摘要

模拟金属氧化物半导体 (MOS) 集成电路的性能在很大程度上取决于匹配精度的因素。电流镜的匹配精度在模拟 IC 性能中尤为重要。布局技术和器件尺寸被认为是可以在很大程度上改善匹配行为的主要因素。尽管这些信息很重要，但对这两个因素的研究或研究有限。在本文中，我们基于 Lan 等人 [1999] 提出的简单电流镜提出了一种新的级联电流镜布局技术。 Cascode电流镜的新布局在参数梯度存在的情况下改善了匹配特性。讨论了跨晶体管有源区域的阈值梯度对电流镜匹配特性的影响。使用 SPICE 仿真比较了新的和现有的共源共栅电流镜布局，以针对有源区域上所有角度的阈值电压梯度进行比较。结果表明，与现有布局技术可实现的结构相比，所提出的级联电流镜结构的匹配特性有了显着改善。

背景

随着VLSI（超大规模集成电路）设计领域的进步，对更高精度模拟电路设计的需求也不可避免地增长。任何精密模拟电路设计的实现都必须从彻底了解器件的匹配行为开始，因为模拟电路的性能在很大程度上取决于器件的匹配。
目前，实现微电路最流行的技术是使用金属氧化物半导体场效应 (MOSFET) 晶体管，预计在可预见的未来仍将是主导 IC 技术。因此，研究 MOS 晶体管的匹配行为仍然很重要，因为模拟 MOS 集成电路的性能在很大程度上取决于匹配精度的因素。参考 Lakshmikumar 等人 (1986)。器件布局技术和器件尺寸是影响任何 MOS 模拟电路设计的匹配行为的两个重要因素。集成电路的布局是高密度芯片设计的核心问题。 MOS器件中存在一种双极晶体管中不存在的失配成分，那就是阈值电压的失配。阈值电压失配是工艺清洁度和均匀性的重要函数，并且可以通过使用 Lan 等人 [1999] 提出的交叉指型、公共质心和鳍型几何结构来显着改善。集成电路设计工程师很少能控制制造过程，而补偿工艺变化影响的唯一方法是使用巧妙的布局技术。

不匹配的来源

阈值电压的失配

在哪里？ MS 是栅极-半导体功函数差， ? B 是体中的费米电位，QB 是耗尽电荷密度，Qf 是固定氧化物电荷密度，q 是电子电荷，DI 是阈值调整注入剂量，C 是每单位面积的栅极氧化物电容。在上述等式中，最后一项说明了为将 VT0 调整到所需值而提供的离子注入步骤，称为阈值调整注入。如 Sze (1981) 中所讨论的，假定注入的离子在硅-二氧化硅界面处具有 delta 函数分布。如果能在上式右边找到各项的标准差，就可以确定 VT 的标准差。费米势？ B 对衬底掺杂具有对数依赖性，并且 ? MS 对衬底和多晶硅栅极中的掺杂具有类似的依赖性。因此，这些项可被视为不会导致任何不匹配的常数，参见 Lakshmikumar 等人 (1986)。阈值电压失配行为的主要贡献者是体区域中掺杂剂原子的不均匀分布。然而，在控制良好的过程中，固定氧化物电荷的非均匀分布对阈值电压失配的影响可以忽略不计。

电导常数失配

MOS晶体管中存在的第二种常见失配类型是电导常数失配。电导常数由下式给出

在哪里，？是沟道迁移率，C是氧化物电容，W是沟道宽度，L是沟道长度。由于边缘变化导致的电导失配 (K) 与 [1/ (L)2 + 1/ (W)2]1/2 成比例。发现栅极氧化层电容的变化是导致 VT 和 K 失配的共同因素。由此得出的结论是 VT 和 K 的失配之间存在相关性。漏极电流的失配表明阈值电压的失配和电导常数。一般来说，MOS晶体管会在模拟电路的饱和区工作。因此，有趣的是查看漏极电流方程，如下文以饱和区中的 VT 和 K 表示。
从上式可以看出，MOS 器件的漏极电流值的漏极电流不匹配是由于阈值电压和电导常数不匹配造成的，参见 Lakshmikumar 等人 (1986)。电流镜和差分放大器的匹配特性可归因于几何参数和工艺参数的系统和随机变化。随机变化很容易建模，并且可以在面积和性能之间进行权衡，以补偿这些参数的随机变化。系统变化包括迁移率 (µ)、COX、阈值电压 (VT) 和 ? 变化。在本文中，仅考虑了各种布局的 VT 变化来比较匹配特性。

提高匹配的布局技术

数字电路通常使用最小尺寸的器件来实现高速、低面积和低功耗。对于有时需要具有大“宽度”和“长度”的晶体管以增加增益和降低噪声的模拟电路来说，情况并非如此。如此大的设备更可能受到整个 IC 工艺变化的影响，这种情况对于匹配的组件至关重要。用于减少工艺变化影响的不同方法是指叉型、公共质心和鳍型布局。这个想法是将大型设备划分为更小的部分，然后物理地交替小部分，以减少它们的相对距离。例如，让我们考虑两个需要匹配的大晶体管由四个较小的部分组成，AAAA 和 BBBB，每个字母代表一个单元。如果两个如图 1(a) 所示相邻放置但分组，则它们的“中心”之间的距离将为 4 个单位，因此可能会有很大的变化。但是，如果两者如图 1(b) 所示交错排列，则可能的变化很小。“中心”之间的相对距离现在只有 1 个单位，工艺变化减少了四倍。这种变化可以通过使用所谓的“公共质心”配置来完全补偿线性梯度，其中部件的排列方式使得两个“中心”（或质心）重合。

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有趣的是，有几种方法可以做到这一点，其中一个选项如图 2 所示。在该图中，显示了具有多行和多列的“二维”排列，显示了一种可能的配置（我们使用的配置） .

对 VT 变化进行建模

参数梯度通过有源设备本身以分布式方式建模。匹配特性通常是管芯上阈值电压梯度角度的强函数，对于任何角度，阈值梯度对公共质心布局的影响都很小。用于预测阈值梯度影响的广泛使用的方法是基于派生在 Pelgrom [1989] 中的等效阈值电压，对于由公式 1 给出的器件。

如果阈值梯度幅度为 a 且梯度方向为 ? 如图 4 (a) 所示，方程组 2 适用于图 4 (a) 所示的简单电流镜结构，其电路原理图如图 3 所示。

其中 DH 是两个漏极扩散 D1 和 D2 之间的最小间隔，通常为 3 λ，VT1 和 VT2 是两个晶体管的阈值电压，VTN 是图 4 中基点“O”处的阈值电压（a ）。应用等式 1 中的等效 VT 来找到四个晶体管布局的阈值电压，如图 4 (b) 所示的公共质心 I 型和 II 型。这些 VT 的表达式在公式 3 中给出。

其中VT1和VT4对应“晶体管一”的两个单元晶体管，VT2和VT3对应“晶体管二”的两个单元晶体管。其中 DV/S 表示 DV 或 DS。 DV 和 DS 是两个通道之间所需的最小距离，如图 4 (b) 所示。为了公平比较，所有结构的不匹配都是用相同的有效面积、W/L 和 DH 测量的。失配定义如下。

改进了 Cascode 电流镜的布局结构

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让我们考虑图 3 (b) 所示的级联电流镜 (CCM) 电路。图 5 显示了这种 CCM 的交叉数字化和通用质心布局技术。图 6 显示了一种新的级联共栅布局，它提供了对通用质心技术所能实现的改进的改进。所提出的技术试图最小化失配，在这种情况下，常见质心结构表现出最大的失配。方程组 4 中的表达式用于绘制镜像布局的不匹配以及以下变量范围：0 = ? = 360°，VTN=0.8V，a=0.5mV/um，W=15um，L=5um，DH=3um。通过观察图 7 和图 8，可以推断出所提出的技术比普通质心布局可实现的匹配性能提高了。

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