模拟电路中ＣＭＯＳ器件的频率限制因素与提高方法
1提高ＣＭＯS模拟集成电路频率特性的重要性
在过去的十几年中，移动电话，无线网络，广播，数字电视，卫星导航，得到了迅猛发展，对重量轻，体积小，功耗低，成本低的收发器的需求也迅速增加．提高收发器的集成度无疑上满足上述需求的重要途径，在以往的收发器中，数字处理部分通常采用低成本的标准ＣＭＯＳ工艺，射频前端一般采用ＧＡＳ，ＢIPOLAR或BICMOS工艺．由于数字处理部分通常占芯片面积的７０％以上
【1】
，集成度及功耗的要求使得不可能以ＣＭＯＳ以外
的其它工艺实现，所以只有实现ＣＯＭＳ射频前端才能实现单片集成的收发器并最终实现ＣＭＯＳ射频前端，才能实现单片集成的收发器并最终实现单片集成的移动通信产品.
模拟ＩＣ包含了纯模拟信号处理功能的电路和ＡＤ混合信号处理功能的电路.主要被用来对模拟信号完成采集、放大、比较、变换等功能,模拟集成电路在处理模拟信号时，除功率输出级外多数工作在小信号状态，信号频率往往从直流延伸到高频.加上模拟ＩＣ品种繁多，功能复杂，性能差异巨大，因此，模拟ＩＣ在制作工艺、器件结构、电路架构等方面都有区别于数字电路的鲜明个性，主要表现在：模拟ＩＣ在整个线性工作区内需具备良好的电流放大特性、小电流特性、频率特性等【2】.而最典型的模拟IC就是射频前端.虽然ＣＭＯＳ以其较低的制造成本和在同一芯片上同时包含模拟和数字电路以完善整体性能和降低封装成本而更具有吸引力，但是由于ＣＭＯＳ与其它工艺相比存在跨导小，频率特性差，噪声大及无源器件集成困难等不足而使它的应用受到限制【2】．因此必须想办法改善ＣＭＯＳ的频率特性，增益，噪声等性能，才能实现CMOS在模拟集成电路中的应用实现并最终实现单片集成的移动通信产品．而这其中我们最关心的就是提高它的频率特性．
2 ＣＯＭＳ的频率特性分析
CMOS，全称Complementary Metal Oxide Semiconductor，指互补金属氧化物(PMOS
管和NMOS管)共同构成的互补型MOS集成电路制造工艺.其结构如图（其
a图为P阱，b图为N阱，c图为双阱）.
图1
采用CMOS技术可以将成对的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）集成在一块硅片上.它的特点是低功耗.由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要么都截至，比线性的三极管(BJT)效率要高得多，因此功耗很低【2】.
由于CMOS由PMOS管和NMOS管共同构成,我们可心用MOSFET的小信号等效电路从数学上对电子电路进行分析,从而了解影响频率特性的因素. MOSFET的小信号等效电路包括产生频率效应的电容和电阻．我们首先说明小信号参数和等效电路，然后讨论限制ＣＭＯＳ频率特性的物理因素． 2.1 小信号等效电路
基本的MOSFET结构示意图如图2.图2为基于晶体管内部的固有电容,电阻及其它物理量的模型示意图. 【3】
图2
2.1.1小信号参数
当信号加在直流偏压上时，MOS场效应晶体管栅电荷耗尽层电荷将随信号电压发生变化，从而引起漏电压将发生变化．这里指的小信号特性是指在一定工作点上，输出端电流的微小变化与输入端电压的微小变化之间的定量关系．由于这是一种线性关系，所以可以用线性方程组描述小信号特性．我们首先讨论低频小信号参数，因为它是建立从低频到高频小信号模型的基本依据之一．以长沟道Ｎ型ＭＯＳ场效应晶体管国例讨论低频小信号参数而且只考虑器件的”本征”部分，这是因为ＭＯＳ晶体管的作用主要发生在这里． 2.1.1.1跨导
跨导
gm被定义为漏电压一定时，漏电流的微分增量与栅源电压微分增量之比，即
?IDS?C 【4】 （1） g?UDSm?UGS其中IDS是漏源电流，UGS是栅源电压.UDS是漏源电压.
由此可见
gm反映栅源电压的变化量控制漏源电流变化量的能力，标志着ＭＯＳ场效
应晶体电压的放大本领，
gm与电压增益KV的关系为
?IDSRL?UGS? KV?其中RL为MOS管的负载电阻. ⅰ非饱和区跨导
gRm【4】
（2） Lgml
在非饱和工作区，当UDS＜UDsat(饱和漏源电压)时，由线性区电流公式
IDS12?????(UGS?UT)UDS?UDS?其中UT为开启电压.对UGS求导，则得器件工作
2??在非饱和区的跨导
从此式看上去
gml＝?UDS 【4】 （3）
gml似乎与UGS无关．但实际测量表明，当UGS增大时
gml下降，这是因为当
U
GS增大时，电子迁移率
?n下降的缘故．
模拟电路中CMOS器件的频率限制因素与提高方法分析
