探析CMOS集成电路电阻的应用

2013-10-16 14:15

　　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-VGS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。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1000～3000Ω/□。实验证明，在VDS0.5(VGS-VT)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。

　　在设计中有时要用到交流电阻，这时其直流电流应为零。图1所示的有源电阻不能满足此条件，因为这时要求其阻值为无穷大。显然这是不可能的。这时可以利用MOS管的开关特性来实现。

　　3 电容电阻

　　交流电阻还可以采用开关和电容器来实现。经验表明，如果时钟频率足够高，开关和电容的组合就可以当作电阻来使用。其阻值取决于时钟频率和电容值。

　　在特定的条件下，按照采样系统理论，在周期内的变化可忽略不计。

　　其中，fc=1/T是信号Φ1和Φ2的频率。这种方法可以在面积很小的硅片上得到很大的电阻。例如，设电容器为多晶硅多晶硅型，时钟频率100kHz，要求实现1MΩ的电阻，求其面积。根据式(3)可知电容为10pF。假设单位面积的电容为0.2pF/mil2,则面积为50mil2。如果用多晶硅，取最大可能值100Ω，并取其最小宽度，那么需要900mil2。当然在开关电容电阻中除了电容面积外还需要两个面积极小的MOS管做开关。可以看出，电容电阻比多晶硅电阻的面积少了很多。而在集成电路设计中这是十分重要的。

　　有效的RC时间常数就与电容之比成正比，从而可以用电容和开关电容电阻准确的实现电路中要求的时间常数;而使用有源器件的电阻，可以使电阻尺寸最小。多晶硅电阻则是最简单的。在设计中要灵活运用这三种不同的方式。

<上一页 1 2