CMOS集成电路设计中电阻设计方法的研究
发布时间:2007/8/28 0:00:00 访问次数:462
杭州电子科技大学CAD研究所 王传杰，王凯，马骏
摘 要：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，论述了他们各自的优点、缺点及其不同的作用；介绍了他们各自的计算方法并给出了MOS管电阻与电容电阻的实现方法。并对实例进行了详细的分析，比较了不同电阻在面积上的不同。能更好地了解不同电阻在不同情况下的使用。对MOS管实现交流电阻中出现的体效应给出了解决方法。
关键词：集成电路；电阻；开关电容；CMOS
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。
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 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。一个均匀的平板电阻可以表示为：
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100 Ω/□，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-VG S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可以很好地工作。根据公式
其中：K′=μ0C0X。可以看出，如果VDS<(VGS-VT)，则ID与VDS之间关系为直线性（假定VGS与VDS无关，由此产生一个等效电阻R=KL/W，K=1/［μ0C0X（VGS-VT）］，μ0为载流子的表面迁移率，C0X为栅沟电容密度；K值通常在1 000～3 00 0Ω/□。实验证明，在VDS<0.5（VGS-V T）时，近似情况是十分良好的。
图1（c)，(d)虽然可以改进电阻率的线性，但是牺牲了面积增加了复杂度。
杭州电子科技大学CAD研究所 王传杰，王凯，马骏
摘 要：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，论述了他们各自的优点、缺点及其不同的作用；介绍了他们各自的计算方法并给出了MOS管电阻与电容电阻的实现方法。并对实例进行了详细的分析，比较了不同电阻在面积上的不同。能更好地了解不同电阻在不同情况下的使用。对MOS管实现交流电阻中出现的体效应给出了解决方法。
关键词：集成电路；电阻；开关电容；CMOS
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。
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 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。一个均匀的平板电阻可以表示为：
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100 Ω/□，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-VG S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可以很好地工作。根据公式
其中：K′=μ0C0X。可以看出，如果VDS<(VGS-VT)，则ID与VDS之间关系为直线性（假定VGS与VDS无关，由此产生一个等效电阻R=KL/W，K=1/［μ0C0X（VGS-VT）］，μ0为载流子的表面迁移率，C0X为栅沟电容密度；K值通常在1 000～3 00 0Ω/□。实验证明，在VDS<0.5（VGS-V T）时，近似情况是十分良好的。
图1（c)，(d)虽然可以改进电阻率的线性，但是牺牲了面积增加了复杂度。
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