KA_IX

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把MOS器件作为电容来使用

2021-4-12 10:56:57 显示全部楼层
电容在电路设计中是一个基本又必不可少的部分,除了作为旁路,滤波,去耦或隔直等作用,在一些电路中也可以作为运算电路单元,完成信号的存储和传递。在集成电路设计中,电容的实现方式主要有MIM、PN结电容、Metal寄生电容和MOS电容等。
我们都知道零点和极点的相互作用对于一个系统的稳定性非常重要。对于一个amplifier来说,它俩直接决定了amplifier的UGF和PM等参数,如何进行补偿就非常考验模拟IC工程师的能力了。其中一个方法就是为系统引入一个特定频率的零点,从而去消除掉该频率点的一个极点,达到增加PM的作用。但是当我们把电阻和电容串联放入系统中的时候,电容的选择就显得比较关键了,其中一个方式便是把MOS器件作为电容来使用。那么在实际应用中,电容的值应该由什么决定,它会在不同的工作条件下发生变化吗?通过仿真,以下进行了简单的总结。

一. MOS作为电容的值随Vgs的变化
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Figure 1
电容的大小随Vgs的变化可以参考Figure 1。
1. 当MOS管处于cutoff的时候,没有导通沟道形成,此时Cgs和Cgd约等于0。
2. 当MOS管处于linear region的时候,导通沟道已经完全形成,此时Cgb约等于0。
3. 当MOS管处于saturation region的时候,沟道部分导通,此时Cgb约等于0。
因此,为了得到MOS在不同Vgs下电容的变化,需要搭建一个test bench进行了简单的模拟(具体图片已经省略,方法在于确立合适的直流工作点并进行dc仿真,然后运用list菜单读取电容,它大小的变化趋势和分析基本一致。

二. MOS作为电容的值随WL的变化
我们知道,电容的阻抗R=Rreal+Rimage=Rreal+1/jwC,于是可以通过设置适当的输入信号,然后通过Calculator的计算,不仅可以得到电容的阻抗R随频率的变化曲线,还可以得到电容的值(直流仿真中可以通过list直接获得Cgs+Cgd+Cgb的值,但是交流仿真应采取通过读取电压间接得到阻抗的方式来计算)。
在一个LDO的应用中,由于该MOS在正常工作状态下总是工作在linear region下的,所以我只截取了该条件下的电容大小,在观察电容的大小是否随WL线性变化的同时,也能更加直观的得到一定尺寸的MOS管带来的电容大小是多少(仿真图片已省略,设置了三组WL的值,并读取了电容大小的值)。
从三个仿真结果可以得出结论,电容的大小和WL基本满足线性关系,符合Figure 1中表格描述的关系。不过不同的工艺model下,不同的layout方式等也都会让电容的大小产生变化,以上的过程仅仅是一个初步的讨论。如何抓住不同电路不同状态下工作时最关键的点,然后进行不断的trade-off,我想这应该是做模拟IC设计的时候需要不断思考的东西吧。

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