模擬電路中的device合集

模擬電路中常用的器件其實(shí)不多，MOSFET、電阻、電容、電感、、BJT、diode。

現(xiàn)在分別說(shuō)一說(shuō)，這些器件在模擬電路中都需要了解哪些性能參數(shù)，仿真都需要著重仿啥。

我入職公司之前，老大讓一個(gè)老員工做過(guò)UMC和TSMC的器件性能對(duì)比，這樣對(duì)比，可以對(duì)工藝的選擇做一個(gè)初步的判斷。

MOSFET

MOS管是模擬IC中用的最多的device，它是一種有源器件。MOSFET主要有NMOS和PMOS，分為增強(qiáng)型和耗盡型，我們用的最多的是增強(qiáng)型MOSFET，但是同一種工藝，增強(qiáng)型和耗盡型管子可以同時(shí)存在。比如我現(xiàn)在用的SMIC40nm工藝，NMOS中，普通管子是增強(qiáng)型，閾值電壓是正數(shù)，native管子就是耗盡型，即閾值電壓是負(fù)數(shù)。

對(duì)于某種工藝，MOSFET有很多種分類(lèi)。

按照閾值電壓大小，可分為L(zhǎng)VT（Low Vth）、HVT（High Vth）、ELVT（Extreme Low）、ULVT（Ultra Low）、SVT（Standard Vth）等等等等。

按照電壓域，可分為低壓MOS和高壓MOS。一般低壓MOS都是薄柵，高壓管子都是厚柵，柵越厚越耐壓。一般，低壓管子用作core device ，高壓管子用作IO device。

之前用TSMC的工藝，還有個(gè)低噪聲MOSFET。不同的工藝，MOSFET細(xì)分的種類(lèi)也不一樣。這些具體的要去看model文件的介紹了。

MOSFET需要了解和仿真哪些參數(shù)性能？

（1）閾值電壓Vth

一般spice model文件上給出的Vth是有條件限制的，不是說(shuō)隨便的W和L都是相同的Vth，因?yàn)镸OS的Vth本身也是W和L以及溫度等的函數(shù)。

（2）噪聲noise

MOS的閃爍噪聲和熱噪聲也是很重要的參數(shù)。仿真對(duì)比不同MOS在相同尺寸和相同偏置下的噪聲大小，對(duì)低噪聲設(shè)計(jì)是很有必要的。

（3）本證增益gmro

MOS的gmro的仿真也很重要。在運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)中，我們本著面積小、低功耗、低噪聲等，盡量做到較高的增益。這時(shí)候，如果一種MOS的本征增益很大，那這種MOS是首選，當(dāng)然還有根據(jù)放大器其他的性能要求，去做一個(gè)trade off。

（4）截止頻率ft

截止頻率定義為電流增益為1的時(shí)候的頻率，ft是MOSFET在高頻設(shè)計(jì)中是必須仿真的參數(shù)，截止頻率和MOS的溝長(zhǎng)L成反比，L越小的MOSFET，截止頻率越高，MOS的截止頻率可到幾個(gè)G。

（5）泄漏電流（leakage）

在低功耗設(shè)計(jì)中，仿真MOS的leakage current是必須的。隨著工藝的先進(jìn)，MOSFET的泄漏電流占比越來(lái)越大，在低功耗幾百甚至幾十nA的電流中，leakage電流不可忽略。而且leakage在數(shù)字邏輯電路中也很重要，數(shù)字邏輯電路一般都有很多門(mén)電路，比如某一工藝庫(kù)中的D觸發(fā)器的leakage為10nA，那么100個(gè)D觸發(fā)器的leakage就達(dá)到了1uA，這在低功耗設(shè)計(jì)中是完全接受不了的。

MOS還有很多其他參數(shù)，根據(jù)電路需求去仿真。比如在對(duì)mismatch要求較高的電路中，用蒙卡去仿真Vth的失配是有必要的。

電阻

電阻的分類(lèi)一般有四大類(lèi)，poly電阻、擴(kuò)散電阻、金屬電阻、阱電阻。

poly電阻又分為 silicide poly和 non silicide poly。non silicide poly電阻要比silicide poly方塊電阻大。比如non silicide P+ poly電阻（rpposab），SMIC180nm工藝典型方塊電阻316Ω/方塊，SMIC40nm工藝典型方塊電阻624Ω/方塊。帶有金屬硅化物silicide P+ poly電阻（rppo），SMIC180nm工藝典型方塊電阻7Ω/方塊。

rpposab電阻使用的最廣泛，放塊電阻較大且溫度系數(shù)很低。

要仿真的參數(shù)：

（1）方塊電阻

方塊電阻是resistance最重要的參數(shù)，知道每種電阻方塊電阻大小，才知道用哪種電阻去設(shè)計(jì)電路是合理的，這樣才能節(jié)省面積。

（2）溫度系數(shù)

電阻的溫度系數(shù)可以通過(guò)model文件去查，但是實(shí)際仿真溫度系數(shù)是更保險(xiǎn)的。在帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)中，電阻的溫度系數(shù)是很重要的參數(shù)，是用負(fù)溫度系數(shù)還是正溫度系數(shù)，需要根據(jù)電路實(shí)際去選擇。

（3）sigma

電阻的變化率也很重要，對(duì)應(yīng)于特定尺寸的電阻，它最大值是多少，最小值是多少，變化的delta是多大，一個(gè)sigma是多大，這些需要用蒙卡去仿真。電阻的變化率相對(duì)電容還是比較大的，在PVT影響下能達(dá)到20%很常見(jiàn)。

（4）layout

電阻的版圖，在mismatch要求高的電路中，電阻的版圖一般畫(huà)成蛇形交叉的，這樣匹配更好。

電容

電容包括MOS電容、MOM電容、MIM電容、PIP電容。

PIP電容是poly-poly電容，因?yàn)樾枰獌蓪觩oly，因此普通工藝沒(méi)有這個(gè)電容，應(yīng)用不廣泛。

MOS電容是用MOSFET做電容，可做較大容值電容，但是精確度不高。線性度差，一般需要接電源或者地線，一般用作RC濾波和去耦合電容。

MOM（metal-oxide-metal）電容和MIM（metal-insulator-metal）電容用的最多，MOM電容能夠做到很小的容值。這兩個(gè)電容上下極板都是金屬，線性度高，一般做彌勒電容補(bǔ)償、電容陣列。

1）單位面積電容

仿真電容的單位面積電容對(duì)于電路設(shè)計(jì)尤為必要。我們需要知道不同的電容，單位面積大還是小，這樣才有利于評(píng)估多大的電容用哪種電容做合適，不然盲目下手，很可能不是最優(yōu)解。

（2）溫度系數(shù)

電容溫度系數(shù)我本人仿真的不是很多，因?yàn)殡娙轀囟认禂?shù)遠(yuǎn)沒(méi)有電阻的大。

（3）sigma

電容的失配需要用蒙卡去仿真，在電容陣列這種對(duì)匹配要求高的電路中，電容的sigma不能太大。

電感

電感一般用在和射頻關(guān)系較大的電路中，電感在模擬版圖中的面積占比是很大的，一個(gè)芯片的版圖中，如果有電感，幾乎是顯而易見(jiàn)的，占很大面積，且形狀特殊，大多都是螺旋狀。

我本人從沒(méi)用過(guò)電感器件呢。

BJT

三極管在CMOS設(shè)計(jì)中用的不多，但是也會(huì)涉及，比如基準(zhǔn)源電路。三極管不會(huì)大規(guī)模用在core電路中，因?yàn)镸OS的性能很多是優(yōu)于BJT的，MOS更易于集成。CMOS中的BJT也是寄生BJT，不是真正意義上的BJT器件。

關(guān)于CMOS中BJT詳細(xì)介紹參考我之前的文章：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/571912110

diode

二極管在大規(guī)模核心電路也不會(huì)用到，在ESD IO中會(huì)用。至今我也沒(méi)用過(guò)diode設(shè)計(jì)電路。