摘要：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。如果設計不當，會對整個電路有很大的影響，并且會使芯片的面積很大，從而增加成本。電阻在集成電路中有極其重要的作用。他直接關系到芯片的性能與面積及其成本。討論了集成電路設計中多晶硅條電阻、MOS管電阻和電容電阻等3種電阻器的實現方法。
 

    關鍵詞：集成電路  電阻  開關電容  CMOS

    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。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。

    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管，且都是互補結構，工作時兩個串聯的場效應管總是處于一個管導通，另一個管截止的狀態，電路靜態功耗理論上為零。實際上，由于存在漏電流，CMOS電路尚有微量靜態功耗。單個門電路的功耗典型值僅為20mW，動態功耗（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，基本上不需穩壓。國產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電阻構成的保護網絡，故比一般場效應管的輸入電阻稍小，但在正常工作電壓范圍內，這些保護二極管均處于反向偏置狀態，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動電路的功率。

    1.6 溫度穩定性能好 由于CMOS集成電路的功耗很低，內部發熱量少，而且，CMOS電路線路結構和電氣參數都具有對稱性，在溫度環境發生變化時，某些參數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CMOS集成電路用來驅動同類型，如不考慮速度，一般可以驅動50個以上的輸入端。

    2 CMOS集成電路電阻的應用

    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，由于芯片面積的限制，實際上是很難實現的。當然也可以用擴散條來做薄層電阻，但是由于工藝的不穩定性，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濃度有關。不 容易計算準確值。由于上述原因，在集成電路中經常使用有源電阻器。

    2 MOS管電阻
    MOS管為三端器件，適當連接這三個端，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，或在小范圍內呈線性的小信號交流電阻。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。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工作，圖2所示為有源電阻跨導曲線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雜度。

    在設計中有時要用到交流電阻，這時其直流電流應為零。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管的開關特性來實現。

    3 電容電阻
    交流電阻還可以采用開關和電容器來實現。經驗表明，如果時鐘頻率足夠高，開關和電容的組合就可以當作電阻來使用。其阻值取決于時鐘頻率和電容值。

    在特定的條件下，按照采樣系統理論，在周期內的變化可忽略不計。
    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。根據式(3)可知電容為10 pF。假設單位面積的電容為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。可以看出，電容電阻比多晶硅電阻的面積少了很多。而在集成電路設計中這是十分重要的。

    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準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。多晶硅電阻則是最簡單的。在設計中要靈活運用這三種不同的方式。