為什么要用gmId設(shè)計(jì)方法呢？什么是gmid設(shè)計(jì)方法呢？

為什么要用gmId設(shè)計(jì)方法呢？

描述MOS管性能時(shí)，可以用下面的公式進(jìn)行等效。

首先，這個(gè)公式成立是有很多前提的，比如說，管子工作在飽和區(qū)，而且忽略溝道調(diào)制效應(yīng)等等。

但其實(shí)，現(xiàn)代的MOS管模型是很復(fù)雜的，工藝越來越先進(jìn)，溝道長度越來越短，因此并不能簡單地用上述公式來表征。

而且，退一步講，即使能用上述公式來表征，也會(huì)碰到問題。

假設(shè)知道了Id,Vgs-vth，但發(fā)現(xiàn)，廠家給的工藝文件里，并沒有直接給出un和Cox的值，還是沒有辦法計(jì)算出管子的W和L值。

那怎么辦呢？

難道只能依靠軟件，不斷地試錯(cuò)么？答案當(dāng)然不是啦，可以用gmid設(shè)計(jì)方法。

這種方法，能讓我們從指標(biāo)出發(fā)，得出管子的尺寸以及相關(guān)變量，然后據(jù)此去設(shè)計(jì)放大器或者其他芯片，最后驗(yàn)證是否有達(dá)到指標(biāo)要求。

最理想的情況是，經(jīng)過一次循環(huán)，就能使得設(shè)計(jì)出來的放大器指標(biāo)與要求指標(biāo)類似。

什么是gmid設(shè)計(jì)方法呢？

gmid設(shè)計(jì)時(shí)，不是采用復(fù)雜的MOS管的等效模型公式，而是采用查表的方法，來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

通過廠家的提供的SPICE模型，繪制出MOS管的gmid曲線，然后根據(jù)這些曲線，來得到設(shè)計(jì)所需的W和L的值。

gmid包含哪些曲線呢？

（1）gm/Id以及ft與Vov的關(guān)系，其中Vov=Vgs-Vth

可以看到，當(dāng)Vov較小時(shí)，gm/Id比較大，但是特征頻率比較?。划?dāng)Vov較大時(shí)，gm/Id比較小，但是特征頻率比較大。

也就是說，如果追求的是管子的速度，就可以選擇大一點(diǎn)的Vov，但是如果追求的是低功耗高增益的話，則可以選擇小一點(diǎn)的Vov。

（2）gm/Id*ft與Vov之間的關(guān)系

可以看到，當(dāng)Vov處于中間區(qū)間的時(shí)候，gm/Id和fT的乘積處于一個(gè)峰值，且變化相對(duì)較小。所以，當(dāng)把Vov選擇在這個(gè)區(qū)間時(shí)，gm/Id和fT都處在一個(gè)折中的位置。

需要注意到的是，Vov和gm/Id兩者不是孤立的，是有等價(jià)關(guān)系的。

當(dāng)MOS管處于飽和狀態(tài)，且忽略溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，gm有如下公式：

所以

雖然當(dāng)MOS管工作在不同區(qū)域時(shí)，這個(gè)等式不是完全成立，但也是近似成立。

所以，gm/Id和Vov是兩個(gè)等效的參量，可以互為表征。

（3） fT與gm/Id之間的關(guān)系曲線

因?yàn)閃主要影響管子的電流，而對(duì)其他參數(shù)影響不大；VDS也是如此。因此將W和VDS設(shè)置為固定值。

fT與gm/Id之間的關(guān)系曲線，就是將W和VDS固定，然后掃描VGS以及溝道長度獲得的。

（4）本征增益(gmr0)與gm/Id之間的關(guān)系

本征增益與gm/Id之間的關(guān)系曲線，也是將W和VDS固定，然后掃描VGS以及溝道長度獲得的。

（5）電流密度Id/W與gm/Id之間的關(guān)系

電流密度Id/W與gm/Id之間的關(guān)系曲線，也是將W和VDS固定，然后掃描VGS以及溝道長度獲得的。

gmid設(shè)計(jì)方法的實(shí)施步驟是怎么樣的呢？

step1: 確定放大器的gm；

step2:選擇一個(gè)合適的溝道長度L，如果要求管子速度快，則選擇短的溝道長度；如果要求增益高，則選擇長一點(diǎn)的溝道長度

step3:選擇MOS管的gm/Id

(a) MOS管在電路中通常扮演兩種角色，即放大器和電流源。

在作為放大器時(shí)，gm大，對(duì)應(yīng)噪聲??；

在作為電流源時(shí)，gm小，對(duì)應(yīng)噪聲小。

所以，如果是用作電流源，則選擇小一點(diǎn)的gm/Id;如果是用作放大器，則選擇大一點(diǎn)的 gm/Id，這樣能保證噪聲最優(yōu)化。

在同一個(gè)電路中，作為電流源的MOS管的gm/Id值，會(huì)選擇的比作為放大器的MOS管 的gm/Id小。

(b)大的gm/Id，一般功耗比較低；小的gm/Id,一般輸出擺幅會(huì)比較大

step4: 由 gm/Id決定電流值

step1中已經(jīng)確定了gm, step3中確定了gm/Id,因此可以得到Id的值

step5: 由 gm/Id和Id/W的關(guān)系曲線，可以查詢到符合step4所需的Id/W的值，進(jìn)而可以計(jì)算出管子所需要的寬度。

怎么獲得相關(guān)的gmid曲線呢？

用Cadence Virtuoso獲得相關(guān)的曲線，見下圖步驟

所得的曲線為：

審核編輯：劉清