清华大学电子工程系：《模拟电子技术基础》课程教学资源（教案讲义）第三章 MOS模拟集成电路的基本单元电路

第三章 第3章MOS模拟集成电路的基本单元电路 31概述 发展一一在ⅤLS中占重要地位! 2.基本特点 FET与BJT对应关系 ig→ic 电极:→BEC 控制: GS 电路形式:CECB、C、差放、电流源、组合 CS、CG、CD、差放、电流源、组合 分析方法: 相同 硅栅CMos器件结构 场氧(场区) 栅氧(有源区) 金属引线 多晶硅栅 Si3N4 SiO2 N管源漏区 管源漏区

1 第3章 MOS模拟集成电路的基本单元电路 3.1 概述 1. 发展――在VLSI中占重要地位！ 2. 基本特点 • FET与BJT对应关系 电极： B E C G S D G S D 控制： 电路形式： CE、CB、CC、差放、电流源、组合 CSCS、、CGCG、、CDCD、差放、电流源、组合 、差放、电流源、组合 B C i → i GS D v → i 分析方法： 相同相同 第三章 硅栅CMOS器件结构 P管 源漏区 N＋ N＋ P＋ P＋ N - Si P-阱 Si3N4 SiO2 金属引线 N管 源漏区 多晶硅栅 场氧（场区） 栅氧（有源区）

第三章3.1概述 MOSIO在数字IC中应用最多! FET的特殊性 其次:中、大规模的模拟电路; 数模混合电路。 N、P沟,耗尽型、增强型 特性曲线中偏压极性不同 优点:(〕片面积小;〖=0,认为(极开路 (2)功耗低 (3)易于集成; 衬底调制效应 (4)温度特性好; ·缺点:(1)跨导g低,增益低; (2)极间电容大,速度频率受限; (3)失调电压高; (4)低频噪声大(热噪声,l/噪声) 32 MOSIO的单级放大电路 321 MOSFETI的模型 1.简化直流模型 l=0L本征导电因子 K ID D ①A 2.交流小信号模型 2

2 FET的特殊性 • 缺点: (1) 跨导gm低，增益低; (2) 极间电容大，速度频率受限； (3) 失调电压高； (4) 低频噪声大（热噪声，1/f噪声） N、P沟，耗尽型、增强型 特性曲线中偏压极性不同 • 优点: (1) 芯片面积小； iG = 0 ， 认为G极开路 (2) 功耗低; (3) 易于集成； (4) 温度特性好； MOSIC在数字IC中应用最多！ 其次：中、大规模的模拟电路； 数模混合电路。 MOSIC在数字IC中应用最多！ 其次：中、大规模的模拟电路； 数模混合电路。 衬底调制效应 第三章-3.1 概述 3.2.1 MOSFET的模型 1. 简化直流模型 3.2 MOSIC的单级放大电路 I 0 G = ( ) ( )2 GS GS th p D V V L W 2 K I ≈ ⋅ − 2. 交流小信号模型 G D S Vgs ( ) ( )2 GS GS th p V V L W 2 K ⋅ − ID 第三章 Kp=µnCox 本征导电因子

B C gd B b bs b G D 高频 gs+C gmV

3 G S c rDD’ B S’ D’ D rSS’ iD CGB CGS CGD CBS DBS CBD DBD N＋ N＋ P S G D B CGS CGC CGD CBS CBC CBD G S c rDD’ B S’ D’ D rSS’ iD CGB CGS CGD CBS DBS CBD DBD G + _ V gs . Cgs+Cgb Cgd gmV gs . rds Cds= Cbd D . . . . . S . . . N＋ N＋ P S G D B CGS CGC CGD CBS CBC CBD G + _ V gs . C gs Cgd gm V gs r ds Cbs B . . . . . . . . . . gmbVbs . Cbd + _ Vbs . Cgb D . S 高频高频 Vbs = 0 &

G C d G D 中低频 第三章3.2 MOSIC的单级放大电路 沟道长度调制 31 MOSFET的模型(续)系数 ( as-Vas ( ))( d s P'LVGs-Vas (o X1+A k 2 2K (1+λvDs)n s GS(h) g

4 G S c rDD’ B S’ D’ D rSS’ iD CGB CGS CGD CBS DBS CBD DBD G + _ V gs . Cgs+Cgb Cgd gmV gs . rds Cds= Cbd D . . . . . S . . . N＋ N＋ P S G D B CGS CGC CGD CBS CBC CBD G + _ V gs . C gs Cgd gm V gs r ds Cbs B . . . . . . . . . . gmbVbs . Cbd + _ Vbs . Cgb D . S 高频中低频 高频中低频 Vbs = 0 & D G S Vgs mVgs g & ds r ( ) ( ) ( ) GS GS th DS p D V V λv L k W i = − 1 + 2 2 ( ) ( )( ) m p GS GS th DS V V v L W g = k ⋅ − 1 + λ GS GS ( ) th D m V V i g − = 2 ( ) m p DS D v i L W g = 2k ⋅ 1 +λ 沟道长度调制 系数: 沟道长度调制 系数: VA λ 1 = 第三章-3.2 MOSIC的单级放大电路 3.2.1 MOSFET的模型（续）

第三章3.2 MOSIO的单级放大电路 沟道长度调制 31 MOSFET的模型(续)系数 C))(+ dv os d s k P'LVGS Gs(th 西 g g GS Gs(m) 1+Iv 1+λV 对w求导r 第三章3.2 MOSIC的单级放大电路 322MOS管三种组态基本放大电路 1共源(CS) 2共漏(CD) 3共栅(CG) 等效电路 及特性 R T v 5

5 D G S Vgs mVgs g & ds r ( ) ( ) ( ) GS GS th DS p D V V λv L k W i = − 1 + 2 2 ( ) ( )( ) m p GS GS th DS V V v L W g = k ⋅ − 1 + λ GS GS ( ) th D m V V i g − = 2 ( ) m p DS D v i L W g = 2k ⋅ 1 +λ ( ) ( ) DS D GS GS th p ds ds λV λI V V λ L k W g r + = = ⋅ − = 2 1 1 2 对对vvDSDS求导求导 D A D A DS D DS ds I V I V V I V r ≈ + = + = λ 1 λ 沟道长度调制 系数: 沟道长度调制 系数: VA λ 1 = D G S Vgs mVgs g & ds r 第三章-3.2 MOSIC的单级放大电路 3.2.1 MOSFET的模型（续） 1.共源（CS） T v0 VDD + - + - + - vs VGG vi Rs RD T v0 VDD + - + - + - vs VGG vi Rs R T v 0 VDD + - + - V vs GG RD 2.共漏（CD） 3.共栅（CG） 等效电路 及特性 等效电路 及特性 3.2.2 MOS管三种组态基本放大电路 第三章-3.2 MOSIC的单级放大电路

第三章3.2 MOSIC的单级放大电路 322MOS管三种组态基本放大电路(续) 1共源(CS) Rp gm(R∥f R.=Rn,∥ 第三章3.2 MOSIC的单级放大电路 322MOS管三种组态基本放大电路(续) 2共漏(CD) 4=1+2+R mtg nt

6 vI RD VDD vO G i v m gs g v rds S o v D RD M o D ds ( // ) R = R //r v m D ds A = −g R r & 1.共源（CS） 3.2.2 MOS管三种组态基本放大电路（续） 第三章-3.2 MOSIC的单级放大电路 vI R VDD vO G i v m gs g v rds S o v D R mb bs g v M { gs i o v = v − v bs o v = −v ' ( ) o m gs mb bs RL v = g v + g v ' ' 1 ( ) m mb L m L v g g R g R A + + = r R g g r R g g R ds m mb ds m mb o 1 1 1 // // 1 // 1 + + + = = 第三章-3.2 MOSIC的单级放大电路 2.共漏（CD） 3.2.2 MOS管三种组态基本放大电路（续）