在以前的RFIC设计中,变容管是用反偏的PN结实现。但在现在RFIC设计中,MOS变容管已经取代了PN结,成为主流。
常规的MOSFET在将D极和S极连接时,Cgs与Vgs的关系如下图所示,Cgs会随着Vgs变化,但是变化曲线呈现非线性。这个非线性,会产生这样一个结果。比如说,你设计了一个VCO,当你缓慢升高电压时,它的输出频率也相应地从1G变到2G。但是由于这个非线性的存在,当你缓慢升高电压时,刚开始频率是1G变化到1.5G;然后你在缓慢升高电压,发现频率又缓慢变回去了。当然,也不是完全不能用,但是总觉得心里有那么点不舒服。
而且,这种非线性的频率调谐特性,在锁相环设计中是个问题,会使得锁相环失锁。

当VG<vs时,n阱中的电子从硅 氧化物的交接面被排斥出来,使得交接面处形成耗尽区。所谓耗尽区,就是其区域不存在自由移动的载流子,产生类似电容的特性。因此,此时的等效效电容为栅氧电容和耗尽电容的串联。当VG>VS时,硅/氧化物的交接面从n+的源极和漏极吸收电子,形成一个通道。此时,等效电容为栅氧电容。

电路仿真,需要在一定程度上能够模拟变容管的C/V特性曲线。在实际中,这种特性是对加工器件进行测量,然后以由一系列的离散值组成的表格来表征。然后,再用一个连续函数来对C/V曲线进行拟合。双曲正切能够很好地模拟其饱和特性,具有连续导数,因此可以用来拟合C/V曲线。

什么是重叠电容呢(overlap capacitance)?

如上图所示,MOS管有三种主要电容:
一种是栅极和沟道之间的电容,称为栅氧电容,值为WLCox;
一种为源极和衬底,漏极和衬底之间的PN结电容;
一种为重叠电容(overlap capacitance)。
在加工过程中,会使得栅极和漏极,栅极和源极在结构上部分重叠;另外栅极边缘与源极/漏极区域顶部之间的边缘场线,这两者构成了重叠电容。
上述C/V模型,也可转换成Q/V模型,即电荷随电压变化的曲线。
由dQ=C(V)/dV可知,

MOS变容管的Q值,由栅极和漏极之间的电阻决定,如下图所示。


在振荡器设计中,希望最大化变容管的Q值。当沟道长度最短的时候,变容管的Q值最大;但是,此时栅源和栅漏之间的重叠电容在总电容中所占比值增大,从而限制了电容的调谐范围。重叠电容(overlap capacitance)基本上不太随电压变化,它的存在,会使得变容管的特征曲线上移,即从Cmin+2WCov变化到Cmax+2WCov。当沟道长度最短的时候,2WCov甚至会比Cmin还大。因此会降低电容的调谐范围。
具体用数字来表征一下:假设, Cmax=0.85fF,Cmin=0.18fF,此时R=Cmax/Cmin=4.72;如果考虑重叠电容,假设其值为0.18fF,则Cmax=0.18fF+0.85fF=1.03fF,Cmin=0.18fF+0.18fF=0.36fF,此时R=Cmax/Cmin=2.86。调谐范围下降。

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