精品文檔-下載后可編輯CMOS集成電路設(shè)計中如何在物理層上實現(xiàn)電阻的設(shè)計-設(shè)計應(yīng)用在集成電路的設(shè)計中，電阻器不是主要的器件，卻是必不可少的。如果設(shè)計不當(dāng)，會對整個電路有很大的影響，并且會使芯片的面積很大，從而增加成本。

目前，在設(shè)計中使用的主要有3種電阻器：多晶硅、MOS管以及電容電阻。在設(shè)計中，要根據(jù)需要靈活運用這3種電阻，使芯片的設(shè)計達到。

1、多晶硅電阻

集成電路中的單片電阻器距離理想電阻都比較遠，在標(biāo)準(zhǔn)的MOS工藝中，理想的無源電阻器是多晶硅條。一個均勻的平板電阻可以表示為：

式中：ρ為電阻率；t為薄板厚度；R□=（ρ/t）？為薄層電阻率，單位為Ω/□；L/W為長寬比。由于常用的薄層電阻很小，通常多晶硅的電阻率為100Ω/□，而設(shè)計規(guī)則又確定了多晶硅條寬度的值，因此高值的電阻需要很大的尺寸，由于芯片面積的限制，實際上是很難實現(xiàn)的。當(dāng)然也可以用擴散條來做薄層電阻，但是由于工藝的不穩(wěn)定性，通常很容易受溫度和電壓的影響，很難控制其數(shù)值。寄生效果也十分明顯。

無論多晶硅還是擴散層，他們的電阻的變化范圍都很大，與注入材料中的雜質(zhì)濃度有關(guān)。不容易計算準(zhǔn)確值。由于上述原因，在集成電路中經(jīng)常使用有源電阻器。

CMOS集成電路設(shè)計中如何在物理層上實現(xiàn)電阻的設(shè)計

2、MOS管電阻

MOS管為三端器件，適當(dāng)連接這三個端，MOS管就變成兩端的有源電阻。這種電阻器主要原理是利用晶體管在一定偏置下的等效電阻?？梢源娑嗑Ч杌驍U散電阻，以提供直流電壓降，或在小范圍內(nèi)呈線性的小信號交流電阻。在大多數(shù)的情況下，獲得小信號電阻所需要的面積比直線性重要得多。一個MOS器件就是一個模擬電阻，與等價的多晶硅或跨三電阻相比，其尺寸要小得多。

簡單地把n溝道或p溝道增強性MOS管的柵極接到漏極上就得到了類似MOS晶體管的有源電阻。對于n溝道器件，應(yīng)該盡可能地把源極接到負(fù)的電源電壓上，這樣可以消除襯底的影響。同樣p溝道器件源極應(yīng)該接到正的電源電壓上。此時，VGS=VDS，如圖1（a），（b）所示。

圖1（a）的MOS晶體管偏置在線性區(qū)工作，圖2所示為有源電阻跨導(dǎo)曲線ID-VGS的大信號特性。這一曲線對n溝道、p溝道增強型器件都適用?？梢钥闯觯娮铻榉蔷€性的。但是在實際中，由于信號擺動的幅度很小，所以實際上這種電阻可以很好地工作。根據(jù)公式

其中：K′=μ0C0X?？梢钥闯?，如果VDS《（VGS-VT），則ID與VDS之間關(guān)系為直線性（假定VGS與VDS無關(guān)，由此產(chǎn)生一個等效電阻R=KL/W，K=1/［μ0C0X（VGS-VT）］，μ0為載流子的表面遷移率，C0X為柵溝電容密度；K值通常在1000～3000Ω/□。實驗證明，在VDS《0.5（VGS-VT）時，近似情況是十分良好的。

圖1（c），（d）雖然可以改進電阻率的線性，但是犧牲了面積增加了復(fù)雜度。

用有源電阻得到大的直流電壓需要大的電流，或者遠小于1的W/L比值。可以采用級連的方法克服這一問題即將每的G，D與上的S相連。這樣可以使W/L接近于1且使用較小的直流電流。

在設(shè)計中有時要用到交流電阻，這時其直流電流應(yīng)為零。圖1所示的有源電阻不能滿足此條件，因為這時要求其阻值為無窮大。顯然這是不可能的。這時可以利用MOS管的開關(guān)特性來實現(xiàn)，如圖3（a）所示。MOS開關(guān)的特性近似為直線，沒有直流失調(diào)。這時通過控制柵源之間的電壓值就可以得到ΔV為1V的線性交流電阻。

為了盡可能夸大線性區(qū)并抵消體效應(yīng)，電阻往往以差動方式成對出現(xiàn)，如圖3（b）所示的一對差動結(jié)構(gòu)的交流電阻。注意，加到電阻器左邊的是差動信號（V1）；右邊則處于相同電位。

3、電容電阻

交流電阻還可以采用開關(guān)和電容器來實現(xiàn)。經(jīng)驗表明，如果時鐘頻率足夠高，開關(guān)和電容的組合就可以當(dāng)作電阻來使用。其阻值取決于時鐘頻率和電容值。

圖4是一種電阻模擬方法，稱為“并聯(lián)開關(guān)電容結(jié)構(gòu)”。在特定的條件下，按照采樣系統(tǒng)理論，可以近似為圖4（b）所示的電阻。其中V1和V2為兩個獨立的直流電壓源，其按照足夠高的速率采樣，在周期內(nèi)的變化可忽略不計。通過計算可得：

其中，fc=1/T是信號Φ1和Φ2的頻率。

這種方法可以在面積很小的硅片上得到很大的電阻。例如，設(shè)電容器為多晶硅多晶硅型，時鐘頻率100kHz，要求實現(xiàn)1MΩ的電阻，求其面積。根據(jù)式（3）可知電容為10pF。假設(shè)單位面積的電容為0.2pF/mil2，則面積為50mil2。如果用多晶硅，取可能值100Ω，并取其寬度，那么需要900mil2。當(dāng)然在開關(guān)電容電阻中除了電容面積外還需要兩個面積極小的MOS管做開關(guān)?？梢钥闯?，電容電阻比多晶硅電阻的面積少了很多。而在集成電路設(shè)計中這是十分重要的，雖然增加了2個MOS管，但與所減少的面積相比是可忽略的。實際上所節(jié)省的面積遠不止此，因為多晶硅條的電阻率很難達到100Ω/□。當(dāng)然，利用電容實現(xiàn)電阻還有其他的方法，在此不再贅述。

4、結(jié)語

本文集中討論了怎樣在物理層上實現(xiàn)電阻。實際上，MOS工藝在這方面提供了不少方便。這些電阻器可以與其他的元器件一起使用。使用開關(guān)和電容模擬電阻，可以減輕漏極電流受漏—源電壓的影響。對于電容電阻器，由