《電子技術(shù)應用》
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基于0.5μm CMOS工藝的新型BiCMOS集成運算放大器設計
摘要: 為了提高運算放大器的驅(qū)動能力,依據(jù)現(xiàn)有CMOS集成電路生產(chǎn)線,介紹一款新型BiCMOS集成運算放大電路設計,探討B(tài)iCMOS工藝的特點。在S-Edit中進行“BiCMOS運放設計”電路設計,并對其電路各個器件參數(shù)進行調(diào)整,包括MOS器件的寬長比和電容電阻的值。完成電路設計后,在T-spice中進行電路的瞬態(tài)仿真,插入CMOS,PNP和NPN的工藝庫,對電路所需的電源電壓和輸入信號幅度和頻率進行設定調(diào)整,最終在W-Edit輸出波形圖。在MCNC0.5μm工藝平
Abstract:
Key words :


0 引言
   
近幾年來,隨著混合微電子技術(shù)的快速發(fā)展及其應用領(lǐng)域的不斷擴大,使其在通信行業(yè)和計算機系統(tǒng)有了快速的發(fā)展和廣泛的應用。隨之電子和通信業(yè)界對于現(xiàn)代電子元器件(例如大規(guī)模集成電路)、電路小型化、高速度、低電源電壓、低功耗和提高性價比等方面的要求越來越高。傳統(tǒng)的雙極技術(shù)雖然具有高速、電流驅(qū)動能力強和模擬精度高等優(yōu)點,但其功耗和集成度卻不能適應現(xiàn)代VLSI技術(shù)發(fā)展的需要。而一直作為硅鍺(SiGe)集成電路主要技術(shù)平臺的MOS器件及其電路雖在高集成度、低功耗、強抗干擾能力等方面有著雙極電路無法比擬的優(yōu)勢,但在高速、大電流驅(qū)動場合卻無能為力。由此可見,無論是單一的CMOS,還是單一的雙極技術(shù)都無法滿足VLSI系統(tǒng)多方面性能的要求,因此只有融合CMOS和單一的雙極技術(shù)這兩種優(yōu)勢構(gòu)造BiCMOS器件及其電路,才是VLSI發(fā)展的必然產(chǎn)物。由于最先提出BiCMOS器件的構(gòu)造思路時,雙極和CMOS技術(shù)在工藝和設備上差異很大,組合難度和成本都高,同時因應用上的需求并不十分迫切,所以BiCMOS技術(shù)的發(fā)展比較緩慢。

1 電路圖設計
   
本文基于MCNC 0.5 μm CMOS工藝線設計了BiCMOS器件,其集成運算放大器由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路4部分組成。輸入級由CMOS差分輸入對即兩個PMOS和NMOS組成;中間級為CMOS共源放大器;輸出級為甲乙類互補輸出。圖1為CMOS差分輸入級,可作為集成運算放大器的輸入級。NMOS管M1和M2作為差分對輸入管,它的負載是由NMOS管M3和M4組成的鏡像電流源;M5管用來為差分放大器提供工作電流。M1管和M2管完全對稱,其工作電流IDS1和IDS2由電流源Io提供。輸出電流IDS1和IDS2的大小取決于輸入電壓的差值VG1-VG2。IDS1和IDS2之和恒等于工作電流源Io。假設M1和M2管都工作在飽和區(qū),那么如果M1和M2管都制作在孤立的P阱里,就沒有襯偏效應,此時VTN1=VTN2=VT。忽略MOS管溝道長度的調(diào)制效應,差分對管的輸入差值電壓VID可表示為:

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M2管和M4管構(gòu)成CMOS放大器,兩個管子都工作在飽和區(qū),其電壓增益等于M2管的跨導gM2和M2,M4兩管的輸出阻抗并聯(lián)的乘積,即:
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式(4)表明,CMOS差分放大器具有較高的增益。該增益隨電流的減少而增大;隨MOS管寬長比的增加而增高;隨兩只管子溝長高調(diào)制系數(shù)λ的減少而增加,所以設計時,應盡可能增加溝道長度,減小λ值,以此來提高CMOS的增益。偏置電路用來提供各級直流偏置電流,它由各種電流源電路組成。圖2為加上偏置電路的CMOS差分放大器。

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圖2中,M5管為恒流源,用于為差分放大器提供工作電流;M6和M7管為恒流源偏置電路,用于為M5提供工作電流。其中,基準電流為;

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圖3為輸出級的最終結(jié)果,其中M6,M7,M10為偏置,Q4,Q5用來減小交越失真,Q1為輸出級的緩沖級。

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2 電路仿真

Aod是在標稱電源電壓和規(guī)定負載下,運算放大器工作在線性區(qū),低頻無外部反饋時的電壓增益,Aod的值越大越好。圖4為輸入端V+的電壓波形。由圖可見V+的峰峰值為200 nV,輸入端V-的電壓為0。圖5為輸出波形(在Q3的集電極輸出)。

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由圖5可見,輸出電壓的峰峰值為:

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因此開環(huán)差模電壓增益為:

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可以測量出共模電壓增益:
 
滿足設計要求。

3 版圖設計

采用的是以CMOS工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS兼容工藝。首先以外延雙阱CMOS工藝為基礎(chǔ),在N阱內(nèi)增加了N+埋層和集電極接觸深N+注入,用以減少BJT器件的集電極串聯(lián)電阻阻值,以及降低飽和管壓降;其次用P+區(qū)(或N+區(qū))注入,制作基區(qū);再者發(fā)射區(qū)采取多晶硅摻雜形式,并與MOS器件的柵區(qū)摻雜形式一致,制作多晶硅BJT器件。由此可見,這種高速BiCMOS制造工藝原則上不需要增加其他的重要工序。

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由于基準電路不易調(diào)整,在設計版圖時將基準部分外接。基于0.5μm CMOS工藝的運算放大器版圖如圖7所示。

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4 結(jié)語
   
該運算放大器結(jié)合了CMOS工藝低功耗、高集成度和高抗干擾能力的優(yōu)點,雙極型器件的高跨導,負載電容對其速度的影響不靈敏,從而具有驅(qū)動能力強的優(yōu)點。該BiCMOS器件在現(xiàn)有CMOS工藝平臺上制造。該放大器以CMOS器件為主要單元電路,在驅(qū)動大電容負載之處加入雙極器件的運算放大器電路,然后在Tanner Por軟件平臺上完成電路圖的繪制、仿真,并在MCNC 0.5μm CMOS工藝線上完成該電路的版圖設計,經(jīng)實用,運算放大器的參數(shù)均達到了設計要求。

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