摘要
模拟金属氧化物半导体 (MOS) 集成电路的性能在很大程度上取决于匹配精度的因素。 模拟电流镜的匹配精度 IC 性能尤为重要。 布局技术和设备尺寸被认为是改善匹配行为的主要因素。 尽管这些信息很重要，但对这两个因素的研究或研究是有限的。 我们基于这篇文章 Lan 等人 [1999] 简单电流镜提出了一种新的级联电流镜布局技术。 Cascode在参数梯度存在的情况下，电流镜的新布局改善了匹配特性。 探讨了跨晶体管有源区域阈值梯度对电流镜匹配特性的影响。 使用 SPICE 模拟比较了新的和现有的共源共栅电流镜布局，以比较有源区域所有角度的阈值电压梯度。 结果表明，与现有布局技术可实现的结构相比，提出的级联电流镜结构的匹配特性得到了显著改善。
背景
随着VLSI设计领域的进步，对更高精度模拟电路设计的需求也不可避免地增加。 任何精密模拟电路设计的实现都必须从彻底了解设备的匹配行为开始，因为模拟电路的性能在很大程度上取决于设备的匹配。 目前，使用金属氧化物半导体场效应是实现微电路最流行的技术 (MOSFET) 晶体管有望在可预见的未来占据主导地位 IC 技术。 因此，研究 MOS 由于模拟 MOS 集成电路的性能在很大程度上取决于匹配精度的因素。 参考 Lakshmikumar 等人 (1986)。 任何影响设备布局技术和设备尺寸的设备 MOS 模拟电路设计匹配行为的两个重要因素。 高密度芯片设计的核心问题是集成电路的布局。 MOS双极晶体管中存在一种不存在的失配成分，即阈值电压的失配。 阈值电压失配是工艺清洁度和均匀性的重要函数，可使用 Lan 等人 [1999] 交叉指型、公共质心和鳍几何结构都有了显著的改善。 集成电路设计工程师很少控制制造过程，补偿过程变化的唯一方法是使用巧妙的布局技术。
来源不匹配
阈值电压的失配
在哪里 ？ MS 是栅极-半导体功函数差， ? B 是体内的费米电位，QB 耗尽电荷密度，Qf 固定氧化物电荷密度，q 是电子电荷，DI 注入剂量注入剂量，C 是每单位面积的栅极氧化物电容器。 在上述等式中，最后一项解释为将 VT0 调整到所需值所提供的离子注入步骤称为阈值调整注入。 如 Sze (1981) 假设硅-二氧化硅界面处有注入离子 delta 函数分布。 若能在上式右侧找到各种标准差，则可确定 VT 的标准差。 费米势？ B 衬底掺杂对数依赖， ? MS 对衬底和多晶硅栅极的掺杂有类似的依赖性。 因此，这些项目可视为不会导致任何不匹配的常数 Lakshmikumar 等人 (1986)。 阈值电压失配的主要贡献者是体区掺杂剂原子分布不均匀。 然而，固定氧化物电荷的不均匀分布对阈值电压失配的影响可以忽略不计。
电导常数失配
MOS第二种常见的晶体管失配类型是电导常数失配。 由下式给出电导常数
在哪里， ？ 是沟道迁移率，C氧化物电容器，W沟宽，L是沟长。 边缘变化引起的电导失配 (K) 与 [1/ (L)2 1/ (W)2]1/2 成比例。 格栅极氧化层电容的变化是由于 VT 和 K 失配的共同因素。结论是 VT 和 K 失配之间存在相关性。漏极电流的失配表明阈值电压的失配和 电导常数。 一般来说，MOS晶体管将在模拟电路饱和区工作。 因此，有趣的是查看饱和区内的漏极电流方程 VT 和 K 表示。 从上面可以看出，MOS 由于阈值电压和电导常数不匹配，装置漏极电流值的漏极电流不匹配 Lakshmikumar 等人 (1986)。 由于几何参数和工艺参数的系统和随机变化，电流镜和差分放大器的匹配特性可以归因于。 为了补偿这些参数的随机变化，随机变化很容易建模，并且可以在面积和性能之间进行权衡。 系统变化包括迁移率 (μ)、COX、阈值电压 (VT) 和 ? 变化。 在本文中，仅考虑了各种布局的 VT 变化比较匹配特征。
提高匹配布局技术
数字电路通常使用最小尺寸的设备来实现高速、低面积和低功耗。 对于有时需要大宽度和长度的晶体管来增加增益和降低噪音的模拟电路，情况并非如此。 这么大的设备更容易受到整个设备的影响 IC 这种情况对匹配的组件至关重要。 不同的减少工艺变化影响的方法是叉、公共纹理和鳍布局。 这个想法是将大型设备分成更小的部分，然后物理交替，以减少它们的相对距离。 例如，让我们考虑两个需要匹配的大晶体管由四个较小的部分组成，AAAA 和 BBBB，每个字母代表一个单元。 如图所示 1(a) 如果相邻放置但分组，中心之间的距离将是 4 所以单位可能会有很大的变化。 但是，如果两者如图所示 1(b) 交错排列可能变化不大。现在中心之间的相对距离只有 1 工艺变化减少了单位的四倍。 这种变化可以通过使用所谓的公共质心配置来完全补偿线性梯度，其中两个中心(或质心)重叠。
有趣的是，有几种方法可以做到这一点，其中一种选项如图所示 2 所示。图中显示了多行多列的二维排列，显示了可能的配置(我们使用的配置) .
对 VT 建模变化
有源设备本身以分布式形成参数梯度。 匹配特性通常是管芯上阈值电压梯度角度的强函数，对任何角度，阈值梯度对公共纹理布局的影响都很小。 广泛应用于预测阈值梯度影响的方法是基于衍生物 Pelgrom [1989] 公式中的等效阈值电压 1 给定的设备。
若阈值梯度幅度为 a 梯度方向为 ? 如图 4 (a) 所示，方程组 2 适用于图 4 (a) 电路原理图如图 3 所示。
其中 DH 两个漏极扩散 D1 和 D2 最小间隔通常是 3 λ，VT1 和 VT2 是两个晶体管的阈值电压，VTN 是图 4 中基点“O阈值电压（a ）。 应用等式 1 中的等效 VT 找到四个晶体管布局的阈值电压，如图所示 4 (b) 所示的公共质心 I 型和 II 型。 这些 VT 公式中的表达式 3 中给出。
其中VT1和VT对应晶体管一的两个单元晶体管，VT2和VT对应晶体管二的两个单元晶体管。 其中 DV/S 表示 DV 或 DS。 DV 和 DS 这是两个通道之间的最小距离，如图所示 4 (b) 所示。 为了公平比较，所有结构的不匹配都使用相同的有效面积，W/L 和 DH 测量的。 失配定义如下。
改进了 Cascode 电流镜的布局结构
让我们考虑图 3 (b) 所示级联电流镜 (CCM) 电路。 图 5 显示了这种 CCM 交叉数字化和通用纹理布局技术。图 6 它展示了一种新的级联共栅布局，为通用质心技术提供了改进。在这种情况下，提出的技术试图最小化失配是很常见的 质感结构表现出最大的失配。 方程组 4 用于绘制镜像布局的不匹配及以下变量范围：0 = ? = 360°，VTN=0.8V，a=0.5mV/um，W=15um，L=5um，DH=3um。 通过观察图 7 和图 8.可以推断，提出的技术比普通质心布局提高了匹配性能。
表 1 总结了不同级联电流镜布局中电流失配的结果。 线性梯度已获得 0.5mV/um 的结果。
结论
我们使用 Fintype 布局比简单布局、交叉数字化、公共质心布局结构更好 CCM 匹配特性。 我们观察到，当测试结构有线性梯度时，模拟结果显示匹配得到了改善。 由于参数梯度，反射镜增益的灵敏度存在显著差异。 技术的缺点是需要更多。