Большинство аналоговых КМДП схем построены на основе согласованных транзисторов. Например, некоторые схемы, такие как дифференциальные пары (каскады) требуют согласования по напряжению затвор-исток Vgs, в схемах же токовых зеркал используется согласование по току стока Id. Можно обеспечить согласование либо по напряжению, либо по току, но не одновременно, это связано с тем, что согласование по напряжению требует задание рабочих точек (смещений) отличных от смещений, используемых в случае согласования по току.
Рассмотрим согласование по напряжению двух транзисторов. Положим, что через каждый согласованный транзистор протекает одинаковый ток Id. Если положить транзисторы идеальными, тогда они работают при равном напряжении затвор-исток. Реально же, если два транзистора не идентичны, то это приводит различию их напряжений ΔVgs = Vgs1— Vgs2. Полагая, что транзисторы находятся в пологой области (в большинстве справедливо для аналоговых схем) напряжение рассогласования можно записать как:
,
где ΔVt — различие между пороговыми напряжениями двух транзисторов, Δk — различие их крутизн, ΔVgst1 – превышение над порогом первого транзистора (эффективное напряжение сток-исток), k2 — крутизна второго транзистора. Так напряжение рассогласования ΔVgs зависит от размеров транзисторов, так как в выражении присутствует крутизна транзистора k2 . Также напряжение рассогласования зависит от рабочей точки (смещения) транзисторов, так как выражение включает напряжение превышения над порогом ΔVgst1.
Для минимизации напряжения рассогласования следует уменьшать напряжение превышения над порогом в согласованных транзисторах. Преимуществом КМДП схем, где используется согласование по напряжению, является работа таких схем при малых токах стока и больших отношениях W/L. Минимальное достижимое значение напряжения превышения над порогом ограничено возможностью перехода транзистора в подпороговый режим работы, а также рассогласованием пороговых напряжений. На практике, при выборе значения напряжения превышения над порогом менее 0.1 В согласование транзисторов увеличивается незначительно.
Рассогласование двух транзисторов по току стока может быть выражено через отношение этих токов Id2/ Id1:
Рассогласование токов транзисторов увеличивается при уменьшении превышения над порогом, так как при этом увеличивается рассогласование пороговых напряжений ΔVt . В схемах, где транзисторы согласуются по току, следует выбирать напряжение превышения над порогом как можно выше. Выбор превышения над порогом зависит от многих факторов, но на практике обычно выбирают значение напряжения превышения над порогом не менее 0.3 В.
В заключение следует еще раз отметить, что для согласования транзисторов по напряжению следует выбирать напряжение превышения над порогом Vgst = 0.1 В и менее, тогда как для схем, согласованных по току, Vgst должно быть выбрано не менее 0.3 В.
Правила согласования:
1. Использовать сегменты (пальцы) транзисторов одинаковой геометрии.
2. Использовать активные области больших размеров.
3. Для согласования по напряжению использовать малые значения напряжения превышения над порогом.
4. Для согласования по току использовать большие значения напряжения превышения над порогом.
5. Располагать транзисторы в одном и том же направлении.
6. Располагать транзисторы как можно ближе друг к другу.
7. Делать топологию согласованных транзисторов как можно более компактной.
8. Где практично, использовать принцип построения топологии с общим центром.
9. Располагать фиктивные элементы по внешним сторонам массива согласованных транзисторов.
10. Располагать транзисторы в местах с наименьшим механическим напряжением.
11. Располагать согласованные транзисторы вдали от мощных источников.
12. Не размещать контактов над активной областью затвора.
13. Не проводить шины разводки над активной областью затвора.
14. Располагать контакты к глубозалегающим диффузионным областям как можно дальше от активных областей затворов.
15. Для точного согласования располагать конденсаторы по осям симметрии кристалла.
16. Соединять сегменты затвора (пальцы) шинами металла.
17. Использовать транзисторы с меньшей толщиной подзатворного окисла.
18. Предпочтительней для согласования использовать n-канальные МДП транзисторы.
Ниже на рисунках приведены примеры согласования транзисторов.
Загрузка...
