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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(jì)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)、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(gè)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(diǎn):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(qiáng)型耗盡型本質(zhì)強(qiáng)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(jì)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(shí)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(qiáng)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(diǎn)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(shí)電流IDS=0或者說,強(qiáng)反型飽和電流模型在當(dāng)IDS0時(shí),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(shí),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(diǎn)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
低
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(gè)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(qiáng)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(gè)偏置工作區(qū)域,與原獨(dú)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(qiáng)反型線V
T
統(tǒng)一模型的應(yīng)
1if11if
VpVS)]Vp
if>>1,強(qiáng)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(diǎn)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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