电子电路大全(PDF格式)-第57部分
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因为vSD =3V，则p沟道管也工作在饱和区，漏极电流为：
K ' W 2
i = P （v V ） （1＋λ v ）
D SG TP N SD
2L
…6
50 ×10 （5um） 2
= （2 …0。7） （1＋0。05 ×3） =243uA
2（1um）
（5）MOSFET 交流小信号模
型
在电路计算中，由MOS
管的大信号模型算出电路的
静态工作点后，就必须由小
信号等效模型来分析设计电
路。小信号模型是能简化计
算工作的线性模型，它是在
一定的电压电流下有效。小
信号模型的各项参数依赖于
大信号模型参数和直流变
量。两种模型间的关系如下：
小信号模型参数可以看 图 2…5 MOSFET 交流小信号等效模型
作大信号模型参数发生微小变化时微小变量之间的比率，或者看作某项大信号模型参数对
另一项大信号模型参数的偏微分。
g V
NMOS的小信号等效模型电路如图 2…5 所示，图中各参数定义为：受控电流源 m gs 和
g V V V I
mb bs 分别表示栅极电压 GS 和衬偏电压 bs ，控制产生的漏级电流 d 的分量。跨导gm背
栅跨导gmb根据公式计算得到。 Cgs 、Cgd 为栅…源，栅…漏之间的电容。 Cbg 、Cbs 、Cbd
分别为衬底与栅极、源极、漏极间的电容。
简化为：
di
g D V V I
= =β（ ） = 2β
m GS T D
dv
GS Q
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di λi
gds = D = D ≈λiD
dv 1＋λv
DS Q DS
i i v i v g γ
D D GS D T m
gmbs = = = = =ηgm
v v v v v 2 2 φF …V
BS Q GS BS Q T BS Q BS
重要假设：
g m ≈10g mbs ≈100g ds
那么
例 小信号模型参数的典型值
已知管子的宽长比为W/L=1um/1um的n沟道管和P沟道管，模型参数值如表 2－1 所示，
假设漏极电流的直流量为 50uA，源－体直流电压绝对值为 2V。试利用大信号模型参数分别
求两管的gm、gmbs和gds的值。
解：利用公式求出：n沟道管的gm＝105uA/V、gmbs=12。8uA/V和gds=2。0uA/V；p沟道管
的gm＝70。7uA/V、gmbs=12。0uA/V和gds=2。5uA/V；
2。2 CMOS 工艺 MOS 管模型参数
（1）0。8um N 阱简单的 MOS 大信号模型（spice level 1）
表 2…1 MOSFET 模型参数
。MODEL NMOS1 NMOS LEVEL=1 VTO=0。7 KP=110U GAMMA=0。4 LAMBDA=0。04 PHI=0。7
。MODEL PMOS1 PMOS LEVEL=1 VTO=…0。7 KP=50U GAMMA=0。57 LAMBDA=0。05 PHI=0。8
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（2）0。8um N 阱完整的大信号模型（spice level 1）
。MODEL NMOSl NMOS LEVEL=1 VTO=0。70 KP=110U GAMMA=0。4 LAMBDA=0。04 PHI=0。7
＋MJ=0。5 MJSW=0。38 CGBO=700P CGSO=220P CGDO=220P CJ=770U CJSW=380P
＋LD=0。016U TOX=14N
。MODEL PMOSl PMOS LEVEL=1 VTO=…0。7 KP=50U GAMMA=0。57 LAMBDA=0。05 PHI=0。8
＋MJ=0。5 MJSW=0。35 CGBO=700P CGSO=220P CGDO=220P CJ=560U CJSW=350P
＋LD=0。014U TOX=14N
（3）BSIM SPICE 模型
前面列举的MOS管大信号模型简单并且便于手工计算，不过忽略了很多重要的二阶效
应。大部分的二阶效应是由于窄或者短的沟道尺寸（小于 3um）引起的。SPICE Level 3 半
经验模型对于大于 0。8um的沟道长度的MOS工艺较为有效。BSIM1 SPICE（Level 4，HSPICE
为Level 13，60 个直流参数）模型对沟道长度小到 1um的MOSFET都能建模；沟道长度更短
的MOSFET则需要使用BSIM2（99 个直流参数）、BSIM3（Level 8，HSPICE为Level 49，40
个直流参数）或者BSIM4 来建模；BSIM3V3 对深亚微米器件有效，已经成为工业界标准的MOS
管模型。（NMOS和PMOS的SPICE模型有很多种，BSIM模型是其中的一种，一般是通过自动化
的参数提取和模型生成软件来完成。目前绝大多数芯片加工厂商都采用BSIM模型来描述他
们加工的器件的性能）
目前，产业界的很多芯片加工厂商并不提供Level 1、Level 2 或者Level 3 的SPICE
模型（MOSIS除提供BSIM模型外还提供Level 2 和Level 3 模型），学生需要掌握利用BSIM
参数来提取阈值电压、跨导等参数，以用于手工计算。
注意：如无特别说明，后章所有计算均以 0。8um模型参数为基础；高级的 0。6um双阱和
0。25um N阱CMOS工艺模型参数见附录；Berkely提供的SPICE2 和SPICE3 以及BSIM1 模型，
都不具备对噪声和温度建模的能力。
2。3 用 HSPICE 仿真 MOS 输出特性
在图 2－6 中，N沟道管采用LEVEL 1 模
型和表 2－1 中给出的参数值，试采用HSPICE
仿真得到晶体管的输出特性。仿真中假设体
电压为 0，绘制漏－源电压从 0V到 5V变化、
栅－源电压分别为 1V、2V、3V、4V和 5V时的
输出特性曲线族。
图 2…6 MOS 管输出特性测试
（1）SPICE 输入文件
EX2。1 use spice to simulation MOS output
。option post=2 numdgt=7 tnom=27
*。OPTIONS LIST NODE POST
M1 2 1 0 0 MOS1 W=5U L=1U
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VDS 2 0 5
VGS 1 0 1
。MODEL MOS1 NMOS VTO=1 KP=110U GAMMA=0。4 LAMBDA=0。01 PHI=0。7
。DC VDS 0 5 0。2 VGS 0 5 1
*。PRINT DC V（2） I（VDS）
。PRINT DC i（m1） vth=lv9（m1）
。END
（2）仿真结果
图 2…7 MOS 管输出特性测试仿真曲线
2。4 练习
（1）改变W、L的值，测试MOS管的输出特性，和前面的结果比较，说明引起差别的原
因。
（2）请用 0。6um N阱CMOS工艺模型仿真MOS N沟道管输出特性，并对仿真结果进行阐
述。
（3）请用 0。6um N阱CMOS工艺模型仿真MOS P沟道管输出特性，并阐述仿真结果。
（4）用HSPICE仿真分析MOS体效应：VSB从 0V变化到 5V、VDS固定为 5V的情况下，画
出MOSFET的漏电流与栅源电压之间的关系图。
图 2…8 MOS 管体效应测试仿真曲线
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当衬底电压变得更“负”的时候，阈值电压会相应增加（这就是体效应）。另外，随着
VSB的增大，阈值电压的变化量越来越小；在设计模拟电路时，利用这个特性可以提高阈值
电压的匹配度。
（5）用HSPICE仿真分析亚阈值电流：对于 0。8um 工艺加工的W=L=5um的NMOS管，当VGS
从 0。65V变化到 0。75V时，用HSPICE画出对应不同的VGS的IDS－VDS曲线并分析。
图 2…9 MOS 管亚阈值效应测试仿真曲线
（6）用HSPICE仿真阈值电压随温度的变化。
图 2…10 MOS 管阈值电压随温度的变化仿真曲线
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第 3 章 恒流源电路分析与设计
3。1 恒流源电路
I
恒流源电路如图 3…1 所示，图中 R 为参考电流，
I
0 为输出电流，MOS管工作在饱和区，当MOS管M2 的
V ≥V …V
DS GS T ，则M2 工作在饱和区。根据饱和区的
I I
电流方程可求得 0 与 R 的关系式为
I O S 2 （1 ＋ λV D S 2 ） S 2
图 3…1 恒流源电路 = =
I R S 1 （1 ＋ λV D S 1 ） S 1
（3…1）
S 2 （1 ＋ λV D S 2 ）
I = I
O R
S 1 （1 ＋ λV D S 1 ） （3…2）
式中S1 为M1 的宽长比，S2 为M2 的宽长比，λ为沟道调制系数，并假定两管的工艺参
I
数相同。由式（3…2）可知，只要改变M1 和M2 的宽长比，就可以设计出所需要的 0 。若
V =V I =I
DS 2 DS1 ， S1= S2，则 0 R 。
V =V V =V
因为 DS 1 GS 1 ， DS 2 0 ， Vo是输出电压，但是一般情况下Vo是一变量，且
V 》V
0 DS 1 ，由于沟道长度调制效应的存在，Io随输出电压Vo的变化而变化，因此，只有在
λ=0 时才能使I 0 为恒定值。为了使其恒流特性有所改善，可增大M2 的沟道长度L。L增大，
