CMOS模拟集成电路设总复习
MOS器件原理
器件结构
栅极(Gate）
SGD
金属
( Metal ) Al层
N+
N+
P--Si
氧化物 (Oxide) SiO2层
P型Si衬底 (Semiconductor)
MOSFET的工作原理—导通过程
VGS > 0时, 在栅极 下面的二氧化硅中将产 生一个指向P型衬底、且 垂直衬底表面的电场。 电场排斥空穴，吸引电 子到半导体表面。
器件导通以后，此时在漏源之间加上电压VDS便会产生漏 极电流 ID , 随着VDS的增加ID增加。
由于沟道存在电位梯度,栅极
靠近源极的电位为VGS ,而栅极靠近 漏极的电位则为VGD＝VGS－VDS，靠 近漏极的电场较弱，使沟道形状成
VDS
S
G
VGS
N+
ID
D
N+
楔形。当VDS＝VGS－VT 时，导电沟
VG
SS
G
D 反型层
沟道)，将源区和漏区连接 起来。VGS越大,反型层越 宽, 源漏间的导电能力越
N+N+EP--Si强。
将开始形成反型层所需的VGS 值称为开启电压VT , 也称为阈值电压。
开启电压VT是增强型MOSFET的重要参数，其大 小主要取决于SiO2层的厚度以及衬底掺杂浓度。
MOSFET的工作原理—饱和过程
P--Si
道被夹断。沟道夹断后，源漏之间
等效为一个很大的电阻，电流不会
随着VDS增加，达到饱和。
MOSFET的工作原理—输入、输出特性曲线
ID VDS=10V
VGS(V) 0 VT
VGS =VT
输入特性曲线
ID(mA)
VGS =8V 7V
6V
5V
4V
VGS =VT
0 5 10 15 20
VDS(V)
Vb VG1SVT
2IREF K'(W/L)2
VT
VT
121001.106104301.4
1.61V
获得稳定的输出
电流要求所有管 1.1V 1Vb1.6V 1
子饱和，则此时
知识点
1.MOS器件原理 2.电流镜 3.带隙基准 4.反相器（三种类型） 5.差分放大器 6.共源共栅放大器 7.输出放大器 8.运算放大器
知识点
1.MOS器件原理 2.电流镜 3.带隙基准 4.反相器（三种类型） 5.差分放大器 6.共源共栅放大器 7.输出放大器 8.运算放大器
反相器
高增益放大电路的结构
差分输入级
共源共栅放大级
反相器是所有放大器中最基本的电路
输出级
1.有源负载反相器
2.电流源负载反相器 3.CMOS反相器
2.从管子处于饱和区的条件出发，端口导出电压满足的关系
电流镜
例.下图所示电路中，假设M1和M2的宽长比为40/1, M3和M4的宽长 比为120/1,，IREF=0.1mA,试确定VX的值和Vb的允许范围（忽略衬偏 效应）。
解：VX VG1S
2IREF K'(W/L)1
VT
121 00 1.1 061 0 43 00.70.9V 1
带隙基准源
带隙基准源基本不受电源和温度的影响
三极管的基极发射极 电压VBE是负温度系数。
VTBE30K02.2mV /C
两个三极管工作在不 同的电流密度下，其 基极发射极电压的差 值 VBE 是正温度系数。
VBEkqTlnnVTlnn(n为两三极管电)流比值
带隙基准源电路结构
V ou tV B2E (R 2R 3)I
M1饱和：VD1SVG1SVT VbVG2SVG1SVT
VbVG1SVG2SVT
2IREF K'(W/L)2
2IREF K'(W/L)1
VT
12 1 0 1 .1 0 0 6 1 4 0 3 0 0.712 1 0 1 .1 0 0 6 1 4 0 3 0
1.11V
例题
M2饱和： VD2SVG2SVT V G 1 S(V b V G 2)S V G 2 SV T
有源负载反相器
有源负载反相器
L
COX
OX
tOX
K ': 跨导参数
K'COX0
MOS管的大信号模型
饱和区电流（以NMOS为例）： iDK'2W L(vGSVT)2
线性区电流（以NMOS为例）： iDK'W L[v(G SV T)(v2 D)Sv]DS
PMOS的饱和区和线性区电流表达式？
小信号模型
MOS管的小信号模型
输出电阻 增益
ro
1 ID
Av gmro
跨导
gm
2K'
W L
ID
知识点
1.MOS器件原理 2.电流镜 3.带隙基准 4.反相器（三种类型） 5.差分放大器 6.共源共栅放大器 7.输出放大器 8.运算放大器
电流镜
1.电流的比值等于管子的宽长比的比值（忽略沟道长度调制效应）
iO W 2 L1 iI W1L2
VDS =VGS -VT
输出特性曲线
MOS管的大信号模型
MOS管的电流电压关系（以NMOS为例）：
iD0 C L OW X[v ( G S V T)vD S1 2vD2]S
0 : 器件表面迁移率[载流子（电子和空穴）在单位电场作用下
的平均漂移速度，是载流子在电场作用下运动速度的快慢
的量度]（cm2/Vs） C OX : 单位面积栅氧化物电容（F/cm2） W : 器件的宽长比
VB1 EVB2 ER3I
I VBEVTln(n)
R3
R3
Vou t VB2 EVTlnn()1(R R3 2)
带隙基准源
例.首先推导下图所示电路输出基准电压Vout的表达式，接下来 确定n和(W/L)5使得基准电压在室温下具有零温度系数,已知M1~M 4的宽长比均相等，R2/R1=2，ID1=ID2=50uA，且Q3和Q1相同。
解：假设(W/L)5=m(W/L)1
Vou tm2IR D 1VE3 B
VE1 BR 1ID 1VE2 B
I VT ln(n) R1
Vout mR12RVTlnn()VEB 3
Vou t 2lnn()kVEB 3 2 m ln ) 8 (.6 1 7 20 2 .2 0
T
q T
只要满足右式的所有m，n均可 mlnn()1.27
VGS
S
G
D 反型层
N+
N+
E
P--Si
VGS越大吸引到半导体表面的电子就越多，当VGS >VT时， 吸引到栅极附近P型硅表面的电子积累形成N型反型薄层。器 件表面的导电类型从原来的P型反型到现在的N型，导电沟道 形成。
MOSFET的工作原理—导通过程
继续增大VGS可使形 成的反型层增宽(N型导电