CMOS源電阻及其對(duì)源極跟隨器增益的影響

CMOS源極跟隨器不是容易設(shè)計(jì)的電路，但通過(guò)仔細(xì)分析并在BSIM模型中考慮源電阻，設(shè)計(jì)人員可以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，從而在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)更好的匹配。

介紹

CMOS源跟隨器很難使用CMOS器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)榕c雙極結(jié)型晶體管（BJT）相比，CMOS器件的跨導(dǎo)較低。因此，非常規(guī)跟隨器必須設(shè)計(jì)為提供接近1的增益。相比之下，簡(jiǎn)單共漏極跟隨器的增益遠(yuǎn)小于1。然而，經(jīng)過(guò)分析，您可以看到，不僅跨導(dǎo)會(huì)影響放大器的增益，隨著半導(dǎo)體工藝的縮小和器件的縮小，源電阻（RS）也會(huì)導(dǎo)致增益減少。

增益測(cè)量

圖1所示電路為一個(gè)簡(jiǎn)單的共漏放大器，用于測(cè)量增益。

圖1.用于增益測(cè)量的測(cè)試電路。

圖2所示為可從圖1電路得出的小信號(hào)模型。

圖2.圖1電路的小信號(hào)模型。

從圖2可以看出，簡(jiǎn)單共漏極跟隨器的增益（G）為：

其中 gL是負(fù)載的跨阻（RL）， gDS是漏源電阻的跨阻（RDS） 和 gm是CMOS跨導(dǎo)。

使用臺(tái)積電0.18μm工藝和寬度為1μm、長(zhǎng)度為1.5μm的CMOS器件（圖0 nFET，M18），在100kHz下獲得10mV AC波形的預(yù)期增益和測(cè)量增益（見(jiàn)表1）。

表 1.簡(jiǎn)單共漏極跟隨器的測(cè)量增益

表1結(jié)果顯示，增益存在額外的損耗，這是由RS.

計(jì)算源電阻（RS)

圖3顯示了為圖2小信號(hào)模型計(jì)算直流解決方案后得出的電路。

圖3.簡(jiǎn)單共漏極跟隨器的直流模型。

可以使用圖 3 模型從仿真中提取以下參數(shù)：

IDC：測(cè)量的直流電流
VS：電源電壓
VIN：10kHz 時(shí)的交流輸入電壓 （100mV）
VDD：電源電壓
RDS：漏源電阻
從這些中，您可以使用以下方法計(jì)算內(nèi)在gm'：

其中 IDC' 只是：

和：

假設(shè)：

和：

其中β是晶體管的直流增益，UO是表面遷移率，C牛是單位面積的柵極氧化物電容，W是晶體管柵極寬度，L是晶體管柵極長(zhǎng)度。

注：內(nèi)在的gm' 只能使用測(cè)量的直流電流進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)?V一般事務(wù)人員' 沒(méi)有 R 就無(wú)法測(cè)量S.

使用圖2小信號(hào)模型，可以推導(dǎo)出以下測(cè)量增益公式。這個(gè)方程考慮了g的影響m' 由 RDS，如前所述。

測(cè)量源電阻（RS)

R型S表2中的結(jié)果是使用用于增益測(cè)量的相同晶體管獲得的（寬度= 5μm，長(zhǎng)度= 0.18μm，100kHz時(shí)輸入交流波形為10mV）。

表 2.測(cè)量簡(jiǎn)單共漏極跟隨器的源極電阻

結(jié)論

從本文顯示的結(jié)果可以看出，RS是一個(gè)有效的關(guān)注點(diǎn)，并且對(duì)源追隨者的收益有重大影響。結(jié)果顯示 R 值的分布為 5%S，這可能是由于對(duì) R 值的估計(jì)DS模擬時(shí)。還值得一提的是，R的值S影響計(jì)算的跨導(dǎo)值——這是因?yàn)榭鐚?dǎo)目前是使用測(cè)量的 V 計(jì)算的一般事務(wù)人員值，包括 R 兩端的壓降S這被假定在價(jià)值上可以忽略不計(jì)。但是，因?yàn)镽S是真實(shí)的，并且源極電阻兩端存在有效的壓降，晶體管的V一般事務(wù)人員有效降低，進(jìn)而降低CMOS器件的跨導(dǎo)性。

使用寬度為5μm至10μm的晶體管，人們會(huì)期望RS減少一半。然而，事實(shí)并非如此，由此產(chǎn)生的測(cè)量結(jié)果突出表明電阻值相似。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步調(diào)查，發(fā)現(xiàn)所使用的設(shè)計(jì)套件基于最小源面積進(jìn)行計(jì)算。無(wú)需在晶體管模型中添加 BSIM 參數(shù)，RS在大多數(shù)情況下，計(jì)算和模擬不準(zhǔn)確。這意味著在計(jì)算晶體管跨導(dǎo)等測(cè)量值時(shí)，真實(shí)硅和仿真之間始終存在不匹配。RF設(shè)計(jì)（如MAX2645低噪聲放大器）已經(jīng)考慮到了這一點(diǎn)，其中匹配對(duì)于防止插入和電壓波反射引起的損耗至關(guān)重要。在使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)套件的基帶設(shè)計(jì)中，這個(gè)問(wèn)題可能會(huì)被忽視。

審核編輯：郭婷