CMOS全差分低噪声运算放大器的研究与设计

合肥工业大学

硕士学位论文

CMOS全差分低噪声运算放大器的研究与

姓名：姚建安

申请学位级别：硕士

专业：微电子与固体电子学

指导教师：梁齐

20050501

１．４低噪声运放的应用

现代生物医学领域经常需要测量一些微弱的电流（皮安级），这些信号非常小，那么要将它放大，放大器本身的噪声必须很小。有许多传感器系统，比如测水中离子浓度的离子敏感传感器，它们感应出来的电压也是很微弱的，需要高精度、低噪声的放大器

图１．９ＩＳＦＥＴ结构

在ＭＯｓＦＥＴ的氧化层上沉积一层离子敏感膜，可以制作离子敏感场效应管传感器（ＩｓＦＥＴ），如图１．９所示，它可以用来检测水中离子浓度，器件放在溶液中，而溶液中放置了参考电极，电压加在参考电极上使得ＩＳＨ汀工作。待测溶液相当于一个溶液栅，它和栅介质的界面处产生的电化学势对ＩｓＦＥＴ的ｓｉ表面的电导起调制作用，在交界处会产生一个能斯特电势，大小为【９】

ｍｆ＝①ｏ＋Ｒｒ／Ｚ，Ｆｌｎｑ（１．１６）母。为常数：Ｒ为气体常数；Ｆ为法拉第常数；ａ。为溶液的离子活度；ｚＩ为离子价数；Ｔ为绝对温度。图１．１０是一个检测电路的结构。

图１．１０ＩＳＦＥＴ测量电路

参考电极上的电压加在ＲＥＦＥＴ和ＩｓＦＥＴ上，ＲＥＦＥＴ的膜中不含有选择性的敏感离子，所以它的能斯特方程中不包含ＲＴ％Ｆ１ｎａ；项，而含有敏感离子的ＩｓＦＥＴ产生

第二章ＭＯｓ器件工作原理

２．１ＭＯＳ器件基础

图２．１ＭｏＳ器件结构

ＭｏｓＦＥＴ为英文金属氧化物半导体场效应管的缩写，它有Ｎ型和Ｐ型两类，而每一类又分为增强型和耗尽型两种，所谓耗尽型指的是栅源电压为零的时候，就存在导电沟道，而增强型指的是当栅源电压为零时，沟道没有导电电流，现代模拟Ｉｃ设计当中。大多数情况下都是使用增强型器件，ＭＯｓＦＥＴ有３个端口，栅（Ｇ），源（Ｓ），漏（Ｄ），图２．１给出了一个ＮＭＯｓ的结构，整个器件是做在Ｐ型衬底上的，源和漏是在Ｐ衬底上通过扩散工艺形成的两个Ｎ离子掺杂区域，漏和源根据其上面所加的电压可以互换，栅极则是加在二氧化硅绝缘体上面的金属或者多晶层上，与衬底部分隔离开来，当栅极电压超过阈值电压的时候，在源和漏之闯就形成导电沟道，这就是ＭＯｓＦＥＴ的工作原理【１０】－【１２１。在一般的情况下可以用图２．２的简化图来表示：

Ｇ

上

ｓ．兀．Ｄ

Ｓ●—ＪＬ——●Ｄ

圈２．２ＭＯＳ简化图

源漏方向的栅尺寸叫做栅长Ｌ，与之垂直方向栅的尺寸叫做宽ｗ。栅的最小长度Ｌ是由工艺来决定的，比如我们常说的Ｏ．５ｕｍ／Ｏ。１８ｕｍ工艺就是指栅的最小长度为０．５ｕｍ／Ｏ．１８ｕｍ，由于在制造过程当中，源和漏结的横向扩散，源漏之间的实际距离会比Ｌ略微小一点，为了避免混淆，定义Ｌ。萨Ｌ．２ＬＤ，Ｌ是沟道总长度，Ｌ。ｆｆ称为有效沟道长度，ＬＤ是扩散长度。‘

前面的讨论当中没有考虑到器件的衬底（Ｂ），衬底的电位实际上对器件的

性能有着比较大影响，当源和衬底的电位不同时会产生体效应，理论上来说

ＭＯＳＦＥＴ应该是个４端器件。