模擬工程師必備——tsmcN28工藝指南學(xué)習(xí)-創(chuàng)新互聯(lián)

目錄

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1封裝package

2 MOS MOSCAP FMOM High-R Inductor

2.1 MOS管電容

2.2 FMOM金屬插指結(jié)構(gòu)

2.3 MOS作輸入電阻High-R Rin

2.4 MOS驅(qū)動和電感

3 RF-MOS實(shí)例參數(shù)

4 Muti-Finger設(shè)置

5 NGCON的含義

5.1 ngcon模型用法

6 sobn/sobs/sobw/sobe使用

7 flicker noise閃爍噪聲

簡介

1）溝道電阻產(chǎn)生的熱噪聲

3）降低1/f噪聲

7.1 noise_typical/worst/best

7.2 flicker noise統(tǒng)計庫

7.3 flicker noise corner

臺積電28HPCP 0.9V/1.8V 1.0 2p2射頻SPICE型號使用指南

整理：小頭菜籽

N28HPCP RF Model利用宏模型構(gòu)建RF模型，基于BB邏輯模型，采用臺積電固定pcell布局，建立了射頻模型。用戶需要使用它與臺積電pcell更好的準(zhǔn)確性。射頻型號有效頻率高達(dá)20 GHz或MOS截止頻率/無源器件的諧振頻率。

1封裝package

2 MOS MOSCAP FMOM High-R Inductor

2.1 MOS管電容

兩端結(jié)構(gòu)的mos管，電容值不精確，可以實(shí)現(xiàn)隨控制電壓變化而變 化的容值，上下極板接法不可互換。MOS管形成電容的主要原理，就是利用gate與溝道之間的柵氧作為絕緣介質(zhì)，gate作為上極板，源漏和襯底三端短接一起組成下極板。電容的單位面積大小，與柵氧的厚度和介電常數(shù)有關(guān)。

NMOS的剖面圖

電容與柵壓的變化曲線

優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省面積。

缺點(diǎn)1：MOS電容是“壓控電容”，當(dāng)上下兩個極板的壓差發(fā)生變化，容值也會跟著改變，這在要求高精度的電路中，幾乎是致命的。微弱信號采集的前端模擬電路中，不適合使用。

缺點(diǎn)2：MOS電容的耐壓特性很差。這是因?yàn)樗慕^緣介質(zhì)使用了柵氧，柵氧較薄。5V能承受的電壓在5V附近，1.8V能承受的電壓在1.8V附近。而金屬電容，有的卻可以承受幾十伏的高壓。電路設(shè)計中，為盡量避免電源與地之間使用MOS電容去耦。

2.2 FMOM金屬插指結(jié)構(gòu)

MOM電容是主要利用同層金屬的插指結(jié)構(gòu)來構(gòu)建電容，如圖所示。在圖中，同側(cè)不同層金屬可以僅用Via連接，來增加單位面積電容，不需要增加新的工藝，與金屬連線制作相同。這樣，9層金屬都用上，可以增加約9倍電容值；而對于MIM結(jié)構(gòu)來說，9層金屬只能增加約一半4倍（奇數(shù)層和偶數(shù)層”一正一負(fù)“）。

插指結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：高單位電容值，低寄生電容，對稱平面結(jié)構(gòu)，優(yōu)良RF特性，優(yōu)良匹配特性，兼容金屬線工序，無需增加額外工序。正因?yàn)槿绱?，在先進(jìn)CMOS制程中，MOM電容已經(jīng)成為最主要的電容結(jié)構(gòu)。在28nm工藝中，固定電容只有唯一的MOM形式。

2.3 MOS作輸入電阻High-R Rin

MOS管柵極有極高的輸入阻抗。

有源電阻：MOS管的適當(dāng)連接使其工作在一定狀態(tài)(飽和區(qū)或是線性區(qū))，利用其直流電阻與交流電阻可以作為電路中的電阻元件使用。

MOS二極管作電阻：MOS二極管是指把MOS晶體管的柵極與漏極相互短接構(gòu)成二端器件，如圖所示。

由上圖可知，MOS二極管的柵極與漏極具有同的電位，MOS管總是工作在飽和區(qū)，根據(jù)飽和薩氏方程可知其轉(zhuǎn)移特性曲線(漏極電流一柵源電壓間的關(guān)系曲線)如下圖所示。

2.4 MOS驅(qū)動和電感

一般認(rèn)為MOSFET是電壓驅(qū)動的，不需要驅(qū)動電流。然而，在MOS的G S兩級之間有Cgs結(jié)電容存在。驅(qū)動線路走線會有寄生電感，而寄生電感和MOS管的結(jié)電容會組成一個LC振蕩電路，如果直接把驅(qū)動芯片的輸出端接到MOS管柵極的話，在PWM波的上升下降沿會產(chǎn)生很大的震蕩，導(dǎo)致MOS管急劇發(fā)熱甚至爆炸，一般的解決方法是在柵極串聯(lián)10歐左右的電阻，降低LC振蕩電路的Q值，使震蕩迅速衰減掉。MOS管柵極高輸入阻抗的特性，一點(diǎn)點(diǎn)靜電或者干擾都可能導(dǎo)致MOS管誤導(dǎo)通，所以建議在MOS管G S之間并聯(lián)一個10K的電阻以降低輸入阻抗。

3 RF-MOS實(shí)例參數(shù)

N28工藝參數(shù)。

4 Muti-Finger設(shè)置

N28工藝的連接。

在設(shè)計中, 通常會考慮將W/L較大的MOS管拆分為多 finger的MOS管, 這里除了模型中的 W, L的限制之外，也有一些其它的考慮。假設(shè)有一個 W/L較大的 MOSFET，此時的柵電阻以及對應(yīng)的寄生電容都較大，因此在實(shí)際設(shè)計中會將其設(shè)為多 finger 的結(jié)構(gòu)。

從下圖可以看到，將其拆分為 finger=2 的 MOS 管后，對應(yīng)的漏端的結(jié)電容 Cdb由 Cj*W*LD 變?yōu)?Cj*W/2*Ld，也即減小了一半。

需要注意的是，當(dāng) finger為偶數(shù)時，源漏對襯底的耗盡電容是不一樣的，可以將較大電容的一端靠近地或電源（即取為源端），這也是上圖中所示的 S/D 的選擇。

關(guān)于設(shè)置 finger數(shù)目的另一個考慮是柵電阻的大小，考慮到柵電阻實(shí)際會引入噪聲，需要使得柵電阻的噪聲遠(yuǎn)小于 MOS 管噪聲，這一要求很多情況下會要求在設(shè)置 MOSFET finger 數(shù)時保證 W/L< 20 , 在實(shí)際中也常使得 W/L<10, 如下圖所示。

5 NGCON的含義 5.1 ngcon模型用法

6 sobn/sobs/sobw/sobe使用

這些實(shí)例參數(shù)將由LVS/PDK基于給定的RFpcell提取，但用戶可以將OD更改為G-R距離。modelcard中的默認(rèn)值為RFpcell。

7 flicker noise閃爍噪聲 簡介 1）溝道電阻產(chǎn)生的熱噪聲

電子在電阻中作隨機(jī)運(yùn)動，因此電阻的兩端會產(chǎn)生噪聲電壓，這種噪聲電壓稱為熱噪聲。MOS晶體管的溝道具有電阻成分，所以會產(chǎn)熱噪聲。

如圖所示，MOS晶體管的熱噪聲可以用不含熱噪聲的MOS晶體管以及與柵極連接的電壓源束表示。這時，強(qiáng)反型的飽和區(qū)中MOS晶體管的熱噪聲用下式表示：

式中，R為波爾茲曼常數(shù)（1. 38X10-23.J/K）；T為絕對溫度，△f為帶寬；gm為MOS晶體管的跨導(dǎo)。

  1. Flicker noise (1/f噪聲)

所謂閃爍就是起伏的意思。閃爍噪聲與頻率的倒數(shù)（1/f）成比例，所以也稱為1/f噪聲。這種噪聲起伏的起因主要來自兩方面。

1．載流子數(shù)目的起伏。2．遷移率的起伏

NMOS晶體管中載流子的起伏是主要的，而PMOS晶體管中遷移率的起伏處于支配地位。不論哪種場合，1／f噪聲都與頻率f以及MOS晶體管的面積(W×L)成反比。但PMOS晶體管的l/f噪聲小

3）降低1/f噪聲

同時考慮熱噪聲和1／f噪聲時，MOS晶體管的噪聲電壓可表示為：

(])增大MOS晶體管的面積(W×L)。

(2)對于電路的噪聲特性影響大的晶體管（例如差動放大電路的輸入差動對），采用PMOS晶體管。

(3)單位面積柵電容大的晶體管的l／f噪聲小。減薄柵氧化膜的厚度，有利于降低l/f噪聲。

7.1 noise_typical/worst/best

Noiseflags是MOS和電阻器件全局變化的參數(shù)。

使用“noise_typical”時，將包括典型閃爍噪聲模型。當(dāng)使用“noise_worst”時，將包括最壞情況下的閃爍噪聲模型，當(dāng)使用“noise_best”時，將包括最佳情況下的閃變噪聲模型。分別進(jìn)行。用戶可以在使用文件中使用不同的庫來模擬閃爍噪聲。

請注意閃爍noise庫需要放在TTmacro_MOS_MOSCAP的后面，以防止redefne標(biāo)志變回模型默認(rèn)值)

7.2 flicker noise統(tǒng)計庫

在usage文件中添加了名為“noise_mc”的庫來表示閃爍噪聲統(tǒng)計模型statistical library。

7.3 flicker noise corner

增加了Total，可以在后布局模擬時提取Secret，以反映隨著設(shè)備面積的增加閃爍角的減少。

在布局后仿真中，實(shí)現(xiàn)了“Total_rf參數(shù)，以支持在相同類型/尺寸的Poly&OD尺寸并行連接時，閃爍噪聲角的減小。

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