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(多图) CMOS集成电路设计中电阻设计方法的研究

来源:E代电子 / 作者:杭州电子科技大学CAD研究所 王传杰?? 王凯?? 马骏?? 2006年03月23日 ?? 收藏1
?????? 在集成电路的设计中,电阻器不是主要的器件,却是必不可少的。如果设计不当,会对整个 电路有很大的影响,并且会使芯片的面积很大,从而增加成本。

?????? 目前,在设计中使用的主要有3种电阻器:多晶硅、MOS管以及电容电阻。在设计中,要根据需要灵活运用这3种电阻,使芯片的设计达到最优。??

?????? 1 多晶硅电阻

?????? 集成电路中的单片电阻器距离理想电阻都比较远,在标准的MOS工艺中,最理想的无源电阻器是多晶硅条。一个均匀的平板电阻可以表示为:

公式


?????? 式中:ρ为电阻率;t为薄板厚度;R□=(ρ/t)??为薄层电阻率,单位为Ω/□;L/W为长宽比。由于常用的薄层电阻很小,通常多晶硅最大的电阻率为100 Ω/□,而设计规则又确定了多晶硅条宽度的最小值,因此高值的电阻需要很大的尺寸,由于芯片面积的限制,实际上是很难实现的。当然也可以用扩散条来做薄层电阻,但是由于工艺的不稳定性,通常很容易受温度和电压的影响,很难精确控制其绝对数值。寄生效果也十分明显。

?????? 无论多晶硅还是扩散层,他们的电阻的变化范围都很大,与注入材料中的杂质浓度有关。不 容易计算准确值。由于上述原因,在集成电路中经常使用有源电阻器。

源MOS电阻器


?????? 2 MOS管电阻

?????? MOS管为三端器件,适当连接这三个端,MOS管就变成两端的有源电阻。这种电阻器主要原理 是利用晶体管在一定偏置下的等效电阻。可以代替多晶硅或扩散电阻,以提供直流电压降,或在小范围内呈线性的小信号交流电阻。在大多数的情况下,获得小信号电阻所需要的面积比直线性重要得多。一个MOS器件就是一个模拟电阻,与等价的多晶硅或跨三电阻相比,其尺寸要小得多。

?????? 简单地把n沟道或p沟道增强性MOS管的栅极接到漏极上就得到了类似MOS晶体管的有源电阻。对于n沟道器件,应该尽可能地把源极接到最负的电源电压上,这样可以消除衬底的影响。同样p沟道器件源极应该接到最正的电源电压上。此时,VGS=VDS,如图1(a),(b)所示。

?????? 图1(a)的MOS晶体管偏置在线性区工作,图2所示为有源电阻跨导曲线ID-VG S的大信号特性。这一曲线对n沟道、p沟道增强型器件都适用。可以看出,电阻为非线性的。但是在实际中,由于信号摆动的幅度很小,所以实际上这种电阻可以很好地工作。根据公式:

公式


?????? 其中:K′=μ0C0X。可以看出,如果VDS<(VGS-VT),则ID与VDS之间关系为直线性(假定VGS与VDS无关,由此产生一个等效电阻R=KL/W,K=1/[μ0C0X(VGS-VT)],μ0为载流子的表面迁移率,C0X为栅沟电容密度;K值通常在1 000~3 00 0Ω/□。实验证明,在VDS<0.5(VGS-V T)时,近似情况是十分良好的。

?????? 图1(c),(d)虽然可以改进电阻率的线性,但是牺牲了面积增加了复杂度。  

MOS有源电阻的I


?????? 用有源电阻得到大的直流电压需要大的电流,或者远小于1的W/L比值。可以采用级连的方法克服这一问题即将每一级的G,D与上一级的S相连。这样可以使W/L接近于1且使用较小的直流电流。  

MOS管开关特性及其差动电阻


?????? 在设计中有时要用到交流电阻,这时其直流电流应为零。图1所示的有源电阻不能满足此条 件,因为这时要求其阻值为无穷大。显然这是不可能的。这时可以利用MOS管的开关特性来实现,如图3(a)所示。MOS开关的特性近似为直线,没有直流失调。这时通过控制栅源之间的电压值就可以得到ΔV为1 V的线性交流电阻。

?????? 为了尽可能夸大线性区并抵消体效应,电阻往往以差动方式成对出现,如图3(b)所示的一 对差动结构的交流电阻。注意,加到电阻器左边的是差动信号(V1);右边则处于相同电位。


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