差分放大器中的不匹配效应及消除方法

图7(a)给出考虑有栅阴影存在时的结构图，在图中，如果阴影区出现在源区(或漏区)，那么这两个器件不会因阴影导致不对称。在图中，即使标出了这两个管子在阴影区的源(或漏)极，这两个MOS管也不一样，这是因为M1管源区的右边是M2管，而M2管源区的右边是场氧。同样，M1和M2左边的结构也不一样。就是说在制造过程中，M1和M2周围的工艺步骤不一致。因此图8所示的结构更好。

图8所示结构固有的不对称性可以通过在晶体管两边加两个虚拟MOS管的方法加以改进，因为这可以使M1和M2管周围的环境几乎相同，如图9所示。


同时，在对称轴的两边保持相同环境也很重要。例如，在版图中，只有一个MOS管旁边有一条无关的金属线通过，这会降低对称性，增大M1和M2之间的失配。在这种情况下，也可以在另一边放置一条相同的金属线(见图10)，最好的办法就是去掉引起不对称的金属线。


对于大的晶体管，对称性就变得更困难了。例如，在图11所示的差分对中，为使输人失调电压较小，这两个晶体管的宽度都比较大，但沿x轴方向的梯度会引起明显的失配。为了减小失配，可以采用"共中心"的布局方法。这样沿x轴和y轴方向的一阶梯度效应就会互相抵消。如图12所示，这种布局把M1和M2都分成两个宽度为原来50％的晶体管，沿对角放置且并联连接。然而，在版图上布线很困难，经常会导致如图13所示的系统不对称，或者线对地电容及线间电容的不同而引起整体不对称。对于规模大一点的电路，如运放，则引走线可能过于复杂而无法实现。


线性梯度效应，也可像图12所示，通过"一维"交叉耦合的办法得到抑制。这里，所有四个宽度为50％的晶体管一字排开，M1和M2可由相邻两个晶体管与相距最远的两个晶体管分别相连构成，也可由两组相间隔的晶体管分别相连构成。

为分析该结构中的梯度效应，假设每两个相邻的半宽晶体管之间的栅氧电容变化为△Cox。将M1a和M4a并联，得到：

因此，这种类型的交叉耦合抵消了梯度效应的影响。若用图13所示的组合可得：


式(4)和式(5)显示，图13所示的方法消除误差的能力较差。


4 结 语

针对CMOS差动放大器晶体管的不匹配，从理论上深刻分析其不匹配原因，介绍电路设计方法和版图设计方法进行失调电压的消除，并对所提出的电路技术进行仿真验证，能够达到降低失调电压的效果。