Skripta BNAO 2010

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ


Návrh analogových integrovaných obvodů
(BNAO)
Garant předmětu:
Ing. Daniel Bečvář, Ph.D.

Autoři textu:
Ing. Daniel Bečvář, Ph.D.
Ing. Jiří Stehlík
Brno 1. 10. 2006
2 FEKT Vysokého učení technického v Brně
Obsah
1 ÚVOD..................................................................................................................................8
2 ZAŘAZENÍ PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMU..........................................8
2.1 ÚVOD DO PŘEDMĚTU....................................................................................................... 8
2.2 VSTUPNÍ TEST ................................................................................................................. 8
3 MOS TRANZISTOR.......................................................................................................11
3.1 STRUKTURA A PRINCIP MOS TRANZISTORU .................................................................. 12
3.2 ANALÝZA MOS TRANZISTORU...................................................................................... 13
3.2.1 Lineární model .......................................................................................... 13
3.2.2 Kvadratický model..................................................................................... 15
3.2.3 Model s proměnnou šířkou depletiční vrstvy............................................. 18
3.3 PRAHOVÉ NAPĚTÍ MOS TRANZISTORU .......................................................................... 20
3.3.1 Prahové napětí – výpočty .......................................................................... 20
3.3.2 Předpětí substrátu („substrate bias effect“) ............................................. 22
3.4 SPICE MODEL MOSFETU ............................................................................................ 24
3.4.1 MOSFET syntaxe....................................................................................... 24
3.5 VÝROBA A TECHNOLOGIE MOS .................................................................................... 25
3.5.1 Výrobní proces .......................................................................................... 26
3.5.2 Technologie polySi hradla ........................................................................ 30
3.5.3 CMOS technologie .................................................................................... 30
3.6 PARAZITNÍ JEVY MODERNÍCH MOS TRANZISTORŮ........................................................ 31
3.6.1 Modulace délky kanálu.............................................................................. 31
3.6.2 Punch through........................................................................................... 32
3.6.3 Proud v oblasti pod prahovým napětím .................................................... 32
3.6.4 Odvození koeficientu pro oblast podprahového napětí............................. 32
3.6.5 Závislost pohyblivosti nosičů na intenzitě elektrického pole .................... 33
3.6.6 Saturace rychlosti nosičů („velocity saturation“) .................................... 33
3.6.7 Průraz oxidu.............................................................................................. 33
3.6.8 Škálování rozměrů MOS tranzistorů („Scaling“)..................................... 34
3.7 KONTROLNÍ OTÁZKY..................................................................................................... 35
4 LAYOUT – TIPY A TECHNIKY ..................................................................................36
4.1 ÚVOD ............................................................................................................................ 36
4.2 PLÁNOVÁNÍ................................................................................................................... 36
4.3 HLAVNÍ ZÁSADY TVORBY LAYOUTU.............................................................................. 38
4.4 KONTROLNÍ OTÁZKY..................................................................................................... 43
5 PASIVNÍ PRVKY............................................................................................................44
5.1 REZISTOR ...................................................................................................................... 44
5.1.1 Technologické odchylky ............................................................................ 46
5.1.2 Layout rezistorů......................................................................................... 47
5.2 KONDENZÁTORY ........................................................................................................... 50
5.2.1 Capacitor Cell........................................................................................... 50
5.3 KONTROLNÍ OTÁZKY..................................................................................................... 51
6 PROUDOVÁ ZRCADLA................................................................................................52
6.1 PROUDOVÁ ZRCADLA – ÚVOD ....................................................................................... 52
Návrh analogových integrovaných obvodů (BNAO) 3
6.2 JEDNODUCHÉ PROUDOVÉ ZRCADLO ...............................................................................53
6.2.1 Layout proudového zrcadla – tipy .............................................................54
6.2.2 Vylepšené proudové zrcadlo ......................................................................56
6.2.3 Jednoduché proudové zrcadlo–postup návrhu ..........................................56
6.3 WILSONOVO PROUDOVÉ ZRCADLO.................................................................................59
6.4 VYLEPŠENÉ WILSONOVO PROUDOVÉ ZRCADLO .............................................................60
6.5 KASKODOVÉ PROUDOVÉ ZRCADLO ................................................................................61
6.5.1 Layout modifikovaného Wilsonova PZ a kaskodového PZ........................62
6.5.2 Kaskodové proudové zrcadlo– postup návrhu...........................................63
6.6 MODIFIKOVANÉ KASKODOVÉ PZ ...................................................................................66
6.7 KONTROLNÍ OTÁZKY .....................................................................................................67
7 PROUDOVÉ REFERENCE .......................................................................................... 68
7.1 JEDNODUCHÁ PROUDOVÁ REFERENCE ...........................................................................68
7.2 SELF-BIASED PROUDOVÁ REFERENCE .............................................................................69
7.3 STARTOVACÍ OBVOD......................................................................................................70
7.4 POUŽITÍ PARAZITNÍCH BIPOLÁRNÍCH TRANZISTORŮ PRO PROUDOVÉ REFERENCE...........71
7.5 PROUDOVÁ REFERENCE VYUŽÍVAJÍCÍ V
BE
......................................................................72
7.6 PROUDOVÁ REFERENCE VYUŽÍVAJÍCÍ V
T
.......................................................................73
7.7 KONTROLNÍ OTÁZKY .....................................................................................................74
8 NAPĚŤOVÉ DĚLIČE A REFERENCE....................................................................... 76
8.1 NAPĚŤOVÝ DĚLIČ...........................................................................................................76
8.2 NAPĚŤOVÝ DĚLIČ MOS-R .............................................................................................77
8.2.1 Napěťový dělič – postup návrhu ................................................................78
9 NAPĚŤOVÉ REFERENCE ........................................................................................... 81
9.1 NAPĚŤOVÁ REFERENCE VYUŽÍVAJÍCÍ NÁSOBENÍ V
BE
.....................................................81
9.1.1 Teplotní chování ........................................................................................82
9.2 NAPĚŤOVÁ REFERENCE VYUŽÍVAJÍCÍ NÁSOBENÍ V
T
.......................................................82
9.3 NAPĚŤOVÁ REFERENCE VYUŽÍVAJÍCÍ ROZDÍLU PRAHOVÝCH NAPĚTÍ.............................83
9.4 KONTROLNÍ OTÁZKY .....................................................................................................84
10 ZESILOVACÍ STAVEBNÍ BLOKY INTEGROVANÝCH OBVODŮ..................... 85
10.1 INVERTOR S AKTIVNÍ ZÁTĚŽÍ .........................................................................................85
10.1.1 Malosignálová analýza..............................................................................86
10.1.2 Šum.............................................................................................................89
10.1.3 Návrh invertoru s aktivní zátěží.................................................................90
10.1.4 Jednoduchý MOS zesilovač –podrobný postup návrhu .............................94
10.2 DIFERENČNÍ PÁR............................................................................................................98
10.3 SLEDOVAČ („SOURCE FOLOWER“)................................................................................100
10.4 POSOUVAČ ÚROVNĚ NEZÁVISLÝ NA PRAHOVÉM NAPĚTÍ ..............................................103
10.5 VYLEPŠENÉ VÝSTUPNÍ BLOKY .....................................................................................104
10.5.1 Sledovač s lokální zpětnou vazbou...........................................................105
10.6 DVOUSTUPŇOVÝ OPERAČNÍ ZESILOVAČ.......................................................................106
10.6.1 Diferenční (rozdílové) zesílení.................................................................107
10.6.2 Souhlasné stejnosměrné zesílení (common-mode dc gain)......................108
10.6.3 Offset........................................................................................................109
10.6.4 Kmitočtová odezva a kompenzace ...........................................................112
10.6.5 OTA – postup návrhu...............................................................................117
10.7 KONTROLNÍ OTAZKY ...................................................................................................121
4 FEKT Vysokého učení technického v Brně
11 MODERNÍ BLOKY INTEGROVANÝCH OBVODŮ ..............................................122
11.1 KLASICKÉ PROUDOVÉ KONVEJORY.............................................................................. 122
11.1.1 Proudové konvejory první generace – CCI............................................. 122
11.1.2 Proudové konvejory druhé generace – CCII........................................... 123
11.1.3 Proudový konvejor třetí generace – CCIII.............................................. 124
11.1.4 Invertující proudový konvejor druhé generace ICCII............................. 125
11.2 SPECIÁLNÍ TYPY PROUDOVÝCH KONVEJORŮ ............................................................... 126
11.2.1 Proudový konvejor se dvěma výstupy...................................................... 126
11.2.2 Proudové konvejory s diferenčním vstupem............................................ 126
11.2.3 Diferenční napěťově proudové konvejory ............................................... 127
11.2.4 Dvojnásobně diferenční proudový konvejor ........................................... 128
11.3 SMĚRY VÝZKUMU PROUDOVÝCH KONVEJORŮ............................................................. 129





Návrh analogových integrovaných obvodů (BNAO) 5
Seznam obrázků
OBR. 1 ŘEZ NMOS STRUKTUROU A SCHEMATICKÁ ZNAČKA ....................................................11
OBR. 2 POHLED NA NMOS STRUKTURU – PRINCIP....................................................................12
OBR. 3 OBVODOVÝ MODEL MOS TRANZISTORU PRO OBLAST VELKÝCH SIGNÁLŮ ....................25
OBR. 4 TECHNOLOGIE POLYSI HRADLA.....................................................................................30
OBR. 5 SDÍLEJTE AKTIVNÍ DIFÚZNÍ OBLASTI MOS TRANZISTORŮ..............................................38
OBR. 6 SPRÁVNÉ KONTAKTOVÁNÍ MOS TRANZISTORU.............................................................39
OBR. 7 ŠIROKÝMOS TRANZISTOR – SPRÁVNÝ LAYOUT ............................................................41
OBR. 8 MOS TRANZISTOR – CHYBY V LAYOUTU .......................................................................42
OBR. 9 REZISTOR TVOŘENÝ DIFÚZNÍ OBLASTÍ N+.....................................................................44
OBR. 10 DVĚ REALIZACE POLYSI REZISTORU A) SE SALICIDNÍ VRSTVOU B) BEZ NÍ....................44
OBR. 11 ŘEZ STRUKTUROU POLYSI REZISTORŮ.........................................................................45
OBR. 12 ROZPTYL HODNOT R NA RŮZNÝCH ČIPECH V RÁMCI JEDNOHO WAFFERU.....................46
OBR. 13 VLIV VÝROBNÍHO PROCESU NA ODPOR PODLE ŠÍŘKY POLYGONU.................................47
OBR. 14 LAYOUT STRUKTURY REZISTORU.................................................................................47
OBR. 15 METODY MINIMALIZACE VLIVU VÝROBNÍHO PROCESU POMOCÍ LAYOUTU: A)
PROKLÁDÁNÍ PRVKŮ B) STŘEDOVĚ SYMETRICKÁ TOPOGRAFIE...........................................49
OBR. 16 LAYOUT REZISTORU S NAKONTAKTOVANÝM OCHRANNÝM PRSTENCEM......................49
OBR. 17 KAPACITOR POLYSI-POLYSI2 ......................................................................................50
OBR. 18 VYUŽITÍ STANDARTNÍ BUŇKY KAPACITORU JAKO BLOKOVACÍ KAPCITY......................51
OBR. 19 MODEL IDEÁLNÍHO PROUDOVÉHO ZRCADLA................................................................52
OBR. 20 JEDNODUCHÉ PROUDOVÉ ZRCADLO (WIDLAR).............................................................52
OBR. 21 POROVNÁNÍ STRUKTURY DVOU HRADEL A) BEZ DUMMY PRVKŮ B) S DUMMY PRVKY....55
OBR. 22 SPRÁVNÝ LAYOUT JEDNODUCHÉHO PROUDOVÉHO ZRCADLA ......................................55
OBR. 23 POROVNÁNÍ VÝSTUPNÍCH CHARAKTERISTIK MOS TRANZISTORŮ S KRÁTKÝM A
DLOUHÝM KANÁLEM .........................................................................................................56
OBR. 24 JEDNODUCHÉ PROUDOVÉ ZRCADLO – PŘÍKLAD ŘEŠENÍ................................................56
OBR. 25 WILSONOVO PROUDOVÉ ZRCADLO ..............................................................................59
OBR. 26 MALOSIGNÁLOVÉ NÁHRADNÍ ZAPOJENÍ.......................................................................59
OBR. 27 VYLEPŠENÉ WILSONOVO PROUDOVÉ ZRCADLO...........................................................60
OBR. 28 KASKODOVÉ PROUDOVÉ ZRCADLO ..............................................................................61
OBR. 29 LAYOUT A) MODIFIKOVANÉHO WILSONOVA ZRCADLA, B) KASKODOVÉHO
PROUDOVÉHO ZRCADLA A C) COMMON-CENTROID LAYOUT KASKODOVÉHO PROUDOVÉHO
ZRCADLA 62
OBR. 30 KASKODOVÉ PROUDOVÉ ZRCADLO – PŘÍKLAD ŘEŠENÍ.................................................63
OBR. 31 MODIFIKOVANÉ KASKODOVÉ PZ.................................................................................67
OBR. 32 KOMPLETNÍ SCHÉMA UPRAVENÉHO KASKODOVÉHO PROUDOVÉHO ZRCADLA..............67
OBR. 33 JEDNODUCHÁ PROUDOVÁ REFERENCE .........................................................................68
OBR. 34 SELF-BIASED PROUDOVÁ REFERENCE ..........................................................................69
OBR. 35 GRAFICKÉ ŘEŠENÍ ROVNIC ( 6.3 ) A ( 6.4 )....................................................................70
OBR. 36 STARTOVACÍ OBVOD A) STATICKÝ B) DYNAMICKÝ......................................................71
OBR. 37 PROUDOVÁ REFERENCE VYUŽÍVAJÍCÍ V
BE
...................................................................72
OBR. 38 PROUDOVÁ REFERENCE VYUŽÍVAJÍCÍ V
T
.....................................................................73
OBR. 39 TYPICKÝ LAYOUT TRANZISTORŮ Q1 A Q2 PRO V
T
BASES CURRENT REFERENCE .........74
OBR. 40 NAPĚŤOVÉ DĚLIČE VYUŽÍVAJÍCÍ MOS TRANZISTORŮ..................................................76
OBR. 41 NAPĚŤOVÁ REFERENCE ZALOŽENÁ NA ZAPOJENÍ TRANZISTORU V DIODOVÉM
USPOŘÁDÁNÍ......................................................................................................................78
OBR. 42 DĚLIČE NAPĚTÍ – PŘÍKLAD ŘEŠENÍ...............................................................................78
OBR. 43 NAPĚŤOVÁ REFERENCE VYUŽÍVAJÍCÍ NÁSOBENÍ V
BE
...................................................82
6 FEKT Vysokého učení technického v Brně
OBR. 44 NAPĚŤOVÁ REFERENCE ODVOZENÁ OD TEPLOTNÍHO NAPĚTÍ....................................... 82
OBR. 45 NAPĚŤOVÁ REFERENCE ODVOZENÁ Z ROZDÍLU MEZI PRAHOVÝMI NAPĚTÍMI............... 83
OBR. 46 CMOS IMPLEMENTACE INVERTORU S AKTIVNÍ ZÁTĚŽÍ A) NMOS B) PMOS VSTUPNÍ
TRANZISTOR...................................................................................................................... 85
OBR. 47 PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKY INVERTORU S AKTIVNÍ ZÁTĚŽÍ ..................................... 86
OBR. 48 NÁHRADNÍ MALOSIGNÁLOVÉ SCHÉMA INVERTORU S AKTIVNÍ ZÁTĚŽÍ......................... 87
OBR. 49 ZÁVISLOST STEJNOSMĚRNÉHO ZESÍLENÍ (DC) NA VELIKOSTI PRACOVNÍHO PROUDU .... 87
OBR. 50 SCHÉMA INVERTORU S AKTIVNÍ ZÁTĚŽÍ PRO ŠUMOVOU ANALÝZU............................... 89
OBR. 51 DIFERENČNÍ PÁR Z MOS TRANZISTORŮ ...................................................................... 99
OBR. 52 ZJEDNODUŠENÝ MODEL DIFERENČNÍHO PÁRU ........................................................... 100
OBR. 53 NAPĚŤOVÝ SLEDOVAČ............................................................................................... 101
OBR. 54 NAPĚŤOVÝ POSOUVAČ NEZÁVISLÝ NA PRAHOVÉM NAPĚTÍ........................................ 103
OBR. 55 NÁHRADNÍ OBVOD PRO ANALÝZU NELINEÁRNÍHO CHOVÁNÍ VÝSTUPNÍ ČÁSTI ........... 105
OBR. 56 NAPĚŤOVÝ SLEDOVAČ S LOKÁLNÍ ZPĚTNOU VAZBOU................................................ 105
OBR. 57 MALOSIGNÁLOVÝ MODEL NAPĚŤOVÉHO SLEDOVAČE S LOKÁLNÍ ZPĚTNOU VAZBOU. 106
OBR. 58 ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ DVOUSTUPŇOVÉHO OTA (VSTUPNÍ TRANZISTORY TYPU P)...... 107
OBR. 59 SCHÉMA PRO ODVOZENÍ POTLAČENÍ STEJNOSMĚRNÉHO SIGNÁLU ............................. 109
OBR. 60 ZDROJE OFFSETU VE DVOUSTUPŇOVÉM ZESILOVAČI ................................................. 111
OBR. 61 NESHODA TRANZISTORŮ M3 A M4 ZPŮSOBUJE NÁHODNÝ OFFSET ............................ 111
OBR. 62 MALOSIGNÁLOVÝ NÁHRADNÍ OBVOD DVOUSTUPŇOVÉHO OTA................................ 112
OBR. 63 VYUŽITÍ NAPĚŤOVÉHO SLEDOVAČE PRO ZRUŠENÍ NULY Z PRAVÉ ČÁSTI KOMPLEXNÍ
ROVINY 114
OBR. 64 ELIMINACE NULY POMOCÍ A) NAPĚŤOVÉHO SLEDOVAČE B) ZPĚTNOVAZEBNÍ IMPEDANCE
115
OBR. 65 MALOSIGNÁLOVÉ NÁHRADNÍ SCHÉMA OBVODU VYUŽÍVAJÍCÍ NULOVÁNÍ NULY .......... 116
OBR. 66 REALIZACE NULOVACÍHO REZISTORU POMOCÍ KOMPLEMENTÁRNÍCH TRANZISTORŮ. 116
OBR. 67 SCHÉMA OTA........................................................................................................... 117
OBR. 68 NULOROVÝ MODEL KONVEJORU CCI A JEHO BLOKOVÝ DIAGRAM ............................ 123
OBR. 69 JEDNODUCHÁ IMPLEMENTACE KONVEJORU CCI+ V TECHNOLOGII CMOS ............... 123
OBR. 70 KONVEJOR CCII VYCHÁZEJÍCÍ Z KLASICKÉHO NAPĚŤOVÉHO OPERAČNÍHO ZESILOVAČE
124
OBR. 71 NULOROVÝ MODEL KONVEJORU CCII A JEHO JEDNODUCHÁ IMPLEMENTACE V
TECHNOLOGII CMOS ...................................................................................................... 124
OBR. 72 NULOROVÝ MODEL KONVEJORU CCIII A JEDNODUCHÁ IMPLEMENTACE POMOCÍ DVOU
KONVEJORŮ CCII............................................................................................................ 125
OBR. 73 NULOROVÝ MODEL INVERTUJÍCÍHO KONVEJORU ICCI A IMPLEMENTACE RODINY
TĚCHTO KONVEJORŮ ICC S POUŽITÍM KONVE