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大连理工大学 电信学院 CMOS模拟集成电路设计 巢明 CMOS无源器件 课程目的: 掌握CMOS工艺中无源器件的生成方法 了解0.8um工艺中电容和电阻的基本性能 了解提高器件匹配精度的基本版图原则 掌握电容,电阻,二极管的噪声特性 模拟集成电路对电容的要求 良好的匹配精度 低的电压相关系数 高的目标电容和分布电容比 高的单位面积电容 低的温度相关性 CMOS无源器件 电容的种类与特性: 电容寄生参数 CMOS无源器件 集成电阻的种类 扩散电阻 多晶硅电阻 N阱(P阱)电阻 金属电阻 CMOS无源器件性能总结(0.8um) 减小失配的版图原则 使用单位匹配,并保持相同外围条件 减小失配的版图原则 同质心设计 减小失配的版图原则 连接随机排列的重复单元,用统计方式获得高精度匹配 减小失配的版图原则 保持电容的面积/周长比(为什么?) 电路中常见的噪声类型 人工噪声 工频噪声,射频干扰等 热噪声(Johnson noise) 由载流子的热运动产生 闪烁噪声(1/f noise) 随机捕获与释放的载流子 散粒噪声(shot noise) 由载流子越过能量势垒产生 电阻的噪声特性 有效噪声功率 能够传送给负载的最大功率 电阻热噪声的开路均方根电压 电阻闪烁噪声的有效噪声功率 二极管的噪声特性 二极管的散粒噪声 二极管的闪烁噪声 习题 某运算放大器性能如下:-3dB带宽1MHz,增益120dB,电源电压正负15V,输入电阻为无穷。欲放大内阻为100kΩ的信号源提供的信号。试判断能否正常工作。 习题 计算并联的两电阻R1和R2两端的热噪声均方根电压。 试证明,电阻与电容并联后,测得的热噪声均方根电压与电阻的阻值大小无关。 习题 观察闪烁噪声的公式。当频率趋近零(直流)时噪声电压趋近无穷大。如何理解这个问题? 课后作业 2.4-1 54页 2.4-4 54页 2.6-1 55页 2.6-3 55页 CMOS集成电路截面示意图 CMOS集成电路SEM图像 * * CMOS无源器件 单位面积电容偏低,目标电容和分布电容比偏低 必须增加数次多晶硅工艺 下极板电阻率偏高,特性难于控制 增加一次注入工艺,对衬底电容与电压相关 作为寄生电容存在于阱区与衬底之间 与数字工艺衔接较好,电压系数低 Metal-Metal电容 高性能电容的最好实现方法 Poly-Ploy电容 单位面积电容高,匹配特性好,不要求特殊工艺与掩膜 积累MOS电容 单位面积电容高,匹配特性好 标准MOS电容 PN结电容 上极板寄生电容0.01-0.001期望电容 下极板寄生电容0.05-0.2期望电容 如何计算表面电阻率 ? 10k ppm/V 8000 ppm/oC ---------- 1-2 kΩ/□ N阱电阻 100 ppm/V 1500 ppm/oC 0.4% 20-40 Ω/□ 多晶硅电阻 200 ppm/V 1500 ppm/oC 0.4% 50-80 Ω/□ N+扩散电阻 200 ppm/V 1500 ppm/oC 0.4% 80-100 Ω/□ P+扩撒电阻 ---------- 1.5% 0.021-0.025 fF/um2 Metal-Metal电容 50 ppm/V 50 ppm/oC 0.05% 0.8-1.0 fF/um2 Poly-Poly电容 50 ppm/V 50 ppm/oC 0.05% 2.2-2.7 fF/um2 MOS电容 电压系数 温度系数 匹配 范围 元件 表2.4-1 36页 “50个左右的电阻单元可获得0.2%匹配度的电阻” 为什么圆形极板最好? “除希望信号之外的一切信号” 广义噪声: 图片来自P.E.Allen的讲义 * * *
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