基于SOI全介质隔离工艺的单刀双掷模拟开关芯片设计
发布时间：2021-03-21 02:40
CMOS模拟开关作为模拟开关的一大分支在如今有着愈来愈多的应用场景,包括各类工业设备、控制终端等,而基于SOI工艺的CMOS模拟开关在这基础上大大提升了CMOS模拟开关的性能,使其可以更适合应用于一些要求较高的场景,如航空航天、高精度数据采样等等。本文旨在设计一种CMOS模拟开关芯片,采用SOI全介质隔离工艺,芯片内部包含两组完全一致的单刀双掷CMOS开关,其正常工作的温度区间为-55℃+125℃,需要提供±15V两个供电电源。其采用的SOI全介质隔离工艺为其带来了导通电阻较低、开关速度较快,规避了闩锁效应、高集成度、低寄生效应以及较高的抗辐照能力等诸多的优点。还可以正常兼容标准的CMOS和TTL电平。在本次设计中,首先与工艺厂商华润上华公司合作开发了所需的SOI CMOS工艺,采用TSUPREM4工艺仿真软件完成了工艺流程的设计与仿真;使用器件仿真软件MEDICI来进行所需器件的设计和仿真,对设计中使用的功率MOS器件,我们仿真了其阈值电压、击穿电压和导通电阻等参数。之后基于这种工艺和器件,对芯片内部电路进行了设计和仿真,仿真使用的是电路仿真软件Cadence,...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见的三种CMOS模拟开关原理图[17]
纪ǖ淖刺?率保?纪ǖ牧礁龆丝谥?涞牡缌鞑钪担??囟下┑缌魇侵冈?开关关断的情况下时，开关的两个端口之间的电流值；（3）CD/CS和CSD，即寄生电容，分别是指开关两个端口与地之间的寄生电容和两个端口之间的寄生电容。既然单个MOS管就能导通，互补型CMOS模拟开关必然有其独特的优势才会被采用，其主要原因是单通道CMOS模拟开关的导通电阻会随着其栅极电压，即控制信号电压的摆动而随时上下波动，无法稳定在一个值不变，而互补型采用的两个互补MOS管，则可以利用本身互补的结构来减少其导通电阻的变化，使其较为稳定，图1-3就是单个NMOS或PMOS的导通电阻随控制电压的波动和CMOS之间的对比，从图上可以看出，如果采用单个PMOS或NMOS管，则在栅极电压较小和较大时，其导通电阻差距非常大，而采用互补型结构的CMOS模拟开关，不仅整体波动很小，基本稳定在一个值，同时因为其有效导通电阻一直是两个互补的管中较小的那个，其平均阻值比单个MOS管小了非常多。除了以上可以降低导通电阻的优势之外，CMOS模拟开关还有一个很大的优点是其具备无压降的双向传输能力，即不管是从S端到D端或是从D端到S端，也不在意传输电平的高低，其通过开关的信号都是无损的。而因为其互补的特性，控制信号开启时其互补的两个MOS管都会导通，这可以有效缓解在控制信号关闭时带来的时钟馈通和电荷注入等情况[18]。图1-3互补型CMOS模拟开关的导通电阻随控制电压的变化情况
OS管同时开启与关断，而且要求两个控制信号要严格互补，误差不能过大而倒是出现过大的漏电流。而且在开关关闭的情况下，互补的两个MOS管的栅极都是有电压的，若需要通过开关的信号电压过高或过低，则可能导致两个MOS管中会有一个导通，从而形成开关无法关断的情况，因此作为互补性CMOS模拟开关，其输入电压范围必须要做出一定的限制，若无限制还有可能因此开关管击穿的情况[19]。普通的CMOS电路还有一个常见的问题，就是CMOS工艺中很容易出现的pnpn结构，这种结构是集成电路中的一大常见问题——闩锁效应的主要诱因，如图1-4所示。图中可以看出，最底下的P型衬底和为了形成NMOS而注入的N阱之间形成了一个PN结，在一般情况下，该PN结处于反偏状态，衬底和N阱之间会存在pA级别的漏电流，此时的由于工艺形成的三极管Q1和Q2处于截止状态；若工作状态发生变化，有在VDD和VSS之间形成异常的衬底电流的可能，若这种不正常的衬底电流过大，则会在图中的电阻R1上分担比较大的电压，而这些电压也同时作用于寄生三极管Q1的发射结，同样的，电阻R2上也有可能有比较大的电压降，同时也作用于寄生晶体管Q2，根据三极管的基本原理我们可以知道，如果其发射结电压超过0.7V，该三极管就会导通，因此如果两个三极管同时导通，则会连接VDD和VSS，使其形成通路，这种情况下如果两个寄生三极管的放大系数之积大于1，即若1()×2()>1，就会使流过的电流不断放大，在两个寄生三极管之间形成一个正反馈，这时就算外部环境一切正常，因为内部的正反馈，形成的回路依旧无法关断，其中的电流依然会不断增大，最后就会将芯片完全烧毁，无法工作。图1-4一般CMOS结构中的寄生回路(a)器件结构剖面图；(b)等效电路图
本文编号：3092162
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见的三种CMOS模拟开关原理图[17]
纪ǖ淖刺?率保?纪ǖ牧礁龆丝谥?涞牡缌鞑钪担??囟下┑缌魇侵冈?开关关断的情况下时，开关的两个端口之间的电流值；（3）CD/CS和CSD，即寄生电容，分别是指开关两个端口与地之间的寄生电容和两个端口之间的寄生电容。既然单个MOS管就能导通，互补型CMOS模拟开关必然有其独特的优势才会被采用，其主要原因是单通道CMOS模拟开关的导通电阻会随着其栅极电压，即控制信号电压的摆动而随时上下波动，无法稳定在一个值不变，而互补型采用的两个互补MOS管，则可以利用本身互补的结构来减少其导通电阻的变化，使其较为稳定，图1-3就是单个NMOS或PMOS的导通电阻随控制电压的波动和CMOS之间的对比，从图上可以看出，如果采用单个PMOS或NMOS管，则在栅极电压较小和较大时，其导通电阻差距非常大，而采用互补型结构的CMOS模拟开关，不仅整体波动很小，基本稳定在一个值，同时因为其有效导通电阻一直是两个互补的管中较小的那个，其平均阻值比单个MOS管小了非常多。除了以上可以降低导通电阻的优势之外，CMOS模拟开关还有一个很大的优点是其具备无压降的双向传输能力，即不管是从S端到D端或是从D端到S端，也不在意传输电平的高低，其通过开关的信号都是无损的。而因为其互补的特性，控制信号开启时其互补的两个MOS管都会导通，这可以有效缓解在控制信号关闭时带来的时钟馈通和电荷注入等情况[18]。图1-3互补型CMOS模拟开关的导通电阻随控制电压的变化情况
OS管同时开启与关断，而且要求两个控制信号要严格互补，误差不能过大而倒是出现过大的漏电流。而且在开关关闭的情况下，互补的两个MOS管的栅极都是有电压的，若需要通过开关的信号电压过高或过低，则可能导致两个MOS管中会有一个导通，从而形成开关无法关断的情况，因此作为互补性CMOS模拟开关，其输入电压范围必须要做出一定的限制，若无限制还有可能因此开关管击穿的情况[19]。普通的CMOS电路还有一个常见的问题，就是CMOS工艺中很容易出现的pnpn结构，这种结构是集成电路中的一大常见问题——闩锁效应的主要诱因，如图1-4所示。图中可以看出，最底下的P型衬底和为了形成NMOS而注入的N阱之间形成了一个PN结，在一般情况下，该PN结处于反偏状态，衬底和N阱之间会存在pA级别的漏电流，此时的由于工艺形成的三极管Q1和Q2处于截止状态；若工作状态发生变化，有在VDD和VSS之间形成异常的衬底电流的可能，若这种不正常的衬底电流过大，则会在图中的电阻R1上分担比较大的电压，而这些电压也同时作用于寄生三极管Q1的发射结，同样的，电阻R2上也有可能有比较大的电压降，同时也作用于寄生晶体管Q2，根据三极管的基本原理我们可以知道，如果其发射结电压超过0.7V，该三极管就会导通，因此如果两个三极管同时导通，则会连接VDD和VSS，使其形成通路，这种情况下如果两个寄生三极管的放大系数之积大于1，即若1()×2()>1，就会使流过的电流不断放大，在两个寄生三极管之间形成一个正反馈，这时就算外部环境一切正常，因为内部的正反馈，形成的回路依旧无法关断，其中的电流依然会不断增大，最后就会将芯片完全烧毁，无法工作。图1-4一般CMOS结构中的寄生回路(a)器件结构剖面图；(b)等效电路图
本文编号：3092162
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