模拟电路中的device合集

模拟电路中常用的器件其实不多，MOSFET、电阻、电容、电感、、BJT、diode。

现在分别说一说，这些器件在模拟电路中都需要了解哪些性能参数，仿真都需要着重仿啥。

我入职公司之前，老大让一个老员工做过UMC和TSMC的器件性能对比，这样对比，可以对工艺的选择做一个初步的判断。

MOSFET

MOS管是模拟IC中用的最多的device，它是一种有源器件。MOSFET主要有NMOS和PMOS，分为增强型和耗尽型，我们用的最多的是增强型MOSFET，但是同一种工艺，增强型和耗尽型管子可以同时存在。比如我现在用的SMIC40nm工艺，NMOS中，普通管子是增强型，阈值电压是正数，native管子就是耗尽型，即阈值电压是负数。

对于某种工艺，MOSFET有很多种分类。

按照阈值电压大小，可分为LVT（Low Vth）、HVT（High Vth）、ELVT（Extreme Low）、ULVT（Ultra Low）、SVT（Standard Vth）等等等等。

按照电压域，可分为低压MOS和高压MOS。一般低压MOS都是薄栅，高压管子都是厚栅，栅越厚越耐压。一般，低压管子用作core device ，高压管子用作IO device。

之前用TSMC的工艺，还有个低噪声MOSFET。不同的工艺，MOSFET细分的种类也不一样。这些具体的要去看model文件的介绍了。

MOSFET需要了解和仿真哪些参数性能？

（1）阈值电压Vth

一般spice model文件上给出的Vth是有条件限制的，不是说随便的W和L都是相同的Vth，因为MOS的Vth本身也是W和L以及温度等的函数。

（2）噪声noise

MOS的闪烁噪声和热噪声也是很重要的参数。仿真对比不同MOS在相同尺寸和相同偏置下的噪声大小，对低噪声设计是很有必要的。

（3）本证增益gmro

MOS的gmro的仿真也很重要。在运算放大器的设计中，我们本着面积小、低功耗、低噪声等，尽量做到较高的增益。这时候，如果一种MOS的本征增益很大，那这种MOS是首选，当然还有根据放大器其他的性能要求，去做一个trade off。

（4）截止频率ft

截止频率定义为电流增益为1的时候的频率，ft是MOSFET在高频设计中是必须仿真的参数，截止频率和MOS的沟长L成反比，L越小的MOSFET，截止频率越高，MOS的截止频率可到几个G。

（5）泄漏电流（leakage）

在低功耗设计中，仿真MOS的leakage current是必须的。随着工艺的先进，MOSFET的泄漏电流占比越来越大，在低功耗几百甚至几十nA的电流中，leakage电流不可忽略。而且leakage在数字逻辑电路中也很重要，数字逻辑电路一般都有很多门电路，比如某一工艺库中的D触发器的leakage为10nA，那么100个D触发器的leakage就达到了1uA，这在低功耗设计中是完全接受不了的。

MOS还有很多其他参数，根据电路需求去仿真。比如在对mismatch要求较高的电路中，用蒙卡去仿真Vth的失配是有必要的。

电阻

电阻的分类一般有四大类，poly电阻、扩散电阻、金属电阻、阱电阻。

poly电阻又分为 silicide poly和 non silicide poly。non silicide poly电阻要比silicide poly方块电阻大。比如non silicide P+ poly电阻（rpposab），SMIC180nm工艺典型方块电阻316Ω/方块，SMIC40nm工艺典型方块电阻624Ω/方块。带有金属硅化物silicide P+ poly电阻（rppo），SMIC180nm工艺典型方块电阻7Ω/方块。

rpposab电阻使用的最广泛，放块电阻较大且温度系数很低。

要仿真的参数：

（1）方块电阻

方块电阻是resistance最重要的参数，知道每种电阻方块电阻大小，才知道用哪种电阻去设计电路是合理的，这样才能节省面积。

（2）温度系数

电阻的温度系数可以通过model文件去查，但是实际仿真温度系数是更保险的。在带隙基准源设计中，电阻的温度系数是很重要的参数，是用负温度系数还是正温度系数，需要根据电路实际去选择。

（3）sigma

电阻的变化率也很重要，对应于特定尺寸的电阻，它最大值是多少，最小值是多少，变化的delta是多大，一个sigma是多大，这些需要用蒙卡去仿真。电阻的变化率相对电容还是比较大的，在PVT影响下能达到20%很常见。

（4）layout

电阻的版图，在mismatch要求高的电路中，电阻的版图一般画成蛇形交叉的，这样匹配更好。

电容

电容包括MOS电容、MOM电容、MIM电容、PIP电容。

PIP电容是poly-poly电容，因为需要两层poly，因此普通工艺没有这个电容，应用不广泛。

MOS电容是用MOSFET做电容，可做较大容值电容，但是精确度不高。线性度差，一般需要接电源或者地线，一般用作RC滤波和去耦合电容。

MOM（metal-oxide-metal）电容和MIM（metal-insulator-metal）电容用的最多，MOM电容能够做到很小的容值。这两个电容上下极板都是金属，线性度高，一般做弥勒电容补偿、电容阵列。

1）单位面积电容

仿真电容的单位面积电容对于电路设计尤为必要。我们需要知道不同的电容，单位面积大还是小，这样才有利于评估多大的电容用哪种电容做合适，不然盲目下手，很可能不是最优解。

（2）温度系数

电容温度系数我本人仿真的不是很多，因为电容温度系数远没有电阻的大。

（3）sigma

电容的失配需要用蒙卡去仿真，在电容阵列这种对匹配要求高的电路中，电容的sigma不能太大。

电感

电感一般用在和射频关系较大的电路中，电感在模拟版图中的面积占比是很大的，一个芯片的版图中，如果有电感，几乎是显而易见的，占很大面积，且形状特殊，大多都是螺旋状。

我本人从没用过电感器件呢。

BJT

三极管在CMOS设计中用的不多，但是也会涉及，比如基准源电路。三极管不会大规模用在core电路中，因为MOS的性能很多是优于BJT的，MOS更易于集成。CMOS中的BJT也是寄生BJT，不是真正意义上的BJT器件。

关于CMOS中BJT详细介绍参考我之前的文章：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/571912110

diode

二极管在大规模核心电路也不会用到，在ESD IO中会用。至今我也没用过diode设计电路。