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      CMOS集成電路設計中如何在物理層上實現電阻的設計

      2020年07月27日 11:03 ? 次閱讀

      集成電路的設計中,電阻器不是主要的器件,卻是必不可少的。如果設計不當,會對整個 電路有很大的影響,并且會使芯片的面積很大,從而增加成本。

      目前,在設計中使用的主要有3種電阻器:多晶硅、MOS管以及電容電阻。在設計中,要根據需要靈活運用這3種電阻,使芯片的設計達到最優。

      1、多晶硅電阻

      集成電路中的單片電阻器距離理想電阻都比較遠,在標準的MOS工藝中,最理想的無源電阻器是多晶硅條。一個均勻的平板電阻可以表示為:

      式中:ρ為電阻率;t為薄板厚度;R□=(ρ/t)?為薄層電阻率,單位為Ω/□;L/W為長寬比。由于常用的薄層電阻很小,通常多晶硅最大的電阻率為100 Ω/□,而設計規則又確定了多晶硅條寬度的最小值,因此高值的電阻需要很大的尺寸,由于芯片面積的限制,實際上是很難實現的。當然也可以用擴散條來做薄層電阻,但是由于工藝的不穩定性,通常很容易受溫度和電壓的影響,很難精確控制其絕對數值。寄生效果也十分明顯。

      無論多晶硅還是擴散層,他們的電阻的變化范圍都很大,與注入材料中的雜質濃度有關。不 容易計算準確值。由于上述原因,在集成電路中經常使用有源電阻器。

      CMOS集成電路設計中如何在物理層上實現電阻的設計

      2、MOS管電阻

      MOS管為三端器件,適當連接這三個端,MOS管就變成兩端的有源電阻。這種電阻器主要原理 是利用晶體管在一定偏置下的等效電阻。可以代替多晶硅或擴散電阻,以提供直流電壓降,或在小范圍內呈線性的小信號交流電阻。在大多數的情況下,獲得小信號電阻所需要的面積比直線性重要得多。一個MOS器件就是一個模擬電阻,與等價的多晶硅或跨三電阻相比,其尺寸要小得多。

      簡單地把n溝道或p溝道增強性MOS管的柵極接到漏極上就得到了類似MOS晶體管的有源電阻。對于n溝道器件,應該盡可能地把源極接到最負的電源電壓上,這樣可以消除襯底的影響。同樣p溝道器件源極應該接到最正的電源電壓上。此時,VGS=VDS,如圖1(a),(b)所示。

      圖1(a)的MOS晶體管偏置在線性區工作,圖2所示為有源電阻跨導曲線ID-VG S的大信號特性。這一曲線對n溝道、p溝道增強型器件都適用。可以看出,電阻為非線性的。但是在實際中,由于信號擺動的幅度很小,所以實際上這種電阻可以很好地工作。根據公式

      其中:K′=μ0C0X。可以看出,如果VDS《(VGS-VT),則ID與VDS之間關系為直線性(假定VGS與VDS無關,由此產生一個等效電阻R=KL/W,K=1/[μ0C0X(VGS-VT)],μ0為載流子的表面遷移率,C0X為柵溝電容密度;K值通常在1 000~3 00 0Ω/□。實驗證明,在VDS《0.5(VGS-V T)時,近似情況是十分良好的。

      圖1(c),(d)雖然可以改進電阻率的線性,但是犧牲了面積增加了復雜度。

      用有源電阻得到大的直流電壓需要大的電流,或者遠小于1的W/L比值。可以采用級連的方法克服這一問題即將每一級的G,D與上一級的S相連。這樣可以使W/L接近于1且使用較小的直流電流。

      在設計中有時要用到交流電阻,這時其直流電流應為零。圖1所示的有源電阻不能滿足此條 件,因為這時要求其阻值為無窮大。顯然這是不可能的。這時可以利用MOS管的開關特性來實現,如圖3(a)所示。MOS開關的特性近似為直線,沒有直流失調。這時通過控制柵源之間的電壓值就可以得到ΔV為1 V的線性交流電阻。

      為了盡可能夸大線性區并抵消體效應,電阻往往以差動方式成對出現,如圖3(b)所示的一 對差動結構的交流電阻。注意,加到電阻器左邊的是差動信號(V1);右邊則處于相同電位。

      3、電容電阻

      交流電阻還可以采用開關和電容器來實現。經驗表明,如果時鐘頻率足夠高,開關和電容的組合就可以當作電阻來使用。其阻值取決于時鐘頻率和電容值。

      圖4是一種電阻模擬方法,稱為“并聯開關電容結構”。在特定的條件下,按照采樣系統理論,可以近似為圖4(b)所示的電阻。其中V1和V2為兩個獨立的直流電壓源,其按照足夠高的速率采樣,在周期內的變化可忽略不計。通過計算可得:

      其中,fc=1/T是信號Φ1和Φ2的頻率。

      這種方法可以在面積很小的硅片上得到很大的電阻。例如,設電容器為多晶硅多晶硅型,時鐘頻率100 kHz,要求實現1 MΩ的電阻,求其面積。根據式(3)可知電容為10 pF。假設單位面積的電容為0.2 pF/mil2,則面積為50 mil2。如果用多晶硅,取最大可能值100 Ω,并取其最小寬度,那么需要900 mil2。當然在開關電容電阻中除了電容面積外還需要兩個面積極小的MOS管做開關。可以看出,電容電阻比多晶硅電阻的面積少了很多。而在集成電路設計中這是十分重要的,雖然增加了2個MOS管,但與所減少的面積相比是可忽略的。實際上所節省的面積遠不止此,因為多晶硅條的電阻率很難達到100 Ω/□。當然,利用電容實現電阻還有其他的方法,在此不再贅述。

      4、結語

      本文集中討論了怎樣在物理層上實現電阻。實際上,MOS工藝在這方面提供了不少方便。這些電阻器可以與其他的元器件一起使用。使用開關和電容模擬電阻,可以減輕漏極電流受漏—源電壓的影響。對于電容電阻器,由于其電阻值與電容大小成反比,因此有效的RC時間常數就與電容之比成正比,從而可以用電容和開關電容電阻準確的實現電路中要求的時間常數;而使用有源器件的電阻,可以使電阻尺寸最小。多晶硅電阻則是最簡單的。在設計中要靈活運用這三種不同的方式。

      責任編輯:gt

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      新一代信息技術產業加速落地,我國集成電路行業迎來...

      蓄電池的電壓降低時可發信號的迅響器電路圖

      蓄電池是汽車必不可少的一部分。汽車蓄電池的電壓過低,會給汽車帶來啟動困難。
      發表于 2020-07-19 10:10? 409次閱讀
      蓄電池的電壓降低時可發信號的迅響器電路圖

      聲光集成電路的使用十個案例說明

      在五光十色、琳瑯滿目的玩具世界里,新近涌現出許多形態逼真、聲情并茂的有聲電子玩具,諸如能動會叫的聲控....
      發表于 2020-07-18 12:00? 148次閱讀
      聲光集成電路的使用十個案例說明

      電流檔無法測量故障多數是由于什么操作不當引起的?

      這種現象主要是由測量電路中電阻或電容失效引起的,必須更換該電容或電阻。檢查該電路中的電阻的阻值(包括....
      發表于 2020-07-18 09:25? 40次閱讀
      電流檔無法測量故障多數是由于什么操作不當引起的?

      伏安法測電阻的原理是什么?

      伏安法測電阻是使用電流表和電壓表直接測量導體電阻的常見方法,大致分為兩種,電流表內接和電流表外接。伏....
      發表于 2020-07-17 17:11? 506次閱讀
      伏安法測電阻的原理是什么?

      MOS場效應管的檢測方式及分類

      MOS(場效應管)首先是需要檢測的,那么在檢測的時候是比較簡單的,比如說人工就可以來完成。這種初步的....
      發表于 2020-07-17 16:38? 340次閱讀
      MOS場效應管的檢測方式及分類

      VSP2267是一種高分辨率的混合信號集成電路

        1.1說明   采用CCD時序發生器和a/D轉換器對CCD信號進行處理。系統同步主時鐘、HD和VD。VSP2267支...
      發表于 2020-07-17 14:44? 0次閱讀
      VSP2267是一種高分辨率的混合信號集成電路

      基于MAX4145差分放大器性能特點和典型應用分...

      隨著超大規模集成電路技術、微處理器技術的飛速發展和一些新型元器件的應用,擴頻技術已經廣泛地應用到通信....
      發表于 2020-07-17 14:10? 74次閱讀
      基于MAX4145差分放大器性能特點和典型應用分...

      HI5746是10位的單片模擬數字轉換器用CMOS工藝制造的轉換器

        HI5746是一個10位的單片模擬數字轉換器用CMOS工藝制造的轉換器。它是為寬帶和低帶寬的高速應用耗電量至關重...
      發表于 2020-07-16 16:00? 0次閱讀
      HI5746是10位的單片模擬數字轉換器用CMOS工藝制造的轉換器

      ADS7810是12位800kHz采樣CMOS模數轉換器

        特征  ●1.25微秒吞吐時間  ●標準±10V輸入范圍  ●最小69dB SINAD,輸入250kHz  ●最大入口為±...
      發表于 2020-07-15 09:50? 31次閱讀
      ADS7810是12位800kHz采樣CMOS模數轉換器

      LM9061具有無損保護的功率MOSFET驅動器

        一般說明   LM9061是一種電荷泵裝置,它提供門驅動到任何尺寸的外部功率MOSFET配置作為高壓側的駕駛員...
      發表于 2020-07-14 14:53? 63次閱讀
      LM9061具有無損保護的功率MOSFET驅動器
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