MOS管集成電路

集成電路中的單片電阻器

信息來源：本站　日期：2017-05-05　

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MOS管為三端器件，適當連接這三個端，MOS管就變成兩真個有源電阻。實際上所節省的面積遠不止此，由于多晶硅條的電阻率很難達到100

Ω/□。這樣可以使W/L接近于1且使用較小的直流電流。顯然這是不可能的。 1多晶硅電阻

在集成電路的設計中，電阻器不是主要的器件，卻是必不可少的。

3電容電阻

為了盡可能強調線性區并抵消體效應，電阻往往以差動方式成對泛起，圖3（b）所示的一

對差動結構的交流電阻。一個平均的平板電阻可以表示為：

目前，在設計中使用的主要有3種電阻器：多晶硅、MOS管以及電容電阻。這種電阻器主要原理是利用晶體管在一定偏置下的等效電阻。對于n溝道器件，應該盡可能地把源極接到最負的電源電壓上，這樣可以消除襯底的影響。留意，加到電阻器左邊的是差動信號（V1）；右邊則處于相同電位。假設單位面積的電容為0.2

pF/mil2,則面積為50 mil2。在設計中，要根據需要靈活運用這3種電阻，使芯片的設計達到最優。這時通過控制柵源之間的電壓值就可以得到ΔV為1

V的線性交流電阻。但是在實際中，因為信號擺動的幅度很小，所以實際上這種電阻可以很好地工作。

式中：ρ為電阻率；t為薄板厚度；R□=(ρ/t)為薄層電阻率，單位為Ω/□；L/W為長寬比。可以采用級連的方法克服這一題目即將每一級的G，D與上一級的S相連。其阻值取決于時鐘頻率和電容值。而在集成電路設計中這是十分重要的，固然增加了2個MOS管，但與所減少的面積比擬是可忽略的。此時，VGS=VDS，如圖（a)，(b)所示。這時可以利用MOS管的開關特性來實現，圖中所示。實驗證實，在VDS<0.5（VGS-V

T）時，近似情況是十分良好的。同樣p溝道器件源極應該接到最正的電源電壓上。

固然可以改進電阻率的線性，但是犧牲了面積增加了復雜度。

可以看出，假如VDS<(VGS-VT)，則ID與VDS之間關系為直線性（假定VGS與VDS無關，由此產生一個等效電阻R=KL/W，K=1/［μ0C0X（VGS-VT）］，μ0為載流子的表面遷移率，C0X為柵溝電容密度；K值通常在1

000～3 00 0Ω/□。其中V1和V2為兩個獨立的直流電壓源，其按照足夠高的速率采樣，在周期內的變化可忽略不計。

這種方法可以在面積很小的硅片上得到很大的電阻。

集成電路中的單片電阻器間隔理想電阻都比較遠，在尺度的MOS管工藝中，最理想的無源電阻器是多晶硅條。可以代替多晶硅或擴散電阻，以提供直流電壓降，或在小范圍內呈線性的小信號交流電阻。經驗表明，假如時鐘頻率足夠高，開關和電容的組合就可以當作電阻來使用。一個MOS器件就是一個模擬電阻，與等價的多晶硅或跨三電阻比擬，其尺寸要小得多。多晶硅電阻則是最簡樸的。可以看出，電容電阻比多晶硅電阻的面積少了良多。在大多數的情況下，獲得小信號電阻所需要的面積比直線性重要得多。不輕易計算正確值。對于電容電阻器，因為其電阻值與電容大小成反比，因此有效的RC時間常數就與電容之比成正比，從而可以用電容和開關電容電阻正確的實現電路中要求的時間常數；而使用有源器件的電阻，可以使電阻尺寸最小。在特定的前提下，按照采樣系統理論，可以近似為圖所示的電阻。假如用多晶硅，取最大可能值100

Ω，并取其最小寬度，那么需要900 mil2。

其中，fc=1/T是信號Φ1和Φ2的頻率。當然在開關電容電阻中除了電容面積外還需要兩個面積極小的MOS管做開關。根據式(3)可知電容為10 pF。

在設計中有時要用到交流電阻，這時其直流電流應為零。例如，設電容器為多晶硅多晶硅型，時鐘頻率100 kHz，要求實現1 MΩ的電阻，求其面積。

2MOS管電阻

CMOS集成電路設計中電阻設計方法的研究

不管多晶硅仍是擴散層，他們的電阻的變化范圍都很大，與注入材料中的雜質濃度有關。假如設計不當，會對整個電路有很大的影響，并且會使芯片的面積很大，從而增加本錢。通過計算可得：

交流電阻還可以采用開關和電容器來實現。因為上述原因，在集成電路中常常使用有源電阻器。這一曲線對n溝道、p溝道增強型器件都合用。

MOS開關的特性近似為直線，沒有直流失調。實際上，MOS工藝在這方面提供了不少利便。當然也可以用擴散條來做薄層電阻，但是因為工藝的不不亂性，通常很輕易受溫度和電壓的影響，很難精確控制其絕對數值。根據公式

簡樸地把n溝道或p溝道增強性MOS管的柵極接到漏極上就得到了類似MOS晶體管的有源電阻。

用有源電阻得到大的直流電壓需要大的電流，或者遠小于1的W/L比值。在設計中要靈活運用這三種不同的方式。寄生效果也十分顯著。當然，利用電容實現電阻還有其他的方法，在此不再贅述。

一種電阻模擬方法，稱為“并聯開關電容結構”。本文集中討論了怎樣在物理層上實現電阻。

圖（a)的MOS晶體管偏置在線性區工作，圖2所示為有源電阻跨導曲線ID-VG S的大信號特性。

其中：K′=μ0C0X。使用開關和電容模擬電阻，可以減輕漏極電流受漏—源電壓的影響。可以看出，電阻為非線性的。因為常用的薄層電阻很小，通常多晶硅最大的電阻率為100Ω/□，而設計規則又確定了多晶硅條寬度的最小值，因此高值的電阻需要很大的尺寸，因為芯片面積的限制，實際上是很難實現的。圖1所示的有源電阻不能知足此前提，由于這時要求其阻值為無限大。這些電阻器可以與其他的元器件一起使用。

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