性临界线右平移类似PN结I-V定T T
r1
低
gm
恒压 VDSVGS1
m m
输出阻抗转变恒流恒压o oSmallSignalEquivalent 低频等效电路,忽略电容栅-源电栅-漏覆盖(Miller)电容漏-源输出(负载)电容MOSDiode:G-D短路,gmVgs=gmVds受控源等效1/gm总输出导纳gT=gm+gd,总输出阻抗Question:IsLreductionreallybenefit ogNegative:LroGainPositive:LCgsfT
io Vgs
小尺寸,精度
fT
Twotransistors:Parallel&
(W
(L
)M1L
L)M
(W/ (W/同类MOS串、
Large
M M
Exe:利用等效W/L,判断MA,MB状态Result:MB:Saturation;MA: 定义法证明,或复合管等效W/L法证明Alwaystruewithoutrelatedwithtwo复合管:一个MOS管拆分为若图形尺寸效应:W/L相同的复合管和单有差异!W/L相同但W,L不同的单管有差异 Discussion:Operationstatues
HowcanaMOSFETinCircuitwithazeroCut-off,VGS<<VTH,SwitchTurn-on,VGS>VTH,VDS=0,similarasRwithThesaturatedcurrentisalwayslargerthanthelinearcurrentTrue,ifVGSfortwotransistorsaretheUncertain,ifVGSfortwoMOSFETsaredifferent,ThelinearcurrentwithlargeVGSmaybelargerthanthatthesaturatedcurrentwithsmallVGS.Thetransistorwithsmallcurrent(suchas0.1uA)isalwaysinW.I.No,W/Lshouldbeconsidered,smallW/LresultinalargeevenwhenIDSissmall,thusstillinS.I.;ForaparticularW/L,theMOSFETcanmoreenteringintoW.I.whenIDSis
UniqueI-VmodelofMOSFETinAll
1k'WV
1n
WV S
ox IDS<<IS0,说明<<VT,进入弱反型,否则强反型,附近为过度区,统一的端口归一化电流模型,与夹断电压Vp,沟道电位VD或VSf(r {1f(r
VS(D)
VGn
亚阈斜输出
IFIRIS0(ifir
电流相减的物理依据和好处适合各个偏置工作区域,与原独立模型
数学近似
1if(r1if(r
VS(D)
11if1ir1i1lnxSVDS, 1i1
x
Vx1if1V ln[11if1V
1 ln1 1,
VxVSor ln1if1if1iR
ln
VS,
Sd Sd
ln[1xS]ln[1xd
ln VplnxSVDS,
统一模型的应用:跨导gm,输出导纳
11if(rgmS(d
2IF(
2IS0
1if(r1if(r 2IS0
VpVS)]2IS0
nk
2kI 2kI 2IS0ln[1exp(VpVS)]2IS0exp(Vp) i
2ISir
)0
,g -
2VDSISV 强反型线V
T
统一模型的应
1if11if
VpVS)]Vp
if>>1,强反
Vp-
V
V
1ifDS 1ifif<<1,弱反
1ln[1exp(VpVS)]exp(VpVS)1i1iV-V 1111 1]
1] )[1exp(DS 根据exp(-VDS/VT)==1/A的饱和条
VlnVln
1
1](2
1i1i反1i1i
1/AgmS/
Whatto MOSFETStructureisdefinedbyProcessOnlytodesignbothinparameterandstructureParameter:W/L,andW,Application:ConnectionofterminalswithinorbetweenMaindeviceandcircuit静态工作点IDS
VGS
VDS阻抗参
,1/图形参 W/工艺参 k频率参
W
1
SPICEModel,HandCalculation&
Level1~3
k’,VTH,(VA),,n, --模拟电路性能与采用的工艺密切相关,同一工艺也有参数工艺角:N-PMOS(tt,ss,ff,sf, R(typical,slow,
仿真技术很DC直流工作AC交流小信号(频率瞬态、噪声特性匹配失调,仿真精度
ComparisonofMOS&
CurrentControlCurrentSourceLargeoutputcurrentdrivingcapability,greatFastspeedduetoandhighgmandlargecurrent VoltageControlCurrentSource(VCCS)Lowvoltage&lowpowerconsumptionHighintegration(gm
(gm
(gm/IC
(1/ / /
DS Although(gm/I)MOSinW.I.isthesameasthatofBJT,butthecurrentIislimited(cannotbetoolarge),sothatgmforMOSisremainlower,andinhighcurrentthecurrentefficientisseriouslyreduced.
DC:I-Vcharacter,Non-linearBehavior;Determinedtheoperationpoint.AC:smallsignalcharacter,gm,gd,rd,LinearCompletedthelinearForsmallsignal,MOStreatedaslinearwhichisDCpointForlargersignal,MOStreatedasnon-linearnoneedforoperationDigital:Largersignalnon-linear,anykind
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