Analysis and Design of Analog Integrated Circuits

1. طراحی مدارات مجتمع فعال
(( آنالوگ))

2. ویژگی انواع ترانزیستورها:
قابلیست ایسن ترانزیستورها در BJT 1) ویژگسی اصسلی ترانزیسستورهای
درایسو (راه اندازی) مدارات دیگسر اسست .این ترانزیسستور می
تواندجریان زیادی را در خروجی از خود عبور دهد.
این است که بر روی مدارات قبل از خود CMOS 2) ویژگی مدارات
اثری ندارند .( به عنوان یک بافر عمل می کنند)
مقاومت ورودی این ترانزیستورها بسیار زیاد است بنابراین در مدارات
سوئیچینگ از این ترانزیستور (تکنولوژی) استفاده می گردد.
ترکیب ویژگی های مدارات با تکنولوژی BICMOS 3) ویژگی مدارات
است . یعنی علوه بر بافر CMOS و مدارات با تکنولوژی BJT
بودن می توانند جریان زیادی از خروجی خود عبور دهند.

3. مقاومت الکتریکی سیلیکونی :
:P • ماده نوع
در این مواد حامل اکثریت حفره ها هستند.
:n • ماده نوع
در این مواد حامل اکثریت الکترونها هستند .
P A P » N
n D n » N
• اگر یک ماده در حال تعادل باشد (ولتاژ وصل نکنیم)، مقدار باز
ترکیب بین الکترون و حفره با تولید الکترون و حفره برابر است.

4. G n R p = g =
• د ر یک ماده ذاتی(ماده ای که ناخالصی به آن اضافه نشده باشد)
اندازۀ الکترون و حفره برابر است .
که در حال تعادل باشد(تحریک خارجی نداشته n • در یک ماده نوع
باشد):
n = p = n 2
i ® np = n
i =
if n N P n
i
D
n n i
n D n
N
n p n
2
2
: » ® »

5. و در حال تعادل باشد : P • اگر ماده نوع
2
A
n p n
2
=
if P N n n
i
P p i
: » ® »
P A P
N
q n q p q n q p q n
s m
2
s = m + m ® s = m + m = m +
m
=
n p p n p p p n
q N
P p A
q N
p A
A
i
N
باشد ضریب هدایت الکتریکی به صورت n • اگر ماده نوع
زیر می شود :
q n q p q n q p q n
s m
s = m + m ® s = m + m = m +
m
=
n n D
p D
i
D
n p n n n p n n
q N
q N
N
2

6. خاصیت الکتریکی لیه نفوذی :
sheet resistance • مشخصسسه مورد اسسستفاده در لیه نفوذی بنام
(مقاومت صفحه ای)معروف است.
در شکل زیر نشان داده (p یا n) • یک برش صفحه ای از نیمه هادی
شده است.

7. • اگر ناخالصی به صورت یکنواخت باشد :
باشد: n • اگر ماده نوع
باشد: P • اگر ماده نوع
R L
= r × = r
×
= 1
s
r
L
WT
A
L
WT
R L
1 1
= × =
WT q n q p
s m +
m
n n p n
×
or R R L
L
1
» × =
WT
q m
N
n D
r
1
= =
q N T T
R
R
W
m
n D
P
P
L
WT
1
= ×
q N
R
m
P A
• مقاومت صفحه ای همان مقاومت قطعه در طول و
عرض واحد است.

8. • اگر ناخالصی به صورت یکنواخت در قطعه توزیع نشده باشد:
G = T ×
W
T
dG = q N x ×
W
dx G q W
L
dx
L
j x j
R = j
m
( )
( ( ) ) 1
0
0
1 -
ò
ò
Þ =
q ×
W
j
x
x n D
n D
R q N x dx
N x dx
L
m
P
( )
= ò = ò ( ) × ® = × ò n D
( )
x
n D
n D
N x dx
L
G dG q N x W
0 m 0 m
m
s

9. معمول موبیلیته را ثابت و برابر متوسط موبیلیته کل کانال در نظر می
گیرند.بنابراین داریم:
:n • برای مادۀ نوع
:p • برای مادۀ نوع
( ( ) ) 1
= ×òx j
RP qmn 0
ND x dx
( ( ) ) 1
-
= ×òx j
RP qm p NA x dx
0
-
Xj تا ابتدای ناحیۀ تخلیه محاسبه می شود .p یا n از لبۀ مادۀ نوع

10. مراحل ساخت که شامل 5 مرحله می باشند را بصورت زیر
تقسیم بندی کرده و سپس به شرح آنها می پردازیم:
(Epitaxy) 1 روش شیمیایی .
(oxidation) 2 اکسیداسیون .
Photo-lithography 3.
(diffusion) 4 نفوذ .
Metal film deposition 5.

11. :Epitaxy(1
بیا روشهای شیمیایی substrate بیه رشید ییک لییه بیا خلوص بال در ییک
گفته می شود .لیه ای که توسط این روش به دست می آید Epitaxy
دارای خلوص بال با یکنواختی تقریبا ثابت است.
رشید داده شونید معمول دو عییب زیر را diffusion اگیر لییه هیا توسیط
خوهند داشت:
-1 بیه دلییل بال بودن ناخالصیی موجود در سیطح ولتاژ شکسیت کلکتور به
امیتر کاهش می یابد.
2– مقاومت کلکتور – بیس به دلیل کم بودن ناخالصی در عمق افزایش می
یابد.
Epitaxy ما از روش diffusion بیه دلییل ایین عیوب موجود در روش
استفاده می کنیم.

12. : Oxidation(2
در این روش از دو لیه ضخیم یا نازک در روی قطعه استفاده می
شود. لیه نازک اکسید برای جاهایی استفاده می شود که قسمت
فعال بايد المان مورد نظر روی آن قرار بگیرد.
لیه ضخیم اکسید برای ایزوله کردن المان مورد نظر (مدار مورد نظر)
نسیبت بیه بقییه المانهیا و ییا برای سیاخت خازن و کم کردن خازن
طفیلی مورد استفاده قرار می گیرد.
در زمان رشد اکسید جاهایی که قسمت فعال قطعه قرار است رشد
استفاده می کنند. وجود (SiN) کند از یک لیه به نام نیترید سیلیکون
این لیه باعث می شود که از پیوند اکسیژن با سیلیکون و تشکیل
Sio2 جلوگیری شود.

13. :Metal film deposition)3
• ایین روش لییه نشانیی بیا اسیتفاده از لییه نازکیی از فلز انجام
مي شود. با قرار دادن قطعه آلومینیومی در یک میدان الکتریکی
قوی و بخار شدن آن عمل لیه نشانی نازک فلز انجام می شود.
• ساخت مقاومت:
انواع مقاومتها به صورت زیر نامگذاری می شوند:
1 مقاومت نفوذی .
2 مقاومت پلی سیلیسیم .
3 مقاومت کاشت یونی .
)p( چاهاه P-well 4.
(pinched resistors) 5 تنگیده .

14. 1)مقاومت نفوذی:
و با نشاندن سورس – درین diffusion • مقاومت نفوذی با استفاده از
بوجود میی آید. مقدار مقاومیت صیفحه ای بوجود آمده دراین روش
10 اهم بر مربع می باشد. - بسیار کم و در حد ود 100
می باشد. ppm/v 500- • مقدار ضریب ولتاژ در این قطعه برابر 100

15. برای این است که اول“ با اتصال فلز به نیمه هادی دیود +n وجود لیه
شاتکی بوجود نیاید و همچنین تغییر مقاومت با تغییر ولتاژ (ضریب
ولتاژ) به حداقل خود برسد.
با وجودیکه اکسید ضخیم fox اینست که fox • تفاوت اکسید ضخیم و
اسیت بیا دقیت کمتری سیاخته میی شود ولیی اکسیید ضخییم بیا دقت
بیشتری ساخته می شود.
در مقاومتها دو ضریب مهم و مورد توجه است:
1)ضریب ولتاژ : مقدار ضریب ولتاژ مشخص می کند که به ازای تغییر
ولتاژ دو سر مقاومت به اندازۀ 1 ولت چاهقدر مقدار مقاومت تغییر می
کند. هر چاهه مقدار این پارامتر کمتر باشد قطعه مورد نظر حساسیت
کمتری نسبت به تغییر ولتاژ خواهد داشت. این روش برای ساخت
مقاومت های بزرگ مناسب نیست.
2) ضریب حرارتی

16. (p چاهاه (p-well 2) مقاومت
• از اکسید ضخیم در ساخت المانهایی که می خواهند از حساسیت و
دقیت بالییی برخوردار باشنید اسیتفاده میی شود و همچنین برای
ایزوله کردن قطعه از محیط داخل و هم از محیط خارج.

17. • وجود لیه های مختلف با ناخالصی متفاوت برای این است
که دست سازنده برای ساخت مقاومت های با رنج متفاوت
باز باشد.
+p که اتصال اهمی آن با ناخالصی نوع -p • از یا نوار چاهاه
ایجاد شده بوجود می آید .مقدار مقاومت صفحه ای که از
1 کیلو اهم به صفحه می - این طریق بوجود می آید 10
باشد .
متصیل شده بیه فلز برای جلوگیری از بوجود آمدن دیود +P •
. شاتکی است
بسییار کیم اسیت بنابرایین مقاومت p • چاهون ناخالصیی چاهاه
بوجود آمده از ایین طرییق نسیبت بیه حالیت نفوذی بیشتر
خواهد بود.
• ضریب ولتاژ در این مقاومت بسیار بالست.

18. 3) مقاومت تنگیده:
بین +n است. یک لیه p-well • این مقاومت حالت خاصی از مقاومت
دو پایه مقاومت کاشته شده است و این لیه باعث به دام افتادن
حامل های اکثریت که بین سورس و درین در حال حرکت هستند
می شود و بنابراین مقدار مقاومت قطعه افزایش می یابد . از این
روش برای سیاخت مقاومتهای بزرگ (در حید مگیا اهیم) استفاده
می شود.

19. ساخت خازن:
• دو نوع خازن استفاده می شود:
1)خازن پلی سیلیسیم -اکسید - سیلیسیم
2)خازن پلی سیلیسیم -اکسید -پلی سیلیسیم
خازن پلی سیلیسیم -اکسید – سیلیسیم
با قرار دادن یک لیه اکسید بین پلی سیلیسیم و بلور سیلیسیم این
خازن بوجود می آید .برای کم کردن ضریب ولتاژ در این نوع خازن از
0.35 یک منطقه با ناخالصی خیلی زیاد زیر پایه های -
0.5
f F
خازن استفاده می
m
m
2 کنند.مقدار این خازن می باشد.

20. • خازن پلی سیلیسیم – اکسید – پلی سیلیسیم
• از قرار گرفتن لیه اکسید ما بین دو فلز و یا دو پلی سیلیسیم بوجود
f F
m
می آید .مقدار این خازن می باشد . از مزایای 0.3 -
0.4
این خازن
عدم m
2 وابستگی به ولتاژ (ضریب ولتاژ کم) می باشد.
• مقدار خازن طفیلی که از این طریق بوجود می آید نسبت به خازن
قبلی کمتر است.

21. توذکر مهم :
السف ) بسه علست چسسبندگی بهتسر پلسی سسیلیسیوم بسه سیلیسیوم
نسبت به فلز بیشتر از پلی سیلیسیوم استفاده می شود که
تووسط ایهن خاصیت م یتووان لیهه پلی سیلیسیوم نازکتری را
نسبت به فلز به نیمه هاادی هاا چسباند .
ب ) برای ایهجاد یهک خازن با ضریهب ولتاژ پایهین لزم است که
. زیهر اکسید از یهک لیهه با ناخالصی خیلی زیهاد استفاده کرد

22. مشخصات خازنها
1 دقت در نسبت .
2 ضرائب ولتاژ و حرارت .
3 ظرفیت هاای طفیلی .
• دقت در نسبت خازنها:
C A
ox
PF
m
t
= e
×
3.45 10 5
= ´
-
m
C C AC
= ® =
ox ox
e
ox
e
ox
ox
ox
t
• خطای مربوط به مقدار خازن بیشتر مربوط به سطح
است که ناشی از ماسک گذاری است.
تو أثیر چندانی ندارد و خیلی مهم نیست.در بیشتر مدارات نسبت ΔC •
هاا برای توقویهت OP-amp خازنها مهم است.جائیکه از خازنها و
.استفاده می شود

23. • فرض می کنیم:
ù
ú úû
é
æ D = ± D ± -
1
ê êë
ö
÷ ÷ø
æ D D ± ÷ ÷ø
ç çè
ö
ç çè
ù
ú ú ú ú
û
é
1
ê ê ê ê
ë
C
± D
C
C
± D
=
¢ = ± D
C C C
2 2 2
¢ = ± D
C C C
1 1 1
¢
C C
= ± D
¢
2 2
C ± D
C
C C
1 2
C C
1 2
C
C
1
1
C
2
2
2
C
C
1
2
C
1
2
1
2
C
C
1
1 1
1
C
• اگر خطای خازنها نسبت به مقدارخازن خیلی کوچک باشد(خطای
نسبی کم باشد )بنابرایهن می تووان نوشت:
Þ
2
C
C
1
C
D áá 1
C
ù
ú úû
é
¢
» C
± D æ ± -
D ¢
2 1
ê êë
ö
÷ ÷ø
ç çè
C
C
1
1
C
2
2
2
C
1
C
C
1
C
نکته مهم : برای یهکسان شدن نسبت دو خازن بایهستی خطای نسبی آن
برابر باشد.
2
C
1
¢
if C C
2
»
1
C
1
1
: 2
2
C
C
C
C
¢
D » D Þ

24. • ضرائب ولتاژ و حرارت
• ضریهب توغییر یهک خازن با ولتاژ در مدار مجتمع منفی است
توا 10 - ( است. -ppm/v و برابر( 200
• با افزایهش ولتاژ ، ناحیه توخلیه زیهاد شده و بنابرایهن مقدار
کاهاش می یهابد. (Aeff) مؤثر سطح خازن
• مقدار ضریهسب حرارتوسي یهسک خازن در مدار مجتمسع مثبت
(ppm/°c50- است. ( 20
• با افزایهش حرارت حامل هاای مثبت و منفی بیشتری توولید
می شود.

25. • خازن طفیلی
• بیشتریهن مقدار یهک خازن طفیلی مربوط به خازنی است که بین
پایهه) ایهجاد می شود. ) substrate صفحۀ پایهین خازن یها
• ایهن خازن در نوع پلی سیلیسیم – اکسید – سیلیسیم ناشی از
ناحیۀ توخلیه ایهجاد شده در سیلیسیم است .(مقدار ایهن خازن خیلی
زیهاد است.)
• ایهسن خازن در خازن نوع پلسی سسیلیسیم – اکسسید – پلسی سیلیسیم
می باشد. ایهن خازن از پلی سیلیسیم – fox ناشی از لیهه اکسید
پلی سیلیسیم بوجود می آیهد. – fox

26. CMOS مدلسازی
بوجود می آیهد .p و n نوع MOS از تورکیب CMOS •
به سورس وصل شده باشد می تووان بصورت substrate • در صورتویکه
زیهر نمایهش داد.
= 0 SB V

27. • بر حسب ایهنکه کدام پایهه به ولتاژ بیشتر متصل می شود پایهه دریهن و
پایهه n نوع MOSFET سورس مشخص می گردد. به طور مثال در
p ای که به ولتاژ مثبت تور وصل می شود دریهن می باشد و در نوع
بر عکس.

28. • شرط ناحیه اهامی:
• شرط ناحیه اشباع :
• فرمول دقیق ناحیه اهامی بصورت زیهر
است:
DS GS T p و n برای نوع : V £ V -V
n برای نوع : VDS £ VGS -VT
DS GS T V ³ V -V
p و n : برای نوع
DS GS T V ³ V -V
n :برای نوع
[ ( ) ][ ]
I C W
1 2
= - - +
D ox GS T DS DS DS
A
V
V V V V V
L
1
2 1
2
=
l
m l

29. : ولتاژ الكتروستاتويك درون نيمه هاادي در
حالت توعادل
VSB : ولتاژ سورس - بدنه
4/ 3 توا 0 / ضریهب آستانه بدنه (معمول بين : 0 ɣ
(است
V T0 VSB= مقدار ولتاژ آستانه در هانگام یکه : 0
NSUB توعداد حامل هاای ناخالصی درون :
SUBSTRATE
Cox ظرفيت واحد سطح :
[ ] T T F SB F V = V + 2 F +V - 2 F 0 g
SUB
F t n
i
F = V ln N
qe N
si SUB
C
ox
g
2
=
cm
F
e = 1.036´10-12
si
FF

30. q N
si F SUB
VT0 VSB= : مقدار ولتاژ آستانه در هانگام یکه 0
مقدار انرژی که بایهد داده شود که یهک الکترون از باند : ɸF توابع کار
فرمی به بی نهایهت منتقل شود(آزاد شود).
ɸFB ولتاژ باند توخت :
ɸGB با گيت substrate : اختلف توابع کار ناحیه
Qss بار ناحيه اكسيد :
ox
V
T FB F C
F
= F + F +
2 2
2 0
e
F = V = F - Q
SS
ox
FB FB GB C
( SUB ) ( Gate
)
F = F -F
GB F F
SUB V n
( )
( )
i
Gate
i
N
ln
F =
Gate V N
F t
SUB
F t
n
ln
F =
Q N q SS SS = ×

31. به پارامترهای ساخت بستگی دارد. فقط مقدار VT • مقدار
است که طراح می تواند با تغییر این ولتاژ مقدار ولتاژ VSB
آستانه را تغییر دهد.
فرمول دقیق:
[ ( ) ][ ]
1 2
@
V V V V V
I C W
m m
= - - +
m 2 1
l
0.25
D 2
ox L
GS T DS DS DS
C C
p oxp n oxn
• اگر فرض کنیم جریان در نقطه تقاطع ناحیه اشباع و اهمی
با نقاط دیگر موجود در ناحیه اشباع برابر باشد (شیب خط
ناحیه اشباع بسیار کم است.)

32. • مرز ناحیه اشباع و اهمی:
V V V I C W
1 2
= - Þ = - +
m l
DS GD T D OX GS T DS
k = 1
C or k ¢ =
C
را افزایش VT می توان مقدار n نوع MOSFET در یک VSB با افزایش
های تخلیه ای نیز صادق است. در این MOSFET داد. این مسئله برای
تخلیه ای را به MOSFET یک VSB می توان با افزایش MOSFET نوع از
افزایشی تبدیل کرد.
: μm برای تکنولوژی 5 NMOS • مشخصات
V T0و ɣ ، =0.01(L=10μm) λ = غيراشباع)،) 1.3 K´= 1= (اشباع) ، 25 V ، K´=17
ɸ ┃2 f┃=0.7
( ) ( )
ox ox
V V V
L
m m
2
1
2

33. مدل سیگنال بزرگ:
• در صصورتیکه ولتاژ یا جریان عبوری از
ترانزیسصتور زیاد باشصد یصا طول کانال کم
باشد از این مدل استفاده می شود.
• ایصن مدل نسصبت بصه مدل سصیگنال کوچک
دقیق تر است.
مربوط بصه اتصالت rS و rD • مقاومت های
اهمی است و مقدار آنها بسیار کم است.
• ديودهاي سورس تا بدنه و همچنین درین
تصا بدنصه در حالصت بایاس معکوس است.
اين ديودها برای مدل کردن جریان نشتی
استفاده می شوند.

34. به خاطر ایجاد ناحیه تخلیه بین بدنه و درین و همچنین CBS وCBD • خازنهای
بدنه و سورس به وجود می آیند.
تابع ولتاژ هستند. CGB و CGD ، CGS • خازنهای
C1≈CGS
C3=CGD
ناشصي از هم پوشانصي گيصت بصا سصورس يا
درين
C4 : ناشی از ناحیه تخلیه در سیلیسیم
Cن اشی از ناحیه تخلیه ایجاد شده : CBD و BS
بین درین سورس با بدنه
c2 خازن اصلی که ناشصی از لیه اکسید :
است
C1 ≈C3=LDWeff COX
C2 ≈LeffWeff COX
C5 مربوط : از روي هم افتادگي گيت و

35. مدار معادل خازنهای بوجود آمده بین گیت و سیلیسیم:
1 1 -
1
1
æ
1 1
2
2
2 5 4 2 5 4
ö
÷ ÷ø
ç çè
+
+
+ Þ =
+
=
C C C
C
C C C C GB
GB

36. مدل سیگنال
کوچک:
D
D
g = ¶
i
V
¶
g = ¶
i
V
D
¶
g = ¶
i
V
BD
¶
g = ¶
i
V
BS
BS
¶
g i
bs
BD
bd
DS
ds
SB
mbs
GS
m
= ¶
V
¶
بدلیل اینکه دیودهای بدنه به سورس و بدنه به درین در بایاس معکوس قرار
که ناشی از جریان نشتی است بسیار کوچک gbs و gbd می گیرند بنابراین مقدار
بصه دلیل low voltage بوده و از آنهصا صصرفنظر مصی شود . البتصه در تکنولوژصی
کوچصک بودن کانال و افزایصش جریان نشتصی از ایصن دو پارامتصر نمی توان
صرفنظر کرد.

37. • فرمول تقریبی در ناحیه اشباع:
در ناحیه اشباع: gmbs و gm • مقادیر
داشتیم:
بنابراين:
i = K W -
( )2
D GS T V V
L
i K W
L
V V KW
= ¶ 2 2 2 2
( ) m D D
KW
g i
D
D
i
m GS T
GS
L
g KW
L
KW i
L
L
V
¢
= - = ® = =
¶
[ ] T T F SB F V = V + 2 F +V - 2 F 0 g
æ
¶
V V V
= - - × ¶
( )
g i
V
T
T
D
KW
= - ¶ ÷ ÷ø
= ¶
g
1
1
SB F SB F SB
æ
¶
g V
T
SB
m
SB
GS T
SB
mbs
¶
V V V
V
V
L
V
+
=
+
= × ×
¶
ö
÷ ÷ø
ç çè
ö
ç çè
¶
F
F
g
2 2 2
2
2

38. کمتر از یک است. ɳ • مقدار
: gds • محاسبه
g = ¶ i = KW
- 2
l »l
ds V V i
• فرمول تقریبی در ناحیه اهمی:
= m
- -
b m b
i V V V V
در ناحیه اهمی: gmbs و gm • مقادیر
m
g g g m
=
h
mbs g
V
F
+
F SB
=
2 2
( GS T ) D
D
DS
L
V
¶
[ ( ) 2
]
i C W
D OX GS T DS DS
[ ( ) 2 ]
2
2
2
1
2
C W
OX D GS T DS DS
L
V V V V
L
= ® = - -
g = ¶ i = b ´ 2
= b
m V V
DS DS
D
V
GS
¶
2

39. g = ¶ i = ´ - 2
´ Þ =
b ( ) h b h
V
× ¶
mbs V g V
DS mbs DS
T
V
SB
D
V
T
¶
¶
2
g = ¶ i = b 2 - - 2 = b
- -
[ ( ) ] [ ] GS T DS GS T DS
D
V V V V V V
ds V
DS
¶
2
در صورتیکه از ترانزیستور در فرکانس میانی استفاده شود
می توان مدل سیگنال کوچک را بصورت زیر ساده کرد :