COMS模擬集成電路復(fù)習(xí)題

1、1,MOS管的工作原理MOS管有N溝和P溝之分，每一類分為增強型和耗盡型，增強型MOS管在柵-源電壓vGS=0時，漏-源極之間沒有導(dǎo)電溝道存在，即使加上電壓 vDS，也沒有漏極電流產(chǎn)生。而耗盡型MOS 管在vGS=0 時，漏-源極間就有導(dǎo)電溝道存在。 MOS 管的源極和襯底通常是接在一起的。增強型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個背靠背的PN結(jié)。當柵-源電壓vGS=0時，即使加上漏-源電壓 vDS，總有一個 PN 結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒有導(dǎo)電溝道，這時漏極電流 iD0。 若在柵-源極間加上正電壓，即 vGS0，則柵極和襯底之間的 SiO2 絕緣層中便產(chǎn)生一個垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯

2、底的電場，這個電場能排斥空穴而吸引電子，形成耗盡層，同時 P 襯底中的電子被吸引到襯底表面。當 vGS 數(shù)值較小，吸引電子的能力不強時，漏-源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn).vGS 增加時，吸引到 P襯底表面層的電子就增多，當 vGS 達到某一數(shù)值時，這些電子在柵極附近的 P 襯底表面便形成一個 N 型薄層，在漏-源極間形成 N 型導(dǎo)電溝道，稱為反型層。vGS 越大，吸引到 P 襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。開始形成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓VT。N 溝增強型 MOS 管在 vGSVT 時，不能形成導(dǎo)電溝道，管子處于截止狀態(tài)。當 vGSVT 時，才有溝道形成，此時在漏-源極間

3、加正電壓 vDS，才有漏極電流產(chǎn)生。而且vGS增大時，溝道變厚，溝道電阻減小，iD 增大。2、影響MOS管閾值電壓的主要因素一是作為介質(zhì)的柵氧化層中的電荷Qss及其性質(zhì)。這種電荷通常由多種原因產(chǎn)生，其中一部分帶正電，一部分帶負電，其凈電荷的極性會對襯底表面產(chǎn)生電荷感應(yīng)，從而影響反型層的形成，或使器件耗盡，或阻礙反型層的形成。二是襯底的摻雜濃度。要在襯底上表面產(chǎn)生反型層，必須施加能夠?qū)⒈砻婧谋M并且形成襯底少數(shù)載流子的積累的柵源電壓，這電壓的大小與襯底的摻雜濃度有直接關(guān)系。襯底摻雜濃度越低，多子濃度也越低，使襯底表面耗盡和反型所需要的電壓VGS越小。襯底表面摻雜濃度的調(diào)整是通過離子注入雜質(zhì)離子進行

4、。三是由柵氧化層厚度tOX決定的單位面積柵電容的大小。單位面積柵電容越大，電荷數(shù)量變化對VGS的變化越敏感，器件的閾值電壓則越小。柵氧化層越薄，氧化層中的場強越大，柵氧化層的厚度受到氧化層擊穿電壓的限制。四是柵材料與硅襯底的功函數(shù)差MS的數(shù)值，這和柵材料性質(zhì)以及襯底的摻雜類型有關(guān)，在一定的襯底摻雜條件下，柵極材料類型和柵極摻雜條件都將改變閾值電壓。對于以多晶硅為柵極的器件，器件的閾值電壓因多晶硅的摻雜類型以及摻雜濃度而發(fā)生變化3MOS管的二級效應(yīng)襯底效應(yīng)MOS管的閾值電壓將隨其源極和襯底之間電位的不同而發(fā)生變化。隨著VGS上升，在襯底表面產(chǎn)生了耗盡層。當VGS上升閾值電壓時，柵下的襯底表面發(fā)生

5、反型，NMOS管在源漏之間開始導(dǎo)電。閾值電壓的大小和耗盡層的電荷量有關(guān)，耗盡層的電荷量越多，NMOS管的開啟就越困難，閾值電壓越高。當VBS<0時，柵極和襯底之間的電位差加大，耗盡層的厚度也變大，耗盡層內(nèi)的電荷量增加，所以造成閾值電壓變大。隨著VBS變小，閾值電壓上升，在VGS和VDS不變的情況下，漏極電流變小。溝道長度調(diào)制效應(yīng)MOS晶體管中,柵下溝道預(yù)夾斷后、若繼續(xù)增大Vds，夾斷點會略向源極方向移動。導(dǎo)致夾斷點到源極之間的溝道長度略有減小，有效溝道電阻也就略有減小，從而使更多電子自源極漂移到夾斷點，導(dǎo)致在耗盡區(qū)漂移電子增多,使Id增大亞閾值效應(yīng)即使在VGS<VTH時，溝道內(nèi)仍然

6、有電流存在。當VGS接近VTH時，漏極電流下降到10-710-8A。當VGS<VTH時，漏極電流按指數(shù)規(guī)律下降。柵極電壓對漏極電流的控制從飽和區(qū)的平方律變成了亞閾值區(qū)的指數(shù)規(guī)律。MOS管的電流電壓關(guān)系可以用公式來表示。其中ID0是和工藝有關(guān)的參數(shù)，是亞閾值斜率因子。當VGS滿足的條件時，一般認為MOS管進入了亞閾值區(qū)域.4MOS二極管的電阻5MOS管的特征頻率的物理意義6MOS管不同工作區(qū)的特點截至區(qū)：源漏電流為零，有很好的開關(guān)特性，適用于數(shù)字電路線性區(qū)；源漏電阻隨著漏極電壓線性變化，輸出電阻較小，在數(shù)字電路里面類似于開關(guān)的開態(tài)，在模擬領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，比如，多級運放，需要做頻率補償時

7、，可以采用RC串聯(lián)的方式，引入零點來消除第二主極點，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，而此時用到的電阻R可以用線性區(qū)電阻實現(xiàn)。此外，共模反饋中也會用到線性區(qū)的mos管。飽和區(qū)別：從漏極看，有較高的輸出電阻，作為負載使用時，可以提高運放增益，在差分電路中應(yīng)用這一特性可以提高共模干擾的抑制能力。7薩氏方程及跨導(dǎo)及過驅(qū)動電壓（飽和電壓）VGSVth：MOS管的“過驅(qū)動電壓”，在漏源電壓的作用下剛開始有電流產(chǎn)生時的VG為閾值電壓Vth 。工作在飽和區(qū)的MOS管可等效為一壓控電流源，故可用跨導(dǎo)gm來表示MOS管的電壓轉(zhuǎn)變電流的能力，跨導(dǎo)越大則表示該MOS管越靈敏，在同樣的過驅(qū)動電壓下能引起更大的電流，跨導(dǎo)為漏源電壓一

8、定時，漏極電流隨柵源電壓的變化率，即8比例電流鏡的設(shè)計原理這是標準的共源共柵結(jié)構(gòu)，想比普通電流鏡的好處就是輸出電阻大，恒流特性顯著增強， 缺點就是輸出擺幅較小，有閾值損失。這種結(jié)構(gòu)閾值損失較少，提高輸出擺幅，缺點是多了一條支流，功耗增加。（下面是典型的器件尺寸設(shè)計，關(guān)注M4的尺寸特點）9如何設(shè)計自偏置電壓源10基準源設(shè)計需要考慮的因素為了得到與溫度無關(guān)的電壓源，其基本思路是將具有負溫度系數(shù)的電壓與具有正溫度系數(shù)的電壓相加，它們的結(jié)果就能夠去除溫度的影響實現(xiàn)接近0溫度系數(shù)的工作電壓（zero TC）。雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓具有負溫度系數(shù)。正溫度系數(shù)的實現(xiàn)若兩個雙極晶體管工作在不相等的電流

9、密度下，那么它們的基極-發(fā)射極電壓差值就與絕對溫度成正比。通過正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)的疊加可以消除整個電路的溫度系數(shù)。利用放大器兩個輸入端的電壓近似相等就可以很方便得將正負溫度系數(shù)特性結(jié)合起來。11帶隙基準的結(jié)構(gòu)與原理為了得到與溫度無關(guān)的電壓源，其基本思路是將具有負溫度系數(shù)的電壓與具有正溫度系數(shù)的電壓相加，它們的結(jié)果就能夠去除溫度的影響，實現(xiàn)接近0溫度系數(shù)的工作電壓（zero TC）。雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓具有負溫度系數(shù)。正溫度系數(shù)的實現(xiàn)若兩個雙極晶體管工作在不相等的電流密度下，那么它們的基極-發(fā)射極電壓差值就與絕對溫度成正比。通過正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)的疊加可以消除整個電路的溫度系數(shù)

10、。利用放大器兩個輸入端的電壓近似相等就可以很方便得將正負溫度系數(shù)特性結(jié)合起來。12各種單級放大器的特點差分放大器：抗干擾能力高，輸入輸出范圍增大，信噪比大，失真度減小，面積增加一倍。反相放大器：優(yōu)點是跨導(dǎo)與電流，放大器的線性特性好，大信號下也是如此。CASCODE：增益高，輸出電阻大，帶寬小，具有屏蔽特性（減少失配），減小MILLER效應(yīng)對上一級的影響。15差分放大器的結(jié)構(gòu)、特點及作用差分信號作為輸出可以增大最大輸出壓擺。 差分工作模式，能很好抑制環(huán)境噪聲（如電源噪聲），即所謂的共模抑制。雖然這是以電路面積為代價的，但對于在單端模式時采用其它的方法來抑制環(huán)境噪聲的干擾的電路面積而言還是較小的。

11、差分電路還具有偏置電路簡單和線性度高等優(yōu)點。16基本差分對中的尾電流源的作用為差分對提供一個電流源IS，以使差分對具有固定的尾電流，從而產(chǎn)生獨立于輸入共模信號Vic的電流ID1+ID2。在共模輸入時差分對管的工作電流ID1=ID2= IS/2，并且保持恒定；同理，其共模輸出電平也保持恒定，且其值為VDD-RIS/2（R為負載等效電阻）。解決了由于差分對管在共模輸入時的工作電流變化引起非線性及輸出信號失真等。17各類單級放大器的增益輸出電阻（共模增益、差模增益）、輸入輸出共模電平范圍、擺幅雙端輸入雙端輸出時的差模電壓增益 雙端輸入單端輸出差模電壓增益在理想情況下，由于電路的完全對稱性，則當輸入共

12、模信號時，由于引起差分對管的每邊的輸出電壓的變化量相等，雙端輸出的電壓為0，故電壓增益為0理想情況下，單端輸出共模小信號增益也為018差分放大器共模抑制能力及分析共模抑制比CMRR表示差分放大器的共模抑制能力，CMRR定義為放大器的差模信號電壓增益與共模信號電壓增益之比。即：，當電路完全對稱時，共模電壓增益為0，故CMRR為無窮大，但實際電路不對稱，因此CMRR為一個有限值，其值越大則共模抑制能力越強。20如何求解放大器的頻率響22完整的運算放大器的構(gòu)成第一級是差分放大器，中間是共源共柵放大器，包括補償、偏置、增益等電路，接下來是輸出級。23運算放大器的補償分析及原理（mill電容及帶調(diào)零電阻

13、）1，MILL電容補償;單電容補償，電容加調(diào)零電阻，nest式電容補償,2，自補償-負載電容補償。P1與P2為分離的實極點，前級極點P1為主極點，后級極點p2為次極點。壓縮主極點頻率P1，拓展次極點頻率P2，通過將GBW放在P2以內(nèi)，保證閉環(huán)穩(wěn)定性，miller電容通過增大有效輸入電容，降低輸出阻抗以實現(xiàn)上述補償目標?；镜膍iller補償由并聯(lián)補償發(fā)展而來，改變極點分布。3，前饋是形成零點的重要方式之一。24如何提高運算放大器的增益1. 可以采用共源共柵結(jié)構(gòu)（比如19題中的最后一張圖）、2. 可以采用增益提高電路 25運算放大器的建立時間、擺率、CMRR/PSRR、擺幅、輸出電阻及測量方法建立時間：當運放被一個小信號激勵時，運放輸出達到最終值得誤差允許范圍內(nèi)的時間，由零極點位