CMOS集成電路電阻的應(yīng)用探析
摘要:在集成電路的設(shè)計中,電阻器不是主要的器件,卻是必不可少的。如果設(shè)計不當(dāng),會對整個電路有很大的影響,并且會使芯片的面積很大,從而增加成本。電阻在集成電路中有極其重要的作用。他直接關(guān)系到芯片的性能與面積及其成本。討論了集成電路設(shè)計中多晶硅條電阻、MOS管電阻和電容電阻等3種電阻器的實現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞:集成電路 電阻 開關(guān)電容 CMOS
目前,在設(shè)計中使用的主要有3種電阻器:多晶硅、MOS管以及電容電阻。在設(shè)計中,要根據(jù)需要靈活運用這3種電阻,使芯片的設(shè)計達到最優(yōu)。
1 CMOS集成電路的性能及特點
1.1 功耗低 CMOS集成電路采用場效應(yīng)管,且都是互補結(jié)構(gòu),工作時兩個串聯(lián)的場效應(yīng)管總是處于一個管導(dǎo)通,另一個管截止的狀態(tài),電路靜態(tài)功耗理論上為零。實際上,由于存在漏電流,CMOS電路尚有微量靜態(tài)功耗。單個門電路的功耗典型值僅為20mW,動態(tài)功耗(在1MHz工作頻率時)也僅為幾mW。
1.2 工作電壓范圍寬 CMOS集成電路供電簡單,供電電源體積小,基本上不需穩(wěn)壓。國產(chǎn)CC4000系列的集成電路,可在3~18V電壓下正常工作。
1.3 邏輯擺幅大 CMOS集成電路的邏輯高電平“1”、邏輯低電平“0”分別接近于電源高電位VDD及電影低電位VSS。當(dāng)VDD=15V,VSS=0V時,輸出邏輯擺幅近似15V。因此,CMOS集成電路的電壓電壓利用系數(shù)在各類集成電路中指標是較高的。
1.4 抗干擾能力強 CMOS集成電路的電壓噪聲容限的典型值為電源電壓的45%,保證值為電源電壓的30%。隨著電源電壓的增加,噪聲容限電壓的絕對值將成比例增加。對于VDD=15V的供電電壓(當(dāng)VSS=0V時),電路將有7V左右的噪聲容限。
1.5 輸入阻抗高 CMOS集成電路的輸入端一般都是由保護二極管和串聯(lián)電阻構(gòu)成的保護網(wǎng)絡(luò),故比一般場效應(yīng)管的輸入電阻稍小,但在正常工作電壓范圍內(nèi),這些保護二極管均處于反向偏置狀態(tài),直流輸入阻抗取決于這些二極管的泄露電流,通常情況下,等效輸入阻抗高達103~1011Ω,因此CMOS集成電路幾乎不消耗驅(qū)動電路的功率。
1.6 溫度穩(wěn)定性能好 由于CMOS集成電路的功耗很低,內(nèi)部發(fā)熱量少,而且,CMOS電路線路結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)都具有對稱性,在溫度環(huán)境發(fā)生變化時,某些參數(shù)能起到自動補償作用,因而CMOS集成電路的溫度特性非常好。一般陶瓷金屬封裝的電路,工作溫度為-55 ~ +125℃;塑料封裝的電路工作溫度范圍為-45 ~ +85℃。
1.7 扇出能力強 扇出能力是用電路輸出端所能帶動的輸入端數(shù)來表示的。由于CMOS集成電路的輸入阻抗極高,因此電路的輸出能力受輸入電容的限制,但是,當(dāng)CMOS集成電路用來驅(qū)動同類型,如不考慮速度,一般可以驅(qū)動50個以上的輸入端。
2 CMOS集成電路電阻的應(yīng)用
2.1 多晶硅電阻集成電路中的單片電阻器距離理想電阻都比較遠,在標準的MOS工藝中,最理想的無源電阻器是多晶硅條。
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。由于常用的薄層電阻很小,通常多晶硅最大的電阻率為100 Ω/□,而設(shè)計規(guī)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,由于芯片面積的限制,實際上是很難實現(xiàn)的。當(dāng)然也可以用擴散條來做薄層電阻,但是由于工藝的不穩(wěn)定性,通常很容易受溫度和電壓的影響,很難精確控制其絕對數(shù)值。寄生效果也十分明顯。無論多晶硅還是擴散層,他們的電阻的變化范圍都很大,與注入材料中的雜質(zhì)濃度有關(guān)。不 容易計算準確值。由于上述原因,在集成電路中經(jīng)常使用有源電阻器。
2 MOS管電阻
MOS管為三端器件,適當(dāng)連接這三個端,MOS管就變成兩端的有源電阻。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。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(nèi)呈線性的小信號交流電阻。在大多數(shù)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。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相比,其尺寸要小得多。簡單地把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。對于n溝道器件,應(yīng)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。同樣p溝道器件源極應(yīng)該接到最正的電源電壓上。此時,VGS=VDS,如圖1(a),(b)所示。
圖1(a)的MOS晶體管偏置在線性區(qū)工作,圖2所示為有源電阻跨導(dǎo)曲線ID-VG S的大信號特性。這一曲線對n溝道、p溝道增強型器件都適用。可以看出,電阻為非線性的。但是在實際中,由于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。其中:K′=μ0C0X。可以看出,如果VDS(VGS-VT),則ID與VDS之間關(guān)系為直線性(假定VGS與VDS無關(guān),由此產(chǎn)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1000~3000Ω/□。實驗證明,在VDS0.5(VGS-VT)時,近似情況是十分良好的。圖1(c),(d)雖然可以改進電阻率的線性,但是犧牲了面積增加了復(fù)雜度。
在設(shè)計中有時要用到交流電阻,這時其直流電流應(yīng)為零。圖1所示的有源電阻不能滿足此條 件,因為這時要求其阻值為無窮大。顯然這是不可能的。這時可以利用MOS管的開關(guān)特性來實現(xiàn)。
3 電容電阻
交流電阻還可以采用開關(guān)和電容器來實現(xiàn)。經(jīng)驗表明,如果時鐘頻率足夠高,開關(guān)和電容的組合就可以當(dāng)作電阻來使用。其阻值取決于時鐘頻率和電容值。
在特定的條件下,按照采樣系統(tǒng)理論,在周期內(nèi)的變化可忽略不計。
其中,fc=1/T是信號Φ1和Φ2的頻率。 這種方法可以在面積很小的硅片上得到很大的電阻。例如,設(shè)電容器為多晶硅多晶硅型,時鐘頻率100 kHz,要求實現(xiàn)1 MΩ的電阻,求其面積。根據(jù)式(3)可知電容為10 pF。假設(shè)單位面積的電容為0.2 pF/mil2,則面積為50mil2。如果用多晶硅,取最大可能值100Ω,并取其最小寬度,那么需要900mil2。當(dāng)然在開關(guān)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(guān)。可以看出,電容電阻比多晶硅電阻的面積少了很多。而在集成電路設(shè)計中這是十分重要的。
有效的RC時間常數(shù)就與電容之比成正比,從而可以用電容和開關(guān)電容電阻準確的實現(xiàn)電路中要求的時間常數(shù);而使用有源器件的電阻,可以使電阻尺寸最小。多晶硅電阻則是最簡單的。在設(shè)計中要靈活運用這三種不同的方式。

責(zé)任編輯:電力交易小郭
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