CMOS差动放大器晶体管的不匹配特性变化和解决方法研究

2 工艺消除失配

将处在饱和区的MOS管的特性表述为:

1/2μCoxW/L(VGS-VTH)2。对于两个标称相同的晶体管,μ,Cox,W,L以及VTH之间的失配导致了漏极电流的失配(VGS固定)或栅源电压的失配(漏极电流固定)。直观上可以认为,随着W与L的增加,他们的相对失配,△W/W与△L/L会分别减小,也就是越大的器件表现出越小的失配。一个更重要的观察结果是,随着晶体管面积(W/L)的增加,所有的失配都减小。例如,增大W会使△W/W与△L/L都减小。这是因为随着WL,的增加,随机变化经历更大的“求平均”过程,因此其幅值下降了。对于图3所示的情况,有△L2《△L1。这是因为,如果该器件被看成许多小晶体管的并联,如图3所示,若每一个宽度为W0,那么可以得出等效长度为:

式中:△L0是宽为W0的晶体管长度变化的统计值。等式表明,对于给定的W0,随着n的增加,Leq的变化减小,如图4所示。

上述结论也可以扩展到其他器件参数。例如,假定:器件面积增加,μCox与VTH有更小的失配。如图5所示,理由是,大尺寸晶体管可以分解为宽长分别为W0和L0小单元晶体管的串并联。其中,每个单元都呈现出(μCox)j与VTHj。对于给定的W0与L0,μCox与VTH经历更大的平均过程,致使大尺寸晶体管之间的失配更小。

3 版图方法减少失配

针对电路设计中,特别是全差动电路中的不对称而产生的电路失调,尽管有些失配是不可避免的,但是在版图设计中,可通过器件对称设计,使晶体管方面优化,对所关心的器件及周围环境进行对称性设计,尽量减少因工艺制造原理而引起的失配。

如图6(a)所示,如果两个MOS管按图6(b)那样沿不同方法放置,由于在光刻及圆片加工的许多步骤中沿不同轴向的特性大不一样,就会产生很大失配。因而图6(c)和(d)的方案更合理一些。这两者的选择是由一种称作“栅阴影”的细微效应决定的。

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