2 高带宽高增益衬底驱动跨导运算放大器
在不使用昂贵的低VT的晶体管的前提下下，许多关于低电源电压设计的技术已经发展起来，例如衬底驱动技术，浮栅技术，准浮栅技术和自级联技术等[5]。
1.2低电源电压模拟集成电路主要技术
1.21 浮栅技术
目前，浮栅MOS管广泛应用于存储器中，由于其阈值电压可调，也正逐渐被应用于低压模拟集成电路中。浮栅MOS管有两层栅：浮栅和控制栅，其中浮栅悬浮于两层介质之间，其上储存着电荷，由于SiO2介质有着良好的绝缘性能，所以这些电荷放电及其缓慢。浮栅的电压由控制栅通过电容耦合进行控制，通过改变控制栅的电压可以实现对阈值电压大小的调整，因此，浮栅技术成为低压设计的一种可选方法。但是，这种技术需要制作浮栅，工艺极为复杂，传统工艺下无法实现，造成了电路成本的提高[5]。另外，浮栅MOS管输出阻抗较低，只能实现低增益的电路结构，这些都限制了浮栅技术在低压下的应用[6]。 1.22 准浮栅技术
基于浮栅技术，Angulo等提出了准浮栅技术，准浮栅晶体管同浮栅晶体管的结构非常类似，所不同的是准浮栅NMOS（PMOS）晶体管通过一个阻值非常大的上（下）拉电阻直接把浮栅接到电源VDD（GND）上，从而解决了浮栅上的初始电荷问题。而且其工艺与标准CMOS兼容，因此，准浮栅技术也是实现低压模拟集成电路设计的一种有效方法[7]。 1.23 衬底驱动技术
衬底驱动技术可以与现有工艺兼容，将成为低压设计的一种很重要的方法[8]。在衬底驱动技术中，如果栅极偏置能够恰好使MOSFET导通，信号可以在加在MOSFET的衬底和源之间，并以此来调制漏到源的电流[9]。很明显，放大器的动态范围变大了，这是因为阈值电压与衬底没有关系，这就可以使放大器在低电压下工作[10]。这种技术受工艺影响较小，比如扩散深度和掺杂浓度。最大的优点是此时的MOS管体现了耗尽型特性，即允许在零或负的偏置电压下得到需要的直流电流，产生较大的输入共模范围。但是衬底驱动技术的主要问题是衬底跨导，
第一章 绪论 3
衬底跨导gmb小于栅跨导gm。跨导的不足会影响放大器的性能，例如单位增益带宽（GBW），开环增益，输入参考噪声等等[3]。
1.3本文的主要工作和内容安排
本文目的就是在通过文献调研，了解模拟IC技术的发展，对衬底驱动技术进行介绍与分析，分析运算放大器的各类指标参数，基于SMIC 0.18μm CMOS工艺，设计工作在1.8V电源电压下，直流开环增益不低于80dB，单位增益带宽不低于10MHz的高带宽高增益衬底驱动跨导运算放大器。
本文共分五章，每章内容如下：
第一章，绪论。介绍了课题的研究背景，国内外发展及研究现状，相关的技术解决方案，确定了课题研究的内容和目标，讲述了本文完成的主要工作。
第二章，介绍了衬底驱动技术的基本原理，衬底驱动MOSFET的特性分析。 第三章，介绍典型运放结构和主要性能指标，并且分析对比不同结构的运放实现电路，并且提出和分析本文设计的放大器电路。
第四章，本章结合第四章中提出的本文所设计的运放电路结构，基于SMIC 0.18um CMOS工艺，使用Cadence Spectre软件，在1.8V电源电压下对电路进行仿真验证，并且实现了不同工艺角下的AC特性仿真。
第五章，总结本文工作。
4 高带宽高增益衬底驱动跨导运算放大器
第二章 衬底驱动技术的基本原理及特性分析 5
第二章 衬底驱动技术的基本原理及特性分析
随着CMOS工艺的发展，晶体管的特征尺寸不断减小，一方面促使特征频率、集成度不断提高，另一方面使得击穿电压和可靠性不断降低，功耗不断增加。随着集成度的提高，功耗问题已经不只存在于可移动电子设备的设计中，集成电路的设计同样面临着功耗和散热问题。常规解决方法是降低工作电压。对移动便携设备的大量需求和CMOS工艺特征尺寸的不断减小，共同促使IC电源电压不断降低。目前，IC技术的发展趋势是标准CMOS工艺实现的数模混合电路的电源电压为1V甚至更低。但是由于亚阈值导通的影响，标准CMOS工艺中的阈值电压不会比深亚微米工艺的阈值电压有较大的下降，因此电路电源电压的降低将受到阈值电压的限制[11]。
解决这一限制的低压设计方法主要有浮栅技术和衬底驱动技术[12]。衬底驱动技术可以与现有工艺兼容，是低压设计的一种很重要的方法。在栅源之间加以足够大的固定电压(VGS)以在栅下形成导电沟道，而信号加在衬底端(即Bulk端)和源端之间，这样就避开了信号通路上阈值电压的限制，非常小的衬底端与源端电压(VBS)就可以用来调制沟道电流，因此，衬底驱动技术也非常适合于低压应用。但是，衬底驱动管有着跨导较小，等效输入噪声较大以及可用于衬底驱动的MOSFET与工艺有关等缺点。
2.1衬底驱动MOSFET的工作原理
传统的MOSFET通道的传导，漏电流会受到栅源电压的控制。衬源电压也会影响漏电流ID，通常是个寄生的影响，会引入不期望的退化信号路径。但是如果我们使偏移电压为常数，并且在衬底上加一个信号源，我们就会得到一个工作方式类似于类似JFET的衬底驱动MOSFET[13]。晶体管栅极下方的反型层是由有效栅源偏置电压决定，沟道电流可由体源结电势（VBS）调制。这一工作方式消除了栅驱动的MOSFET的阈值电压限制，只要体源pn结寄生的横向和垂直的BJT不完全开启，体源pn结无论是反偏，零偏还是轻微正偏，都可以作为一个高阻节点工作[3]。我们获得的JFET晶体管如图2.1所示。可以发现我们在信号路径上使用了gmb代替了gm，而前者要比后者小得多，而且输入电容是（Cbd+Cbs），而不
6 高带宽高增益衬底驱动跨导运算放大器
是（Cgs+Cgd）。
IbVoutVbVinM1IbVoutM1Vin
图2.1 衬底驱动MOSFET类似于JFET晶体管
衬底驱动技术只能用于有单阱的MOSFET，工作原理类似于结型场效应晶体管[14]。图2.2显示了p阱衬底驱动NMOS管的截面图，图2.2中NMOS管的栅源之间加有足够大的固定电压（VGS），以在栅下形成导电沟道，漏端按通常的方式连接，而信号加在衬底端（即Bulk端）和源端之间。当信号发生变化时，衬底端与沟道之间的耗尽层厚度将发生改变，进而改变沟道反型层的厚度，这样由源端流向漏端的电流将受到衬底端和源端间所加信号的控制。因此，衬底驱动MOSFET可以等效为一个衬底端作为输入端的结型场效应晶体管[15]。
图2.2 衬底驱动NMOS横截面
图2.2中同时标出了寄生的横向、纵向双极晶体管(QP、QV)，由于基极发射极间电压很小，因此流过这两个晶体管的电流可以忽略不计。衬底驱动MOSFET一般工作于强反型区，由于在衬底端与源端弱正偏情况下衬底漏电流非常小，因此衬底驱动技术可以用于衬底端和源端间弱正偏，零偏和反偏的情