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CMOS集成电路电阻的应用探析 　　作者：刘海生栾殿政董启海摘要：在集成电路的设计中，电阻器不是主要的器件，却是必不可少的如果设计不当，会对整个电路有很大的影响，并且会使芯片的面积很大，从而增加成本电阻在集成电路中有极其重要的作用他直接关系到芯片的性能与面积及其成本讨论了集成电路设计中多晶硅条电阻、MOS管电阻和电容电阻等3种电阻器的实现方法关键词：集成电路电阻开关电容CMOS目前，在设计中使用的主要有3种电阻器：多晶硅、MOS管以及电容电阻在设计中，要根据需要灵活运用这3种电阻，使芯片的设计达到最优1CMOS集成电路的性能及特点功耗低CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗单个门电路的功耗典型值仅为20mW，动态功耗也仅为几mW工作电压范围宽CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压国产CC4000系列的集成电路，可在3~18V电压下正常工作逻辑摆幅大CMOS集成电路的逻辑高电平“1”、逻辑低电平“0”分别接近于电源高电位VDD及电影低电位VSS。

当VDD=15V，VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似15V因此，CMOS集成电路的电压电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的抗干扰能力强CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%，保证值为电源电压的30%随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加对于VDD=15V的供电电压，电路将有7V左右的噪声容限输入阻抗高CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通常情况下，等效输入阻抗高达103~1011Ω，因此CMOS集成电路几乎不消耗驱动电路的功率温度稳定性能好由于CMOS集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而CMOS集成电路的温度特性非常好一般陶瓷金属封装的电路，工作温度为-55~+125℃；塑料封装的电路工作温度范围为-45~+85℃扇出能力强扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的由于CMOS集成电路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是，当CMOS集成电路用来驱动同类型，如不考虑速度，一般可以驱动50个以上的输入端。

2CMOS集成电路电阻的应用多晶硅电阻　　集成电路中的单片电阻器距离理想电阻都比较远，在标准的MOS工艺中，最理想的无源电阻器是多晶硅条　式中：ρ为电阻率；t为薄板厚度；R□=(ρ/t)为薄层电阻率，单位为Ω/□；L/W为长宽比由于常用的薄层电阻很小，通常多晶硅最大的电阻率为100Ω/□，而设计规则又确定了多晶硅条宽度的最小值，因此高值的电阻需要很大的尺寸，由于芯片面积的限制，实际上是很难实现的当然也可以用扩散条来做薄层电阻，但是由于工艺的不稳定性，通常很容易受温度和电压的影响，很难精确控制其绝对数值寄生效果也十分明显无论多晶硅还是扩散层，他们的电阻的变化范围都很大，与注入材料中的杂质浓度有关不容易计算准确值由于上述原因，在集成电路中经常使用有源电阻器　　2MOS管电阻MOS管为三端器件，适当连接这三个端，MOS管就变成两端的有源电阻这种电阻器主要原理是利用晶体管在一定偏置下的等效电阻可以代替多晶硅或扩散电阻，以提供直流电压降，或在小范围内呈线性的小信号交流电阻在大多数的情况下，获得小信号电阻所需要的面积比直线性重要得多一个MOS器件就是一个模拟电阻，与等价的多晶硅或跨三电阻相比，其尺寸要小得多。

简单地把n沟道或p沟道增强性MOS管的栅极接到漏极上就得到了类似MOS晶体管的有源电阻对于n沟道器件，应该尽可能地把源极接到最负的电源电压上，这样可以消除衬底的影响同样p沟道器件源极应该接到最正的电源电压上此时，VGS=VDS，如图1］，μ0为载流子的表面迁移率，C0X为栅沟电容密度；K值通常在1000～3000Ω/□实验证明，在时，近似情况是十分良好的图1（c)，(d)虽然可以改进电阻率的线性，但是牺牲了面积增加了复杂度在设计中有时要用到交流电阻，这时其直流电流应为零图1所示的有源电阻不能满足此条件，因为这时要求其阻值为无穷大显然这是不可能的这时可以利用MOS管的开关特性来实现3电容电阻交流电阻还可以采用开关和电容器来实现经验表明，如果时钟频率足够高，开关和电容的组合就可以当作电阻来使用其阻值取决于时钟频率和电容值在特定的条件下，按照采样系统理论，在周期内的变化可忽略不计其中，fc=1/T是信号Φ1和Φ2的频率　　这种方法可以在面积很小的硅片上得到很大的电阻例如，设电容器为多晶硅多晶硅型，时钟频率100kHz，要求实现1MΩ的电阻，求其面积根据式(3)可知电容为10pF假设单位面积的电容为pF/mil2,则面积为50mil2。

如果用多晶硅，取最大可能值100Ω，并取其最小宽度，那么需要900mil2当然在开关电容电阻中除了电容面积外还需要两个面积极小的MOS管做开关可以看出，电容电阻比多晶硅电阻的面积少了很多而在集成电路设计中这是十分重要的有效的RC时间常数就与电容之比成正比，从而可以用电容和开关电容电阻准确的实现电路中要求的时间常数；而使用有源器件的电阻，可以使电阻尺寸最小多晶硅电阻则是最简单的在设计中要灵活运用这三种不同的方式。