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文檔簡介

ogIC

Chapter1Devices-MOSFETVersion-II,2012, WhatisElectronic

Circuits(Netlist)=ElementsElementsordevices:PrimaryorBasicCellinthe元器件在電路中的基礎(chǔ)地位和決定性元器件的選擇+連接關(guān)系(結(jié)構(gòu))+參數(shù)(量化ElementsStructure&itsOperationStateSmall/Larger

Elements(

Active有源PN

Passive無源simplePassive:Twoterminals;linear;BiasingtoprovideactivedevicesoperationpointActive:ExceptDiode,threeormoreterminals(Why?)Staticbiasingnecessary,Generallynonlinear;Onlyactivedevicewithmorethantwoterminalscanbeusedamplifying,andseriousconditionsneededforlinear Passive:

,Ohmlaw:RL LR W 選擇電阻類型(結(jié)構(gòu)/材料:RS),設(shè)計圖形Application,VtoBranchCircuitCurrentCurrentBasing.GoodinApplication,ItoCurrentCurrentVoltageBasing,Poorin

電阻自身的設(shè)簡單, 主要考慮在電路中的電流定義、電位調(diào)節(jié),設(shè)定合適的工作點和匹配條 Passive:LinearCapacitance&

CCS

(W

Inductance:LLt tC和L功能上表現(xiàn)為對偶特

CdVC

L

Lagersignal& 描Smallsignal& 描

XC

XL電容上電壓不能突變,電壓電感上電流不能突變,電流紋

IC中至少C不可避免,電路頻時域大信號Start-upPulseOSCDelayDC Simplestactiveelement:PN PN/Diode--正向?qū)?電壓近似鉗位),反向截止直至擊穿電流性--擴(kuò)散電流,I-V指數(shù)規(guī)律V-I對數(shù)率顯著非線性 )1] Vln(IPN S

S

SIS0反向飽和電流與反偏電壓無關(guān),但隨PN結(jié)面積而增熱電壓,理想正溫度系數(shù)電

kT26mV@ 電 能Question:PN結(jié)在電路里有何具體應(yīng)用直流 ,穩(wěn)壓,鉗位,電平移位交流:低阻高頻極點、交流短路,結(jié)電容變?nèi)菪?yīng)拓展應(yīng)用:MOSDiode電流 Active:BipolarJunctionTransistor

結(jié)構(gòu)兩個背靠背PN,發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏三端口非線性電流性質(zhì):本質(zhì)上仍是PN結(jié)電流!發(fā)射結(jié)正偏提供擴(kuò)散電流Ie;基極復(fù)合形成IB;IBIE集電結(jié)反偏對Ie按比例收集,形成VCB正偏或零偏,收集系數(shù)隨偏壓線性變化導(dǎo)致IC隨反偏電壓線性變化

exp(VBEV CV CQuestion:畫出BJT輸出特性曲線,與MOS輸出特性比較形似而內(nèi)在機(jī)制不同,應(yīng)用可類比、借鑒

FourTerminals:Gate(G),Source(S),Drain(D),Substrate特點:PN結(jié)反偏天 橫向:對原理:柵壓(縱向電場)感應(yīng)電荷,形成反型溝道、溝道電阻(開啟)漏壓(橫向電場)驅(qū)動溝道電阻,形成溝道電流;兩維電場增強型耗盡型本質(zhì)強反型下為漂移電流定律成立(修正弱反型下為擴(kuò)散電流; Dimension:WidthLengthRatio

工藝規(guī)范制造,設(shè)計確定形狀和尺PlateCap,Controlled

簡單看就是可變非線性 DeviceSymbol:two

VoltageControltype Currentdirectiontype Substrate-ReverseBiased,抑制襯底PN結(jié)電流P:方向向外;N:DefinitionDrain& Source:提供載流子;Drain:收集載流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 過驅(qū) k(V 1V2

導(dǎo)通電阻 (on)VDS

k線性電流飽和漏

1k2, DS

Process/Gaink

Width-LengthW/

Overdrive

Threshold襯底偏置AC:背柵

VTHVTHVTH0 2f2q2f2q0Si

2/2Explain:Usuallyinversebiased,NMOS:VBS<0;PMOS:溝道調(diào)制效

1k2(1 ), ,

MOSFET更關(guān)注在飽和恒流區(qū)的應(yīng)用-不可替代 溝道調(diào)制效應(yīng)–對飽和漏電流修

LLL(1L)L(1 等效W/L

(W W(1 )W(1VDS L(1 引入溝道調(diào)制系數(shù),理想等效厄利電壓V,理想V

1,

A(W

1k2(1 )

1k2(1VDSA DS A實際輸出電流與VGS,VDS兩種電壓均有關(guān);VGS(主控),VDS(輔控 非線性

Operationregion

工作區(qū)域的限定與兩VGS:截止-弱反型(亞閾)-過渡-強反型;VDS:線性-過渡-D端溝道未夾斷,VGD=VG-VD=VGS- 飽和恒D端溝道夾斷VGDVTHVDSVGS-VTHVDSVDS到達(dá)臨界點后,多余VDS降落在漏漏耗盡層中,溝道電阻形狀不變,漏收集電流系數(shù)飽和為1,電流近似恒定.

OverdriveVoltage

飽和

1

2IDSk2IDSkQuestion:=0時電流IDS=0或者說,強反型飽和電流模型在當(dāng)IDS0時,一定可進(jìn)入弱反型亞進(jìn)入過渡區(qū)和亞閾區(qū)后,可使0甚至<0Question:如何判斷在弱反型下的漏飽和恒流臨界條件

SubthresholdorWeak -100mV左兩種電流成份并存:VGS感應(yīng)的載流子梯度形成VDS橫向電場驅(qū)動形成漂 exp(VGSVTH)[1exp(VDS 當(dāng)VDS>>3VT時,濃度梯度大,但載流子總量小,擴(kuò)達(dá)到輸出電流飽和條件 柵控電壓調(diào)制為主的擴(kuò)散電流分

)Iexp(VGS D

SimilartoBJT,亞閾的MOSFET可視為BJT(I-V功能特性)觀特征:電流小,或小電流易工作WI區(qū),n>1亞閾斜率

ACRelated&ComefromDCACParametersinMOSFET:Small

AC

ACparametersarederivedbyDCI-V AC:gm&柵壓、漏壓對輸出小

io1

線性

@

Constan

d d

@VGSConstan

io

線性疊交流參數(shù)與直流I-V方程有關(guān),由直流工作點定義最關(guān)心飽和區(qū)的交流參數(shù) 存在gm和gd的非對稱,可放大?

gm&gdunbalancedforpossible

gm(SI)k

2I

k

I

1

&

大信號下一定產(chǎn)生非Whatis

/2

VA0L 高

IDS

恒流信號放大: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 飽和/線性臨界線右平移類似PN結(jié)I-V定T T

r1

gm

恒壓 VDSVGS1

m m

輸出阻抗轉(zhuǎn)變恒流恒壓o oSmallSignalEquivalent 低頻等效電路,忽略電容柵-源電柵-漏覆蓋(Miller)電容漏-源輸出(負(fù)載)電容MOSDiode:G-D短路,gmVgs=gmVds受控源等效1/gm總輸出導(dǎo)納gT=gm+gd,總輸出阻抗Question:IsLreductionreallybenefit ogNegative:LroGainPositive:LCgsfT

io Vgs

小尺寸,精度

fT

Twotransistors:Parallel&

(W

(L

)M1L

L)M

(W/ (W/同類MOS串、

Large

M M

Exe:利用等效W/L,判斷MA,MB狀態(tài)Result:MB:Saturation;MA: 定義法證明,或復(fù)合管等效W/L法證明Alwaystruewithoutrelatedwithtwo復(fù)合管:一個MOS管拆分為若圖形尺寸效應(yīng):W/L相同的復(fù)合管和單有差異!W/L相同但W,L不同的單管有差異 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,說明<<VT,進(jìn)入弱反型,否則強反型,附近為過度區(qū),統(tǒng)一的端口歸一化電流模型,與夾斷電壓Vp,溝道電位VD或VSf(r {1f(r

VS(D)

VGn

亞閾斜輸出

IFIRIS0(ifir

電流相減的物理依據(jù)和好處適合各個偏置工作區(qū)域,與原獨立模型

數(shù)學(xué)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,

統(tǒng)一模型的應(yīng)用:跨導(dǎo)gm,輸出導(dǎo)納

11if(rgmS(d

2IF(

2IS0

1if(r1if(r 2IS0

VpVS)]2IS0

nk

2kI 2kI 2IS0ln[1exp(VpVS)]2IS0exp(Vp) i

2ISir

)0

,g -

2VDSISV 強反型線V

T

統(tǒng)一模型的應(yīng)

1if11if

VpVS)]Vp

if>>1,強反

Vp-

V

V

1ifDS 1ifif<<1,弱反

1ln[1exp(VpVS)]exp(VpVS)1i1iV-V 1111 1]

1] )[1exp(DS 根據(jù)exp(-VDS/VT)==1/A的飽和條

VlnVln

1

1](2

1i1i反1i1i

1/AgmS/

Whatto MOSFETStructureisdefinedbyProcessOnlytodesignbothinparameterandstructureParameter:W/L,andW,Application:ConnectionofterminalswithinorbetweenMaindeviceandcircuit靜態(tài)工作點IDS

VGS

VDS阻抗參

,1/圖形參 W/工藝參 k頻率參

W

1

SPICEModel,HandCalculation&

Level1~3

k’,VTH,(VA),,n, --模擬電路性能與采用的工藝密切相關(guān),同一工藝也有參數(shù)工藝角:N-PMOS(tt,ss,ff,sf, R(typical,slow,

仿真技術(shù)很DC直流工作AC交流小信號(頻率瞬態(tài)、噪聲特性匹配失調(diào),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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