Cmos集成電路概述

Cmos集成電路研究任文娟（西北師范大學(xué)）摘要：集成電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試是當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)研究的主要問(wèn)題之一。CMOS集成電路測(cè)試技術(shù)，受到人們的廣泛關(guān)注。本文介紹了CMOS集成電路測(cè)試技術(shù)基本原理和關(guān)鍵問(wèn)題，探討了電流測(cè)試的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀，并提出了該技術(shù)的研究方向。關(guān)鍵詞：CMOS電路；電流測(cè)試；靜態(tài)電流（I）；動(dòng)態(tài)電流（I）DDQDDTcmos集成電路的發(fā)展絕大多數(shù)集成電路是用硅的半導(dǎo)體材料制作的，因此也稱為硅集成電路，另有少量的集成電路是用半導(dǎo)體材料砷化鎵制造的。集成電路可以按照不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。如果根據(jù)功能分類，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路之分；以組成集成電路的器件來(lái)劃分，可分為雙極型和cmos兩大類。cmos集成電路因?yàn)榫哂泄牡?、輸入阻抗高、噪聲容限高、電源電壓范圍寬、輸出電壓幅度與電源電壓接近、對(duì)稱的傳輸延遲和躍遷時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，所以發(fā)展極為迅速。1963年，國(guó)際固體電路會(huì)議首先發(fā)表了制成emos集成電路的報(bào)告。1967年，RcA（美國(guó)無(wú)線電公司）開始試銷cmos產(chǎn)品；20世紀(jì)70年代初正式推出比較完整的cmos標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電路產(chǎn)品CD4000系列，隨后美國(guó)motorola（摩托羅拉）公司也發(fā)表了Mci45oo系列，兩者合稱為4000系列。CMOS集成電路的問(wèn)世開創(chuàng)了微功耗電于學(xué)的先河。在20世紀(jì)70年代中期，4000A系列發(fā)展為4000B系列，工作電壓范圍從A系列的3一15v擴(kuò)展為B系列的3—18v，而且B系列除少量器件為非緩沖輸出外，大部分器件都是緩沖輸出的，使它的參數(shù)和性能比A系列有較大的改進(jìn)。1976年，由JEDEC（聯(lián)合電子器件工程委員會(huì)）制定了統(tǒng)一規(guī)范，使B系列的功能和管腳排列標(biāo)淮化，成為全世界各cmos集成電路制造廠家共同生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)系列。隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)及電子數(shù)據(jù)處理設(shè)備的普及和推廣，特別是袖珍機(jī)和便攜式電子設(shè)備的使用，對(duì)高速、低功耗器件的需求越來(lái)越迫切，這就促使這些儀器、設(shè)備的電源電壓下降到3.3土o.3v的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于集成電路而言，則要求在低壓下保持甚至超過(guò)5V系列的性能。為了開發(fā)低壓高速cmos數(shù)字集成電路，國(guó)家半導(dǎo)體、MOToROLA和東芝等公司組成一個(gè)集團(tuán)，檀州儀器、飛利浦和日立組成另一個(gè)集團(tuán)。在1992甲推出了LVQ系列后，接首又陸續(xù)開發(fā)出LVX、LVT、LVC、LV、LCX等多種低壓高速CMOS系列。Cmos集成電路在標(biāo)準(zhǔn)邏輯系列方面得到了發(fā)展，在專用集成電路方面也有廣泛的應(yīng)用。隨著cmos集成電路工藝、設(shè)計(jì)的不斷完善和發(fā)展，越來(lái)越多的大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路都以cmos工藝制造。高速CMOS集成電路原理和結(jié)構(gòu)近年來(lái),隨著醫(yī)療電子、汽車電子系統(tǒng)和軍事航天等領(lǐng)域中電子測(cè)試測(cè)量產(chǎn)品的發(fā)展,高性能CMOS運(yùn)算放大器因其高增益、高共模抑制比、低失調(diào)電壓及低溫度漂移等優(yōu)點(diǎn)，在電子測(cè)試測(cè)量產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外已報(bào)導(dǎo)的高性能CMOS運(yùn)算放大器有：Liu和Yang利用負(fù)阻補(bǔ)償技術(shù)研制的AB類運(yùn)算放大器，開環(huán)增益58dB,相位裕度61度建立時(shí)間33.6ns;Yao和Stcyeart研制的140mW功耗，50dB增益的運(yùn)放，雖然功耗比較低，但建立時(shí)間需要2700ns；NS生產(chǎn)的LMP7711系列可以在1.8V下提供95dB的共模抑制比和100dB的電源抑制比，但其增益帶寬只有17MHz?？梢?jiàn)，運(yùn)算放大器的參數(shù)難以全部兼顧，各個(gè)參數(shù)之間存在折中關(guān)系。高速CMOS54HC/74Hc系列與4000系列各個(gè)器件的電路圖完全相同，都是互補(bǔ)對(duì)稱的電路結(jié)構(gòu)，即邏輯器件基本上包含數(shù)量相同的P管和N管。氧化物隔離、較淺的結(jié)深、較短的溝道長(zhǎng)度和較小的柵覆蓋電容，使高速CMOS集成電路寄生電容比金屬柵CMOS減小了一半左右。CMOS場(chǎng)效應(yīng)管的漏源電流方程為：I=K柵寬（柵壓-開啟電壓）2ds柵長(zhǎng)式中K為電流增益.它與柵氧化層厚度成反比。高速CMos集成電路較低的開啟電壓（典型值為o.7v）、較薄的柵氧化層和較短的溝道長(zhǎng)度，使它的跨導(dǎo)比金屬柵cMos增長(zhǎng)幾乎4倍。再加上高速CMOs集成電路寄生電容比金屬柵減小了一半左右，兩者綜合作用的效果使高速cMos的開關(guān)速度達(dá)到金屬柵CMoS的8—10倍。高速CMOS54/74系列具有下列特點(diǎn)；?具有從簡(jiǎn)單的門電路至大規(guī)模集成電路的全系列產(chǎn)品?器件功能管腳與路TTL和CMOS4000系列相同；.工作溫度范圍寬，.無(wú)鎖定效應(yīng)；.全部輸人端都有防靜電的保護(hù)電路，.功耗低；?噪聲容限高，.電源電壓范圍寬：Hc/HCU型為2—6V。1）輸入電路CMOS管的柵極輸入相當(dāng)于漏電電流很小的電容器，如果柵極沒(méi)有保護(hù)，這種輸入端就可能被靜電充電至向壓，造成絕緣柵擊穿，使器件永久破壞。因此在CMOS集成電路的每個(gè)輸入端都建立了輸入保護(hù)電路。CMOS管的輸入電路如圖1所示，它包括保護(hù)電路。圖1輸入電路2）輸出電路在高速CMOS集成電路中有三種輸出結(jié)構(gòu)：推挽輸出、3態(tài)輸出和開闊N溝管輸出。每一種都適用于標(biāo)準(zhǔn)輸出器件或總線輸出驅(qū)動(dòng)器。高速CMOS集成電路的輸出必須滿足接口到CMOS輸入端的電平要求和接口到雙極型器件輸入端的電流要求。3CMOS集成電路應(yīng)用1）高性能CMOS采樣保持電路的設(shè)計(jì)采樣/保持電路是流水線結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器的核心部分，它的性能決定整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的性能.最簡(jiǎn)單的采樣/保持電路只需要一個(gè)MOS管開關(guān)和保持電容就可實(shí)現(xiàn).但是,由于開關(guān)的電荷注入和時(shí)鐘饋通效應(yīng)[1],以及開關(guān)的非線性等非理想特性,這樣的采樣/保持電路很難達(dá)到較好的性能.隨著采樣時(shí)鐘頻率的提高,孔徑時(shí)間不確定引入的高頻非線性失真使MOS采樣系統(tǒng)的線性度不斷下降,傳統(tǒng)MOS采樣/保持電路結(jié)構(gòu)，已無(wú)法滿足高速高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器高線性度的要求;同時(shí),MOS開關(guān)導(dǎo)通電阻造成的非線性誤差,也是制約采樣/保持電路線性度提高的關(guān)鍵因素.傳統(tǒng)上,通常采用以下方法減小MOS管的非線性誤差:采用低閾值電壓晶體管的電路,柵壓提高技術(shù),以及開關(guān)自舉技術(shù)等.但是,這些改進(jìn)措施往往是以增加工藝制造成本、降低電路可靠性,或提高電路設(shè)計(jì)難度為代價(jià)的.圖2開關(guān)電路這是一個(gè)雙邊信號(hào)開關(guān)，用它來(lái)代替采樣電路中的開關(guān)，就得到采樣保持電路。采樣/保持電路的精度和速度主要取決于運(yùn)算放大器的增益和速度.運(yùn)算放大器必須具有高增益和高單位增益帶寬的特點(diǎn).它主要包括用來(lái)減小時(shí)鐘饋通效應(yīng)和電荷注入效應(yīng)所帶來(lái)的誤差的全差分采樣/保持放大器,和在不引入非線性失真的同時(shí),減小了采樣管的導(dǎo)通電阻和增加帶寬的雙邊信號(hào)采樣開關(guān).該電路結(jié)構(gòu)采用輸出端直接反饋到輸入端的方式,它不需要外加共模反饋電路.這樣可以減小電路復(fù)雜程度,有效地降低功耗,并可獲得更高的速度.2)CMOS傳感器相機(jī)手機(jī)發(fā)展迅速,并呈現(xiàn)熱銷局面。相機(jī)手機(jī)于2001年面世。當(dāng)時(shí),人們對(duì)在手機(jī)上裝上相機(jī)是否有必要還存有疑問(wèn)。隨著相機(jī)手機(jī)的逐漸普及和發(fā)展,手機(jī)傳送的信息不僅僅是語(yǔ)言,而語(yǔ)言所不能表達(dá)的瞬間影像的傳送也已成為不容否認(rèn)的事實(shí)。20世紀(jì)70年代開發(fā)的CCD傳感器以靈敏度高及像素多為優(yōu)勢(shì),而CCD相機(jī)則是在拍攝“護(hù)照尺寸”的民用攝像機(jī)中顯露出光彩。隨著數(shù)碼相機(jī)的普及,加速了攝像元件向多像素化和微細(xì)化方向發(fā)展。置于手機(jī)內(nèi)的相機(jī)應(yīng)具有低電壓驅(qū)動(dòng),耗電少和小型化的特點(diǎn)。除CCD傳感器外,CMOS傳感器已成為科學(xué)家研究的焦點(diǎn)。但最初由于CMOS傳感器在低照度時(shí)信噪比差而使人們敬而遠(yuǎn)之。002年10月,東芝公司研制出一種Dynas2tron新型CMOS傳感器。該傳感器在低照度時(shí)的噪聲小,達(dá)到了與CCD傳感器相同的光靈敏度。這種新型CMOS傳感器可與CCD傳感器媲美。CMOS傳感器是由一個(gè)像素光電二極管和數(shù)種MOS晶體管構(gòu)成。通過(guò)鏡頭入射的光在硅基板內(nèi)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換而成為電荷,該電荷在讀出晶體管的源極聚集,經(jīng)讀出晶體管傳送至漏極,經(jīng)放大晶體管放大信號(hào),然后傳送到垂直信號(hào)端,再經(jīng)過(guò)垂直掃描和水平掃描而依次輸出。CMOS傳感器所具有的優(yōu)點(diǎn):(1)性能CCD傳感器與CMOS傳感器的最大不同點(diǎn)是:前者在基板內(nèi)完成信號(hào)轉(zhuǎn)換(見(jiàn)圖3);而后者則要經(jīng)過(guò)垂直掃描回路和水平掃描回路的開關(guān)傳送給垂直信號(hào)端，因此CCD傳感器的電流信號(hào)幾乎完全被傳輸而無(wú)噪聲產(chǎn)生，可獲得很高的靈敏度;而CMOS傳感器內(nèi)置放大晶體管，由于這些晶體管的分散而產(chǎn)生噪聲，使靈敏度下降，但可通過(guò)偏移控制噪聲回路提高其性能，使產(chǎn)品化成為可能。(2)成本CCD傳感器與邏輯回路不同,它需要特殊的工藝設(shè)備。與邏輯回路相比,其制造成本相對(duì)高一些。CMOS傳感器和邏輯回路的工藝過(guò)程相同，因此在工藝流程方面要優(yōu)于CCD傳感器。（3）小型化CCD傳感器是將轉(zhuǎn)換信號(hào)用的寄存器和輸出放大器集成于一塊芯片上，因此時(shí)鐘發(fā)生器、AD轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理回路等就必須組裝在其他芯片上。由于CMOS傳感器和邏輯回路的制作工藝相同，而CCD傳感器能將所有回路集成在一塊芯片上，因此不需要很多的芯片就能很容易地使器件小型化，從而降低了制造成本。整個(gè)系統(tǒng)芯片化的攝像機(jī)如圖5所示。據(jù)報(bào)道，將來(lái)也可將圖像壓縮處理回路JPEG）等各種處理回路集成在一塊