柵陰影存在時的結(jié)構(gòu)圖 - 差分放大器的不匹配效應(yīng)及其消除

圖7(a)給出考慮有柵陰影存在時的結(jié)構(gòu)圖，在圖中，如果陰影區(qū)出現(xiàn)在源區(qū)(或漏區(qū))，那么這兩個器件不會因陰影導(dǎo)致不對稱。在圖中，即使標(biāo)出了這兩個管子在陰影區(qū)的源(或漏)極，這兩個MOS管也不一樣，這是因為M1管源區(qū)的右邊是M2管，而M2管源區(qū)的右邊是場氧。同樣，M1和M2左邊的結(jié)構(gòu)也不一樣。就是說在制造過程中，M1和M2周圍的工藝步驟不一致。因此圖8所示的結(jié)構(gòu)更好。

　　圖8所示結(jié)構(gòu)固有的不對稱性可以通過在晶體管兩邊加兩個虛擬MOS管的方法加以改進，因為這可以使M1和M2管周圍的環(huán)境幾乎相同，如圖9所示。

　　

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　　同時，在對稱軸的兩邊保持相同環(huán)境也很重要。例如，在版圖中，只有一個MOS管旁邊有一條無關(guān)的金屬線通過，這會降低對稱性，增大M1和M2之間的失配。在這種情況下，也可以在另一邊放置一條相同的金屬線(見圖10)，最好的辦法就是去掉引起不對稱的金屬線。

　　

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　　對于大的晶體管，對稱性就變得更困難了。例如，在圖11所示的差分對中，為使輸人失調(diào)電壓較小，這兩個晶體管的寬度都比較大，但沿x軸方向的梯度會引起明顯的失配。為了減小失配，可以采用“共中心”的布局方法。這樣沿x軸和y軸方向的一階梯度效應(yīng)就會互相抵消。如圖12所示，這種布局把M1和M2都分成兩個寬度為原來50%的晶體管，沿對角放置且并聯(lián)連接。然而，在版圖上布線很困難，經(jīng)常會導(dǎo)致如圖13所示的系統(tǒng)不對稱，或者線對地電容及線間電容的不同而引起整體不對稱。對于規(guī)模大一點的電路，如運放，則引走線可能過于復(fù)雜而無法實現(xiàn)。

　　

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　　線性梯度效應(yīng)，也可像圖12所示，通過“一維”交叉耦合的辦法得到抑制。這里，所有四個寬度為50%的晶體管一字排開，M1和M2可由相鄰兩個晶體管與相距最遠的兩個晶體管分別相連構(gòu)成，也可由兩組相間隔的晶體管分別相連構(gòu)成。

　　為分析該結(jié)構(gòu)中的梯度效應(yīng)，假設(shè)每兩個相鄰的半寬晶體管之間的柵氧電容變化為△Cox。將M1a和M4a并聯(lián)，得到：

　　

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　　因此，這種類型的交叉耦合抵消了梯度效應(yīng)的影響。若用圖13所示的組合可得：

　　

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　　式(4)和式(5)顯示，圖13所示的方法消除誤差的能力較差。

　　4 結(jié) 語

　　針對CMOS差動放大器晶體管的不匹配，從理論上深刻分析其不匹配原因，介紹電路設(shè)計方法和版圖設(shè)計方法進行失調(diào)電壓的消除，并對所提出的電路技術(shù)進行仿真驗證，能夠達到降低失調(diào)電壓的效果。