1. 從三個(gè)指標(biāo)看透一顆MOS管的高頻真實(shí)力很多剛接觸模擬電路設(shè)計(jì)的朋友選MOS管的時(shí)候習(xí)慣性地只看兩個(gè)參數(shù)耐壓和導(dǎo)通電阻。打開(kāi)規(guī)格書找到VDS和RDS(on)覺(jué)得差不多就定了。這個(gè)做法在低頻開(kāi)關(guān)場(chǎng)景下問(wèn)題不大但一旦信號(hào)頻率上了兆赫茲級(jí)別或者你做的是一級(jí)高增益放大電路光看這兩個(gè)參數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我自己早期做射頻前端的時(shí)候就吃過(guò)這個(gè)虧——選了一顆導(dǎo)通電阻很低、耐壓也夠的管子結(jié)果電路一上電增益遠(yuǎn)低于仿真預(yù)期帶寬也窄得可憐。后來(lái)回頭翻規(guī)格書才發(fā)現(xiàn)跨導(dǎo)效率、截止頻率、本征增益這三個(gè)指標(biāo)一個(gè)比一個(gè)難看。這三個(gè)參數(shù)——跨導(dǎo)效率gm/ID、截止頻率fT、本征增益gm·ro——是衡量MOS管在模擬/射頻電路中“真實(shí)力”的核心標(biāo)尺。它們不像耐壓和導(dǎo)通電阻那樣直觀但決定了你的電路能做到多高的增益、多寬的帶寬、多低的功耗。這篇文章我會(huì)從物理原理出發(fā)結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真驗(yàn)證把這三個(gè)參數(shù)徹底拆開(kāi)講清楚。不管你是正在做運(yùn)放設(shè)計(jì)、射頻前端還是只是想搞清楚MOS管規(guī)格書里那些曲線到底在說(shuō)什么這篇文章都值得你花時(shí)間讀完。2. 跨導(dǎo)效率gm/ID低功耗設(shè)計(jì)的“黃金標(biāo)尺”2.1 gm/ID到底在衡量什么先把這個(gè)概念說(shuō)清楚?？鐚?dǎo)效率的定義是跨導(dǎo)gm除以漏極電流ID單位是1/V或者V?1。它的物理含義是每消耗一單位電流你能換來(lái)多少跨導(dǎo)。跨導(dǎo)越大意味著柵極電壓對(duì)漏極電流的控制能力越強(qiáng)放大能力越好。為什么這個(gè)指標(biāo)重要因?yàn)樵诘凸脑O(shè)計(jì)里電流就是“預(yù)算”。你手上的功耗預(yù)算就那么多怎么花最劃算gm/ID告訴你答案。gm/ID越高說(shuō)明你用同樣的電流換到了更大的gm放大效率越高。這里有一個(gè)很關(guān)鍵的認(rèn)知gm/ID不是固定值它隨偏置點(diǎn)變化。在弱反型區(qū)亞閾值區(qū)gm/ID達(dá)到最大值理論上可以接近1/(n·VT)室溫下大約在25~30 V?1左右n是亞閾值斜率因子通常1.3~1.5VT是熱電壓約26mV。在強(qiáng)反型區(qū)gm/ID會(huì)降到5~10 V?1甚至更低。這意味著什么同樣一顆管子你把它偏置在弱反型區(qū)跨導(dǎo)效率是強(qiáng)反型區(qū)的3~5倍。但弱反型區(qū)也有代價(jià)截止頻率低、本征增益雖然高但速度慢、匹配性差。所以gm/ID本質(zhì)上是一個(gè)設(shè)計(jì)折中的坐標(biāo)軸——你沿著這條軸滑動(dòng)就是在功耗、速度、增益之間做取舍。2.2 從規(guī)格書曲線讀出gm/ID大部分MOS管規(guī)格書不會(huì)直接給你gm/ID曲線但你可以從轉(zhuǎn)移特性曲線ID vs. VGS自己算出來(lái)。方法很簡(jiǎn)單在轉(zhuǎn)移特性曲線上取一個(gè)偏置點(diǎn)讀出ID和對(duì)應(yīng)的VGS。在同一個(gè)VGS附近取微小增量ΔVGS讀出對(duì)應(yīng)的ΔID。gm ΔID/ΔVGS然后gm/ID gm除以ID。更實(shí)用的做法是用仿真工具直接掃描。以LTspice為例你可以搭一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試電路固定VDS在飽和區(qū)比如VDS VDD/2掃描VGS從0到VDD同時(shí)用表達(dá)式計(jì)算gm/ID。LTspice里可以用.step命令配合.meas語(yǔ)句自動(dòng)提取不同偏置點(diǎn)的gm/ID值。我實(shí)測(cè)過(guò)一顆常見(jiàn)的0.18μm工藝NMOSW/L 10/0.18VDS 0.9V。掃描結(jié)果如下VGS (V)ID (μA)gm (μS)gm/ID (V?1)反型區(qū)0.351.22823.3弱反型0.458.59511.2中反型0.55322106.6強(qiáng)反型0.701204804.0深強(qiáng)反型這張表傳遞的信息很明確從弱反型到強(qiáng)反型gm/ID下降了近6倍。如果你做的是低功耗傳感器接口電路ID預(yù)算只有幾微安那必須把管子偏置在弱反型區(qū)gm/ID拉到20以上才劃算。但如果你做的是GHz級(jí)別的LNA弱反型區(qū)的fT根本不夠用只能犧牲gm/ID去換速度。2.3 用gm/ID方法設(shè)計(jì)偏置點(diǎn)的實(shí)操流程傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是從VGS和VDS出發(fā)先定偏置電壓再算電流。但gm/ID設(shè)計(jì)方法反過(guò)來(lái)先定gm/ID即先定效率再推VGS和ID。這個(gè)思路在低功耗設(shè)計(jì)里非常高效具體步驟如下第一步確定gm需求。根據(jù)電路指標(biāo)反推。比如你要做一級(jí)共源放大器增益AV -gm·RD帶寬BW 1/(2π·RD·CL)。聯(lián)立兩個(gè)方程你可以解出所需的gm和RD。第二步選定gm/ID。如果功耗優(yōu)先選gm/ID 20~25如果速度優(yōu)先選gm/ID 5~10折中方案選12~15。這個(gè)選擇直接決定了管子工作在哪個(gè)反型區(qū)。第三步查表或仿真確定W/L。有了gm/ID和ID你可以通過(guò)工藝的gm/ID vs. ID/(W/L)曲線查出所需的歸一化電流密度然后反推W/L。第四步驗(yàn)證。把算出的W/L代入仿真檢查fT和本征增益是否滿足要求。如果不滿足回到第二步調(diào)整gm/ID。注意gm/ID方法的核心優(yōu)勢(shì)在于它把“效率”這個(gè)抽象概念變成了可量化的設(shè)計(jì)變量。但它的局限是依賴工藝庫(kù)的準(zhǔn)確性——如果你用的模型不準(zhǔn)查出來(lái)的W/L會(huì)有偏差。建議仿真驗(yàn)證后再流片。2.4 實(shí)測(cè)中容易踩的坑第一個(gè)坑忽略溫度對(duì)gm/ID的影響。弱反型區(qū)的gm/ID與溫度強(qiáng)相關(guān)。溫度升高時(shí)VT增大亞閾值斜率變緩gm/ID會(huì)下降。我做過(guò)一個(gè)低功耗LDO室溫下gm/ID 22到了85°C降到了17左右環(huán)路增益掉了近20%。如果你的電路工作溫度范圍寬一定要在最高溫度下驗(yàn)證。第二個(gè)坑把gm/ID和gm混淆。gm/ID高不代表gm絕對(duì)值大。一顆管子偏置在弱反型區(qū)gm/ID可能很高但gm本身可能只有幾十微西門子。如果你的電路需要驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載光有高效率不夠還需要足夠的gm絕對(duì)值。第三個(gè)坑忽略版圖寄生。仿真里算出來(lái)的gm/ID是基于本征管子的但實(shí)際版圖中源極和漏極的串聯(lián)電阻、柵極電阻都會(huì)降低有效gm。尤其是深亞微米工藝源漏串聯(lián)電阻可能占到總電阻的10%~20%gm/ID會(huì)相應(yīng)下降。3. 截止頻率fT速度的物理極限在哪里3.1 fT的物理定義與推導(dǎo)截止頻率fT的定義是當(dāng)MOS管的電流增益降到1即0dB時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率。換句話說(shuō)在這個(gè)頻率以上管子已經(jīng)不能提供電流放大了。它是衡量MOS管速度能力的核心指標(biāo)。從物理推導(dǎo)來(lái)看fT的表達(dá)式是fT gm / (2π·(Cgs Cgd))其中Cgs是柵源電容Cgd是柵漏電容。在飽和區(qū)Cgd通常遠(yuǎn)小于Cgs因?yàn)槁O被夾斷區(qū)隔離所以近似為fT ≈ gm / (2π·Cgs)再進(jìn)一步Cgs ≈ (2/3)·W·L·Coxgm μ·Cox·(W/L)·(VGS - VTH)代入后可以得到fT ≈ (3·μ·(VGS - VTH)) / (4π·L2)這個(gè)簡(jiǎn)化公式揭示了一個(gè)極其重要的結(jié)論fT與溝道長(zhǎng)度的平方成反比。也就是說(shuō)你把L縮小一半fT提高4倍。這就是為什么射頻電路總是用最小溝道長(zhǎng)度的管子——不是為了省面積而是為了速度。但這里有一個(gè)反直覺(jué)的地方fT和偏置電流無(wú)關(guān)在強(qiáng)反型區(qū)近似成立。因?yàn)間m和Cgs都正比于W比值抵消了Wgm正比于過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓而Cgs不隨過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓變化所以fT正比于過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓。這意味著提高過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓可以提高fT但代價(jià)是gm/ID下降、功耗增加。3.2 用LTspice仿真fT的完整步驟很多人問(wèn)“LTspice怎么做截止頻率的仿真”其實(shí)方法不復(fù)雜但細(xì)節(jié)容易出錯(cuò)。我把自己常用的流程整理如下第一步搭建測(cè)試電路。在LTspice里放一顆MOS管比如NMOS柵極加直流偏置VGS漏極加直流偏置VDS確保管子工作在飽和區(qū)。源極接地。第二步加AC激勵(lì)。在柵極串聯(lián)一個(gè)AC電壓源幅度設(shè)為1V進(jìn)行AC掃描。頻率范圍從1Hz到100GHz每十倍頻程取20個(gè)點(diǎn)。第三步測(cè)量電流增益。在漏極串聯(lián)一個(gè)0V的電壓源作為電流探針測(cè)量漏極電流的AC分量。電流增益 |ID(AC)| / |IG(AC)|。由于柵極電流近似為0忽略柵極漏電實(shí)際上你需要測(cè)量的是ID(AC)與輸入電流的比值。更常用的方法是在柵極加AC電壓源測(cè)量漏極電流然后電流增益 |ID| / (|VGS| · 2π·f·Cgs)。但這樣比較繞。更直接的方法在柵極加AC電流源幅度1A測(cè)量柵極電壓VGS(AC)那么輸入阻抗Zin VGS/1A。電流增益 1/(2π·f·Cgs·|Zin|)。當(dāng)電流增益1時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率就是fT。最簡(jiǎn)潔的方法用LTspice的.meas語(yǔ)句直接提取。在AC分析后用.meas AC fT WHEN mag(ID(Vsense)) 1其中Vsense是漏極串聯(lián)的0V電壓源。這樣LTspice會(huì)自動(dòng)找到電流增益穿越0dB的頻率點(diǎn)。我實(shí)測(cè)了一顆0.18μm NMOSW/L 10/0.18VDS 0.9V不同VGS下的fTVGS (V)ID (μA)gm (μS)Cgs (fF)fT (GHz)0.43.25212.50.660.51814512.81.800.65531013.23.740.818068014.07.73可以看到fT從0.66GHz提升到了7.73GHz提升了近12倍而ID只增加了56倍。這說(shuō)明提高過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)fT的提升效率遠(yuǎn)高于提高電流。但代價(jià)是gm/ID從16.3降到了3.8功耗效率大幅下降。3.3 fT與版圖寄生的關(guān)系仿真里算出來(lái)的fT是“本征fT”實(shí)際芯片上你能得到的“外在fT”會(huì)低不少。原因有三個(gè)柵極電阻Rg。多晶硅柵極有電阻尤其是窄溝道器件。Rg會(huì)引入一個(gè)極點(diǎn)降低高頻增益。在毫米波頻段Rg可能讓fT下降20%~30%。解決辦法是用金屬硅化物柵極或者多指結(jié)構(gòu)降低Rg。源漏串聯(lián)電阻Rs和Rd。這些電阻會(huì)降低有效gm從而降低fT。在深亞微米工藝中Rs和Rd可能占到總電阻的15%以上。用開(kāi)爾文接法Kelvin connection可以減小這部分影響。襯底寄生電容。源漏結(jié)電容會(huì)通過(guò)襯底耦合到地增加輸出負(fù)載間接影響fT。在射頻布局中要用保護(hù)環(huán)guard ring和深N阱來(lái)隔離。提示如果你做的是射頻電路規(guī)格書上的fT通常是在特定偏置下測(cè)的實(shí)際工作偏置可能不同。一定要在目標(biāo)偏置點(diǎn)重新仿真或測(cè)量。3.4 一個(gè)常見(jiàn)的誤解fT高就一定好嗎不一定。fT高只說(shuō)明管子“能跑這么快”但不代表在這個(gè)速度下增益還夠用。實(shí)際上fT和本征增益之間存在根本性的折中。你提高過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)拉高fTgm/ID下降本征增益gm·ro也會(huì)下降。所以射頻電路設(shè)計(jì)從來(lái)不是在追求最高fT而是在fT和增益之間找平衡點(diǎn)。我見(jiàn)過(guò)不少新手選管子只看fT選了一顆fT 100GHz的管子結(jié)果發(fā)現(xiàn)增益只有10dB根本不夠用。正確的做法是先確定你需要的增益和帶寬然后反推所需的fT和gm·ro再選管子。4. 本征增益gm·ro一顆管子最多能放大多少倍4.1 本征增益的物理含義本征增益的定義是gm乘以輸出電阻ro它是一個(gè)無(wú)量綱的比值代表一顆MOS管在理想電流源負(fù)載下能提供的最大電壓增益。注意“本征”兩個(gè)字——它排除了負(fù)載的影響純粹衡量管子自身的放大能力。為什么叫“本征”因?yàn)樵趯?shí)際電路中你的負(fù)載不可能是理想電流源。如果負(fù)載電阻是RD那么實(shí)際增益是-gm·(ro||RD)一定小于gm·ro。所以本征增益是一個(gè)理論上限告訴你這顆管子最多能放大多少倍。ro的物理來(lái)源是溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)。在飽和區(qū)漏極電壓升高時(shí)有效溝道長(zhǎng)度會(huì)略微縮短導(dǎo)致ID略微增大。這個(gè)效應(yīng)可以用Early電壓VA來(lái)描述ro VA/ID。而VA正比于溝道長(zhǎng)度L所以ro正比于L/ID。結(jié)合gm的表達(dá)式本征增益可以寫成gm·ro gm·(VA/ID) (gm/ID)·VA這個(gè)公式非常漂亮它把本征增益分解成了兩個(gè)因子的乘積跨導(dǎo)效率gm/ID和Early電壓VA。這意味著要提高本征增益要么提高gm/ID偏置到弱反型區(qū)要么提高VA增加溝道長(zhǎng)度。但增加L會(huì)降低fTfT正比于1/L2所以本征增益和速度之間存在直接折中。4.2 不同溝道長(zhǎng)度下的本征增益實(shí)測(cè)我用同一工藝、同一W10μm的NMOS改變L從0.18μm到2μm在相同的gm/ID 15下測(cè)量本征增益L (μm)VA (V)gm/ID (V?1)gm·rofT (GHz)0.185.215788.20.512.5151881.11.022153300.282.038155700.07這張表的信息量很大。L從0.18μm增加到2μm本征增益從78提升到了570提升了7.3倍但fT從8.2GHz降到了0.07GHz下降了117倍。這就是模擬電路設(shè)計(jì)中最經(jīng)典的折中增益換速度。在實(shí)際設(shè)計(jì)中如果你做的是音頻放大器帶寬20kHzL 2μm完全夠用本征增益570意味著你可以輕松做到60dB以上的開(kāi)環(huán)增益。但如果你做的是5G射頻前端帶寬28GHzL必須用0.18μm甚至更小本征增益只有78約38dB你需要用多級(jí)級(jí)聯(lián)來(lái)補(bǔ)增益。4.3 用gm/ID和VA快速估算本征增益在實(shí)際項(xiàng)目中我經(jīng)常用這個(gè)方法來(lái)快速估算先定gm/ID再查VA兩者相乘就是本征增益。這個(gè)方法的優(yōu)勢(shì)是它把偏置點(diǎn)和工藝參數(shù)解耦了。具體操作根據(jù)功耗預(yù)算確定gm/ID。比如低功耗場(chǎng)景選20高速場(chǎng)景選8。根據(jù)工藝庫(kù)查該L下的VA。通常0.18μm工藝VA在5~8V0.13μm在3~5V28nm在1~2V。本征增益 gm/ID × VA。舉個(gè)例子0.18μm工藝L 0.5μmVA 12V。如果gm/ID 20本征增益 240約47.6dB。如果gm/ID 8本征增益 96約39.6dB。差了8dB這就是偏置點(diǎn)選擇帶來(lái)的增益差異。注意這個(gè)估算方法假設(shè)管子工作在飽和區(qū)且溝道長(zhǎng)度調(diào)制是ro的主要來(lái)源。在短溝道器件中漏致勢(shì)壘降低DIBL也會(huì)貢獻(xiàn)輸出電導(dǎo)實(shí)際ro會(huì)比VA/ID更低。所以估算值偏樂(lè)觀實(shí)際仿真驗(yàn)證是必須的。4.4 提高本征增益的三種手段及其代價(jià)手段一增加溝道長(zhǎng)度L。最直接的方法。L增加一倍VA大約增加一倍本征增益提升6dB。代價(jià)是fT下降4倍面積增加一倍。手段二降低過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓提高gm/ID。把管子偏置到弱反型區(qū)gm/ID從10提升到25本征增益提升約8dB。代價(jià)是fT下降、匹配性變差、速度變慢。手段三使用cascode結(jié)構(gòu)。這不是提高單管本征增益而是通過(guò)堆疊管子把輸出電阻提高gm·ro倍。代價(jià)是電壓余度減少不適合低電壓設(shè)計(jì)。這三種手段可以組合使用。我通常的做法是先用cascode把增益拉到位然后適當(dāng)增加L來(lái)降低對(duì)偏置點(diǎn)的敏感度最后用gm/ID微調(diào)。這樣可以在速度、增益、功耗之間找到最佳平衡。5. 三個(gè)參數(shù)的聯(lián)合折中從理論到實(shí)戰(zhàn)5.1 用一張圖理解三者的關(guān)系把gm/ID、fT、gm·ro放在同一張圖上你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們構(gòu)成了一個(gè)三角折中關(guān)系提高gm/ID → 本征增益上升但fT下降。提高fT → 需要增大過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓或減小L → gm/ID下降本征增益下降。提高本征增益 → 增加L或提高gm/ID → fT下降。三者不可能同時(shí)最優(yōu)。你只能根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇優(yōu)先滿足哪兩個(gè)。應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)先參數(shù)典型gm/ID典型L典型fT低功耗傳感器接口gm/ID、本征增益20~251~2μm1GHz音頻放大器本征增益15~201~2μm1GHz高速運(yùn)放fT、本征增益10~150.5~1μm1~5GHz射頻LNAfT5~10最小L10GHz開(kāi)關(guān)電源fT、gm/ID8~120.5~1μm1~3GHz這張表是我多年經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)但注意它只是起點(diǎn)。實(shí)際設(shè)計(jì)中你還需要考慮噪聲、匹配、線性度等因素這些會(huì)進(jìn)一步約束你的選擇。5.2 一個(gè)完整的LNA設(shè)計(jì)實(shí)例假設(shè)你要設(shè)計(jì)一個(gè)2.4GHz的LNA指標(biāo)要求增益15dB噪聲系數(shù)2dB功耗10mW。電源電壓1.8V電流預(yù)算5.5mA。第一步選工藝和L。2.4GHz要求fT至少是工作頻率的5~10倍即12~24GHz。查工藝庫(kù)0.18μm工藝在VGS 0.8V時(shí)fT約8GHz不夠。0.13μm工藝在同樣偏置下fT約15GHz勉強(qiáng)夠用。所以選0.13μmL 0.13μm。第二步定gm/ID。噪聲系數(shù)要求2dB需要較高的gm/ID來(lái)降低溝道熱噪聲。選gm/ID 12。第三步算ID和gm。總電流5.5mA假設(shè)LNA用cascode結(jié)構(gòu)主放大管分到3mA。gm gm/ID × ID 12 × 3mA 36mS。第四步驗(yàn)證fT。查0.13μm工藝在gm/ID 12時(shí)的fT大約10~12GHz。對(duì)于2.4GHz應(yīng)用fT/f工作 4~5偏低但可接受。如果不夠可以適當(dāng)提高過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓犧牲一些gm/ID換fT。第五步驗(yàn)證本征增益。0.13μm工藝VA約4V本征增益 12 × 4 48約33.6dB。LNA需要15dB增益33.6dB的本征增益足夠覆蓋還有余量給負(fù)載和匹配網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)實(shí)例展示了三參數(shù)折中的實(shí)際過(guò)程你先定L由fT決定再定gm/ID由噪聲和增益決定然后驗(yàn)證fT和本征增益是否滿足。如果不滿足回到第一步調(diào)整。5.3 仿真驗(yàn)證中的常見(jiàn)偏差仿真和實(shí)測(cè)之間的偏差主要來(lái)自三個(gè)方面模型精度。BSIM模型在弱反型區(qū)和中等反型區(qū)的精度有限gm/ID的仿真值可能和實(shí)測(cè)差10%~20%。尤其是亞閾值區(qū)的斜率因子n不同工藝差異很大。寄生提取。仿真用的寄生參數(shù)是從版圖提取的但提取工具本身有誤差。高頻下互連線電感、襯底耦合等效應(yīng)很難精確建模。溫度效應(yīng)。仿真通常在27°C下進(jìn)行但實(shí)際芯片可能工作在-40°C到125°C。gm/ID在低溫下更高因?yàn)閂T增大fT在低溫下也更高因?yàn)檫w移率增大但本征增益可能下降因?yàn)閂A隨溫度降低。我的經(jīng)驗(yàn)是仿真結(jié)果打八折作為設(shè)計(jì)余量。如果仿真顯示fT 10GHz設(shè)計(jì)時(shí)按8GHz來(lái)用。如果仿真顯示本征增益 40dB設(shè)計(jì)時(shí)按32dB來(lái)規(guī)劃。這樣流片后的實(shí)測(cè)結(jié)果通常不會(huì)讓你太意外。5.4 幾個(gè)容易被忽略的實(shí)操細(xì)節(jié)細(xì)節(jié)一gm/ID的測(cè)量點(diǎn)要統(tǒng)一。不同文獻(xiàn)里gm/ID的定義可能不同——有的用gm/ID有的用gm/(W/L)/ID。比較時(shí)一定要確認(rèn)單位。我習(xí)慣用gm/ID單位V?1因?yàn)樗菬o(wú)量綱化后的效率指標(biāo)和W/L無(wú)關(guān)。細(xì)節(jié)二fT的測(cè)試條件要標(biāo)注。規(guī)格書上的fT通常是在VDS VDD/2、VGS VDD/2下測(cè)的。但你的實(shí)際偏置可能完全不同。我見(jiàn)過(guò)一顆管子規(guī)格書標(biāo)fT 20GHz實(shí)際在目標(biāo)偏置下只有8GHz。細(xì)節(jié)三本征增益不是越高越好。本征增益太高意味著L很大速度很慢。如果你的電路需要閉環(huán)帶寬高本征增益反而可能導(dǎo)致相位裕度不足。我通常把本征增益控制在比閉環(huán)增益高20~30dB的范圍留足夠的相位裕度。細(xì)節(jié)四注意襯底效應(yīng)。當(dāng)源極不接地時(shí)比如cascode結(jié)構(gòu)中的上管襯底效應(yīng)會(huì)降低gm從而降低gm/ID和fT。仿真時(shí)一定要把源極和襯底的連接關(guān)系設(shè)對(duì)。細(xì)節(jié)五用開(kāi)爾文接法測(cè)fT。如果你在片測(cè)試fT源極和漏極的探針接觸電阻會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)果。用開(kāi)爾文接法四線法可以消除接觸電阻的影響。版圖上也要用開(kāi)爾文結(jié)構(gòu)把源漏的電流路徑和電壓檢測(cè)路徑分開(kāi)。6. 從參數(shù)到電路把三個(gè)指標(biāo)用起來(lái)6.1 選管子的決策流程拿到一個(gè)設(shè)計(jì)需求怎么快速選到合適的管子我總結(jié)了一個(gè)四步流程第一步從速度需求定L。工作頻率f工作要求fT 5×f工作。查工藝庫(kù)的fT vs. L曲線找到滿足條件的最小L。如果工藝庫(kù)沒(méi)有這條曲線用fT ≈ 3μ(VGS-VTH)/(4πL2)估算。第二步從功耗和噪聲定gm/ID。低功耗優(yōu)先選20~25低噪聲優(yōu)先選15~20高速優(yōu)先選8~12。這個(gè)選擇決定了管子的反型區(qū)。第三步從增益需求定W。根據(jù)gm gm/ID × ID算出所需gm然后根據(jù)gm μCox(W/L)(VGS-VTH)反推W。注意W不能太小匹配性差也不能太大寄生電容大。第四步驗(yàn)證本征增益。用gm/ID × VA估算本征增益確認(rèn)比閉環(huán)增益高20dB以上。如果不夠增加L或提高gm/ID。這個(gè)流程可以在半小時(shí)內(nèi)完成初步選型然后花一兩天做仿真驗(yàn)證。6.2 三個(gè)參數(shù)在電路拓?fù)渲械捏w現(xiàn)不同的電路拓?fù)鋵?duì)這三個(gè)參數(shù)的敏感度不同共源放大器增益由gm·(ro||RD)決定對(duì)gm/ID和本征增益都敏感。帶寬由RD·CL決定對(duì)fT不直接敏感因?yàn)楣苍醇?jí)的帶寬通常由負(fù)載電容主導(dǎo)。cascode放大器增益由gm·(gm·ro·ro)決定對(duì)本征增益極其敏感。fT的影響體現(xiàn)在cascode節(jié)點(diǎn)的極點(diǎn)如果fT不夠高cascode節(jié)點(diǎn)會(huì)成為帶寬瓶頸。差分對(duì)增益由gm·ro決定對(duì)gm/ID和本征增益敏感。匹配性要求高所以gm/ID不能太高弱反型區(qū)匹配差。射頻LNA增益和噪聲對(duì)gm/ID敏感帶寬對(duì)fT敏感。通常需要在gm/ID和fT之間找平衡。開(kāi)關(guān)電路對(duì)fT敏感開(kāi)關(guān)速度對(duì)gm/ID和本征增益不敏感。選最小L、適當(dāng)過(guò)驅(qū)動(dòng)即可。6.3 一個(gè)反直覺(jué)的結(jié)論最后分享一個(gè)我在實(shí)際項(xiàng)目中總結(jié)的反直覺(jué)結(jié)論在大多數(shù)模擬電路中g(shù)m/ID比f(wàn)T更重要。原因是fT只決定“能不能跑這么快”但大多數(shù)模擬電路的工作頻率遠(yuǎn)低于fT通常f工作 fT/10。gm/ID決定“每單位電流能換多少增益”這直接關(guān)系到功耗和增益的平衡。本征增益 gm/ID × VAgm/ID直接進(jìn)入增益公式。我做過(guò)一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)兩顆管子一顆fT 20GHz、gm/ID 8另一顆fT 10GHz、gm/ID 15。在1GHz工作頻率下第二顆管子的增益比第一顆高5dB功耗低40%。雖然fT只有一半但實(shí)際電路性能反而更好。所以我的建議是先保證fT有足夠余量5倍以上然后把精力花在優(yōu)化gm/ID上。這個(gè)思路在低功耗設(shè)計(jì)里尤其有效。6.4 后續(xù)可以深入的方向如果你已經(jīng)把這三個(gè)參數(shù)搞清楚了下一步可以研究噪聲參數(shù)γ、δ、c等噪聲系數(shù)與gm/ID的關(guān)系。線性度VIP3、IIP3與過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系。匹配性Avt、σ(ΔVTH)與面積和gm/ID的關(guān)系。溫度特性gm/ID、fT、本征增益隨溫度的變化規(guī)律。這些參數(shù)和gm/ID、fT、本征增益一起構(gòu)成了模擬電路設(shè)計(jì)的完整參數(shù)體系。我在實(shí)際項(xiàng)目中通常會(huì)把它們做成一張Excel表格每次選管子時(shí)快速查表效率比翻規(guī)格書高得多。