技术在线：探析CMOS集成电路电阻的应用4.doc

技术在线：探析CMOS集成电路电阻的应用 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。电阻在集 成电路中有极其重要的作用。他直接关系到芯片的性能与面积及其成本。讨论了集 成电路设计中多晶硅条电阻、MOS管电阻和电容电阻等3种电阻器的实现方法。 【慧聪电子网】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 CMOS集成电路的性能及特点 1.1 功耗低CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的 场效应管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。 实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。单个门电路的功耗典型 值仅为20mW，动态功耗(在1MHz工作频率时)也仅为几mW。 1.2 工作电压范围宽CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳 压。国产CC4000系列的集成电路，可在3~18V电压下正常工作。 1.3 逻辑摆幅大CMOS集成电路的逻辑高电平“1”、逻辑低电平“0”分别接 近于电源高电位VDD及电影低电位VSS。当VDD=15V，VSS=0V时，输出逻辑摆 幅近似15V。因此，CMOS集成电路的电压电压利用系数在各类集成电路中指标是 较高的。 1.4 抗干扰能力强CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45% ，保证值为电源电压的30%。随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成 比例增加。对于VDD=15V的供电电压(当VSS=0V时)，电路将有7V左右的噪声容 限。 1.5 输入阻抗高CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成 的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些 保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通 常情况下，等效输入阻抗高达103~1011Ω，因此CMOS集成电路几乎不消耗驱动 电路的功率。 1.6 温度稳定性能好由于CMOS集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且， CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数 能起到自动补偿作用，因而CMOS集成电路的温度特性非常好。一般陶瓷金属封装 的电路，工作温度为-55~+125℃;塑料封装的电路工作温度范围为-45~+85℃。 1.7 扇出能力强扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的。由于 CMOS集成电路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是， 当CMOS集成电路用来驱动同类型，如不考虑速度，一般可以驱动50个以上的输 入端。 2 CMOS集成电路电阻的应用 2.1 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。 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100Ω/□，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。 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-VGS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