基于0．5μm CMOS工艺的一款新型BiCMOS集成运算放大器设计

摘要：为了提高运算放大器的驱动能力，依据现有CMOS集成电路生产线，介绍一款新型BiCMOS集成运算放大电路设计，探讨BiCMOS工艺的特点。在S-Edit中进行“BiCMOS运放设计”电路设计，并对其电路各个器件参数进行调整，包括MOS器件的宽长比和电容电阻的值。完成电路设计后，在T-spice中进行电路的瞬态仿真，插入CMOS，PNP和NPN的工艺库，对电路所需的电源电压和输入信号幅度和频率进行设定调整，最终在W-Edit输出波形图。在MCNC 0.5μm工艺平台上完成由MOS、双极型晶体管和电容构成的运算放大器版图设计。根据设计的版图，设计出Bi-CMOS相应的工艺流程，并提取各光刻工艺的掩模版。
关键词：BiCMOS；运算放大器；版图；VLSL

0 引言
    近几年来，随着混合微电子技术的快速发展及其应用领域的不断扩大，使其在通信行业和计算机系统有了快速的发展和广泛的应用。随之电子和通信业界对于现代电子元器件(例如大规模集成电路)、电路小型化、高速度、低电源电压、低功耗和提高性价比等方面的要求越来越高。传统的双极技术虽然具有高速、电流驱动能力强和模拟精度高等优点，但其功耗和集成度却不能适应现代VLSI技术发展的需要。而一直作为硅锗(SiGe)集成电路主要技术平台的MOS器件及其电路虽在高集成度、低功耗、强抗干扰能力等方面有着双极电路无法比拟的优势，但在高速、大电流驱动场合却无能为力。由此可见，无论是单一的CMOS，还是单一的双极技术都无法满足VLSI系统多方面性能的要求，因此只有融合CMOS和单一的双极技术这两种优势构造BiCMOS器件及其电路，才是VLSI发展的必然产物。由于最先提出BiCMOS器件的构造思路时，双极和CMOS技术在工艺和设备上差异很大，组合难度和成本都高，同时因应用上的需求并不十分迫切，所以BiCMOS技术的发展比较缓慢。

1 电路图设计
    本文基于MCNC 0．5 μm CMOS工艺线设计了BiCMOS器件，其集成运算放大器由输入级、中间级、输出级和偏置电路4部分组成。输入级由CMOS差分输入对即两个PMOS和NMOS组成；中间级为CMOS共源放大器；输出级为甲乙类互补输出。图1为CMOS差分输入级，可作为集成运算放大器的输入级。NMOS管M1和M2作为差分对输入管，它的负载是由NMOS管M3和M4组成的镜像电流源；M5管用来为差分放大器提供工作电流。M1管和M2管完全对称，其工作电流IDS1和IDS2由电流源Io提供。输出电流IDS1和IDS2的大小取决于输入电压的差值VG1-VG2。IDS1和IDS2之和恒等于工作电流源Io。假设M1和M2管都工作在饱和区，那么如果M1和M2管都制作在孤立的P阱里，就没有衬偏效应，此时VTN1=VTN2=VT。忽略MOS管沟道长度的调制效应，差分对管的输入差值电压VID可表示为：
   
    M2管和M4管构成CMOS放大器，两个管子都工作在饱和区，其电压增益等于M2管的跨导gM2和M2，M4两管的输出阻抗并联的乘积，即：
   

    式(4)表明，CMOS差分放大器具有较高的增益。该增益随电流的减少而增大；随MOS管宽长比的增加而增高；随两只管子沟长高调制系数λ的减少而增加，所以设计时，应尽可能增加沟道长度，减小λ值，以此来提高CMOS的增益。偏置电路用来提供各级直流偏置电流，它由各种电流源电路组成。图2为加上偏置电路的CMOS差分放大器。

    图2中，M5管为恒流源，用于为差分放大器提供工作电流；M6和M7管为恒流源偏置电路，用于为M5提供工作电流。其中，基准电流为；
   
    图3为输出级的最终结果，其中M6，M7，M10为偏置，Q4，Q5用来减小交越失真，Q1为输出级的缓冲级。

2 电路仿真
    Aod是在标称电源电压和规定负载下，运算放大器工作在线性区，低频无外部反馈时的电压增益，Aod的值越大越好。图4为输入端V+的电压波形。由图可见V+的峰峰值为200 nV，输入端V-的电压为0。图5为输出波形(在Q3的集电极输出)。

    由图5可见，输出电压的峰峰值为：
   
    因此开环差模电压增益为：
   
    可以测量出共模电压增益：
   
    满足设计要求。

3 版图设计
    采用的是以CMOS工艺为基础的BiCMOS兼容工艺。首先以外延双阱CMOS工艺为基础，在N阱内增加了N+埋层和集电极接触深N+注入，用以减少BJT器件的集电极串联电阻阻值，以及降低饱和管压降；其次用P+区(或N+区)注入，制作基区；再者发射区采取多晶硅掺杂形式，并与MOS器件的栅区掺杂形式一致，制作多晶硅BJT器件。由此可见，这种高速BiCMOS制造工艺原则上不需要增加其他的重要工序。

    由于基准电路不易调整，在设计版图时将基准部分外接。基于0．5μm CMOS工艺的运算放大器版图如图7所示。

4 结语
    该运算放大器结合了CMOS工艺低功耗、高集成度和高抗干扰能力的优点，双极型器件的高跨导，负载电容对其速度的影响不灵敏，从而具有驱动能力强的优点。该BiCMOS器件在现有CMOS工艺平台上制造。该放大器以CMOS器件为主要单元电路，在驱动大电容负载之处加入双极器件的运算放大器电路，然后在Tanner Por软件平台上完成电路图的绘制、仿真，并在MCNC 0．5μm CMOS工艺线上完成该电路的版图设计，经实用，运算放大器的参数均达到了设计要求。