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CMOS集成电路电阻的使用剖析

本站为您提供的CMOS集成电路电阻的应用分析,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。

  现在,在规划中运用的首要有3种电阻器:多晶硅、MOS管以及电容电阻。在规划中,要依据需求灵活运用这3种电阻,使芯片的规划到达最优。

  1 CMOS集成电路的性能及特色

  1.1 功耗低CMOS集成电路选用场效应管,且都是互补结构,作业时两个串联的场效应管总是处于一个管导通,另一个管截止的状况,电路静态功耗理论上为零。实践上,由于存在漏电流,CMOS电路尚有微量静态功耗。单个门电路的功耗典型值仅为20mW,动态功耗(在1MHz作业频率时)也仅为几mW。

  1.2 作业电压规模宽CMOS集成电路供电简略,供电电源体积小,基本上不需稳压。国产CC4000系列的集成电路,可在3~18V电压下正常作业。

  1.3 逻辑摆幅大CMOS集成电路的逻辑高电平“1”、逻辑低电平“0”别离接近于电源高电位VDD及电影低电位VSS。当VDD=15V,VSS=0V时,输出逻辑摆幅近似15V。因而,CMOS集成电路的电压电压运用系数在各类集成电路中目标是较高的。

  1.4 抗干扰才能强CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%,确保值为电源电压的30%。跟着电源电压的添加,噪声容限电压的肯定值将成份额添加。关于VDD=15V的供电电压(当VSS=0V时),电路将有7V左右的噪声容限。

  1.5 输入阻抗高CMOS集成电路的输入端一般都是由维护二极管和串联电阻构成的维护网络,故比一般场效应管的输入电阻稍小,但在正常作业电压规模内,这些维护二极管均处于反向偏置状况,直流输入阻抗取决于这些二极管的走漏电流,一般状况下,等效输入阻抗高达103~1011Ω,因而CMOS集成电路几乎不耗费驱动电路的功率。

  1.6 温度安稳性能好由于CMOS集成电路的功耗很低,内部发热量少,并且,CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性,在温度环境发生改变时,某些参数能起到主动补偿作用,因而CMOS集成电路的温度特性非常好。一般陶瓷金属封装的电路,作业温度为-55~+125℃;塑料封装的电路作业温度规模为 -45~+85℃。

  1.7 扇出才能强扇出才能是用电路输出端所能带动的输入端数来标明的。由于CMOS集成电路的输入阻抗极高,因而电路的输出才能受输入电容的约束,可是,当CMOS集成电路用来驱动同类型,如不考虑速度,一般能够驱动50个以上的输入端。

  2 CMOS集成电路电阻的运用

  2.1 多晶硅电阻集成电路中的单片电阻器间隔抱负电阻都比较远,在规范的MOS工艺中,最抱负的无源电阻器是多晶硅条。

  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,一般多晶硅最大的电阻率为 100Ω/□,而规划规则又确认了多晶硅条宽度的最小值,因而高值的电阻需求很大的尺度,由于芯片面积的约束,实践上是很难完成的。当然也能够用分散条来做薄层电阻,可是由于工艺的不安稳性,一般很简略受温度和电压的影响,很难精确操控其肯定数值。寄生作用也非常显着。不管多晶硅仍是分散层,他们的电阻的改变规模都很大,与注入材猜中的杂质浓度有关。不简略核算精确值。由于上述原因,在集成电路中常常运用有源电阻器。

  2 MOS管电阻

  MOS管为三端器材,恰当衔接这三个端,MOS管就变成两头的有源电阻。这种电阻器首要原理是运用晶体管在必定偏置下的等效电阻。能够替代多晶硅或分散电阻,以供给直流电压降,或在小规模内呈线性的小信号沟通电阻。在大多数的状况下,取得小信号电阻所需求的面积比直线性重要得多。一个MOS器材便是一个模仿电阻,与等价的多晶硅或跨三电阻比较,其尺度要小得多。简略地把n沟道或p沟道增强性MOS管的栅极接到漏极上就得到了相似MOS晶体管的有源电阻。关于n沟道器材,应该尽或许地把源极接到最负的电源电压上,这样能够消除衬底的影响。相同p沟道器材源极应该接到最正的电源电压上。此刻,VGS=VDS,如图1(a),(b)所示。图1(a)的MOS晶体管偏置在线性区作业,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沟道增强型器材都适用。能够看出,电阻为非线性的。可是在实践中,由于信号摇摆的起伏很小,所以实践上这种电阻能够很好地作业。其间:K ′=μ0C0X。能够看出,假如VDS(VGS-VT),则ID与VDS之间关系为直线性(假定VGS与VDS无关,由此发生一个等效电阻 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值一般在1000~3000Ω/□。试验证明,在VDS0.5(VGS-VT)时,近似状况是非常杰出的。图1(c),(d)尽管能够改善电阻率的线性,可是献身了面积添加了复杂度。

  在规划中有时要用到沟通电阻,这时其直流电流应为零。图1所示的有源电阻不能满意此条件,由于这时要求其阻值为无穷大。明显这是不或许的。这时能够运用MOS管的开关特性来完成。

  3 电容电阻

  沟通电阻还能够选用开关和电容器来完成。经历标明,假如时钟频率足够高,开关和电容的组合就能够当作电阻来运用。其阻值取决于时钟频率和电容值。

  在特定的条件下,依照采样系统理论,在周期内的改变可忽略不计。

  其间,fc=1/T是信号Φ1和Φ2的频率。这种办法能够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,要求完成1MΩ的电阻,求其面积。依据式(3)可知电容为10pF。假定单位面积的电容为0.2pF/mil2,则面积为50mil2。假如用多晶硅,取最大或许值100Ω,并取其最小宽度,那么需求900mil2。当然在开关电容电阻中除了电容面积外还需求两个面积极小的MOS管做开关。能够看出,电容电阻比多晶硅电阻的面积少了许多。而在集成电路规划中这是非常重要的。

  有用的RC时间常数就与电容之比成正比,然后能够用电容和开关电容电阻精确的完成电路中要求的时间常数;而运用有源器材的电阻,能够使电阻尺度最小。多晶硅电阻则是最简略的。在规划中要灵活运用这三种不同的方法。

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