差分放大器中的不匹配效應(yīng)及消除方法

1 差分放大器性能
    差分放大器的目的是抑制共模輸出，增大差模輸出。期望差模輸出電壓隨差模輸入電壓的變化而成比例變化。任意信號(hào)中的共模輸入部分在電路中必須受到抑制。在理想對(duì)稱的差分放大器中，每邊的輸出值都等于另外一邊的輸出值。當(dāng)Vi1=－Vi2時(shí)，有Vo1=-Vo2，此時(shí)放大器是理想對(duì)稱的。換言之，當(dāng)輸入是理想的差模電壓(Vic=0)時(shí)，輸出也是純粹的差模形式的電壓(Voc=0)，因此Adm-cm=0。類似的，當(dāng)只輸入共模電壓(Vid=0)時(shí)，Acm-dm=0。但是，即使在理想對(duì)稱的差分放大器中，也不可能做到Acm=0。何況，即使標(biāo)稱相同的器件也會(huì)因?yàn)橹圃旃に嚨脑?，存在有限的不匹?失配)。因此非理想差分放大器本身還存在不匹配現(xiàn)象。
    差分放大器性能的一個(gè)重要方面就是所能檢測(cè)到的最小直流和交流差模電壓。放大器的不匹配效應(yīng)和溫漂都在輸出端產(chǎn)生了難以區(qū)分的直流差模電壓。同樣，不匹配效應(yīng)和溫漂會(huì)使非零的共模輸入一差模輸出增益非零的差模輸入一共模輸出增益增大。非零的Acm-dm對(duì)于放大器尤其重要，因?yàn)樗鼘⒐材］斎腚妷恨D(zhuǎn)換為差模輸出電壓，但在下一級(jí)輸入時(shí)，卻被當(dāng)作差模電壓信號(hào)。
    如圖1所示，當(dāng)Vin=0，且完全對(duì)稱，Vout=0，但在失配存在的情況下，Vout≠0。對(duì)于差分放大器來說，不匹配效應(yīng)對(duì)直流性能的影響主要在兩個(gè)方面：輸人失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流，這兩個(gè)參量描述了差分放大器中直流性能的一些輸入?yún)⒖夹?yīng)。如圖2所示，一個(gè)匹配的放大器的直流特性和一個(gè)失調(diào)電壓源串聯(lián)在輸入端、失調(diào)電流源并聯(lián)在輸入端的時(shí)理想放大器的直流特性完全一致。只有當(dāng)這兩個(gè)參量都存在的情況下，失調(diào)模型才是正確的。

2 工藝消除失配
    將處在飽和區(qū)的MOS管的特性表述為：1/2μCoxW/L(VGS-VTH)2。對(duì)于兩個(gè)標(biāo)稱相同的晶體管，μ,Cox，W，L以及VTH之間的失配導(dǎo)致了漏極電流的失配(VGS固定)或柵源電壓的失配(漏極電流固定)。直觀上可以認(rèn)為，隨著W與L的增加，他們的相對(duì)失配，△W／W與△L／L會(huì)分別減小，也就是越大的器件表現(xiàn)出越小的失配。一個(gè)更重要的觀察結(jié)果是，隨著晶體管面積(W／L)的增加，所有的失配都減小。例如，增大W會(huì)使△W／W與△L／L都減小。這是因?yàn)殡S著WL，的增加，隨機(jī)變化經(jīng)歷更大的“求平均”過程，因此其幅值下降了。對(duì)于圖3所示的情況，有△L2<△L1。這是因?yàn)?，如果該器件被看成許多小晶體管的并聯(lián)，如圖3所示，若每一個(gè)寬度為W0，那么可以得出等效長(zhǎng)度為：

   
式中：△L0是寬為W0的晶體管長(zhǎng)度變化的統(tǒng)計(jì)值。等式表明，對(duì)于給定的W0，隨著n的增加，Leq的變化減小，如圖4所示。

    上述結(jié)論也可以擴(kuò)展到其他器件參數(shù)。例如，假定：器件面積增加，μCox與VTH有更小的失配。如圖5所示，理由是，大尺寸晶體管可以分解為寬長(zhǎng)分別為W0和L0小單元晶體管的串并聯(lián)。其中，每個(gè)單元都呈現(xiàn)出(μCox)j與VTHj。對(duì)于給定的W0與L0，μCox與VTH經(jīng)歷更大的平均過程，致使大尺寸晶體管之間的失配更小。

3 版圖方法減少失配
    針對(duì)電路設(shè)計(jì)中，特別是全差動(dòng)電路中的不對(duì)稱而產(chǎn)生的電路失調(diào)，盡管有些失配是不可避免的，但是在版圖設(shè)計(jì)中，可通過器件對(duì)稱設(shè)計(jì)，使晶體管方面優(yōu)化，對(duì)所關(guān)心的器件及周圍環(huán)境進(jìn)行對(duì)稱性設(shè)計(jì)，盡量減少因工藝制造原理而引起的失配。
    如圖6(a)所示，如果兩個(gè)MOS管按圖6(b)那樣沿不同方法放置，由于在光刻及圓片加工的許多步驟中沿不同軸向的特性大不一樣，就會(huì)產(chǎn)生很大失配。因而圖6(c)和(d)的方案更合理一些。這兩者的選擇是由一種稱作“柵陰影”的細(xì)微效應(yīng)決定的。

    如圖7(b)所示，為了避免溝道效應(yīng)，通常在源一漏離子注入時(shí)把注入方向(或圓片方向)傾斜7°左右，這樣?xùn)艠O多晶硅就會(huì)阻擋一部份離子，形成陰影區(qū)。結(jié)果，在源區(qū)或漏區(qū)就有一條窄區(qū)，它接收的注入較小，因而在注入退火之后，使源區(qū)和漏區(qū)邊緣的擴(kuò)散產(chǎn)生了細(xì)微的不對(duì)稱。

    圖7(a)給出考慮有柵陰影存在時(shí)的結(jié)構(gòu)圖，在圖中，如果陰影區(qū)出現(xiàn)在源區(qū)(或漏區(qū))，那么這兩個(gè)器件不會(huì)因陰影導(dǎo)致不對(duì)稱。在圖中，即使標(biāo)出了這兩個(gè)管子在陰影區(qū)的源(或漏)極，這兩個(gè)MOS管也不一樣，這是因?yàn)镸1管源區(qū)的右邊是M2管，而M2管源區(qū)的右邊是場(chǎng)氧。同樣，M1和M2左邊的結(jié)構(gòu)也不一樣。就是說在制造過程中，M1和M2周圍的工藝步驟不一致。因此圖8所示的結(jié)構(gòu)更好。
    圖8所示結(jié)構(gòu)固有的不對(duì)稱性可以通過在晶體管兩邊加兩個(gè)虛擬MOS管的方法加以改進(jìn)，因?yàn)檫@可以使M1和M2管周圍的環(huán)境幾乎相同，如圖9所示。

    同時(shí)，在對(duì)稱軸的兩邊保持相同環(huán)境也很重要。例如，在版圖中，只有一個(gè)MOS管旁邊有一條無關(guān)的金屬線通過，這會(huì)降低對(duì)稱性，增大M1和M2之間的失配。在這種情況下，也可以在另一邊放置一條相同的金屬線(見圖10)，最好的辦法就是去掉引起不對(duì)稱的金屬線。

    對(duì)于大的晶體管，對(duì)稱性就變得更困難了。例如，在圖11所示的差分對(duì)中，為使輸人失調(diào)電壓較小，這兩個(gè)晶體管的寬度都比較大，但沿x軸方向的梯度會(huì)引起明顯的失配。為了減小失配，可以采用“共中心”的布局方法。這樣沿x軸和y軸方向的一階梯度效應(yīng)就會(huì)互相抵消。如圖12所示，這種布局把M1和M2都分成兩個(gè)寬度為原來50％的晶體管，沿對(duì)角放置且并聯(lián)連接。然而，在版圖上布線很困難，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致如圖13所示的系統(tǒng)不對(duì)稱，或者線對(duì)地電容及線間電容的不同而引起整體不對(duì)稱。對(duì)于規(guī)模大一點(diǎn)的電路，如運(yùn)放，則引走線可能過于復(fù)雜而無法實(shí)現(xiàn)。

    線性梯度效應(yīng)，也可像圖12所示，通過“一維”交叉耦合的辦法得到抑制。這里，所有四個(gè)寬度為50％的晶體管一字排開，M1和M2可由相鄰兩個(gè)晶體管與相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)晶體管分別相連構(gòu)成，也可由兩組相間隔的晶體管分別相連構(gòu)成。
    為分析該結(jié)構(gòu)中的梯度效應(yīng)，假設(shè)每?jī)蓚€(gè)相鄰的半寬晶體管之間的柵氧電容變化為△Cox。將M1a和M4a并聯(lián)，得到：

    因此，這種類型的交叉耦合抵消了梯度效應(yīng)的影響。若用圖13所示的組合可得：

    式(4)和式(5)顯示，圖13所示的方法消除誤差的能力較差。

4 結(jié) 語
    針對(duì)CMOS差動(dòng)放大器晶體管的不匹配，從理論上深刻分析其不匹配原因，介紹電路設(shè)計(jì)方法和版圖設(shè)計(jì)方法進(jìn)行失調(diào)電壓的消除，并對(duì)所提出的電路技術(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，能夠達(dá)到降低失調(diào)電壓的效果。