寄生參數(shù)的深度剖析
一、寄生參數(shù)的內(nèi)涵
寄生參數(shù)是在構(gòu)建模型或系統(tǒng)時引入的附加參數(shù)，用于更精準(zhǔn)地描述模型或系統(tǒng)的行為。雖與主要參數(shù)關(guān)聯(lián)性較弱，但對性能有不可忽視的影響。在電路領(lǐng)域，寄生參數(shù)的產(chǎn)生與設(shè)計、制造和布局等諸多環(huán)節(jié)緊密相連，對電路性能的發(fā)揮起著關(guān)鍵作用，因而成為電路設(shè)計與仿真過程中必須考量的因素。
二、MOS 管寄生參數(shù)的種類及其影響
MOS 管寄生參數(shù)是集成電路設(shè)計中除基本電氣特性外的額外參數(shù)，源于制造工藝、封裝形式及電路布局等多方面因素。深入探究 MOS 管寄生參數(shù)，可發(fā)現(xiàn)其包含以下幾種典型類型：
（一）輸入電容 Cgs
即柵極與源極間電容。當(dāng)柵極信號波動時，因這二者間存在電容，易引發(fā)電壓延遲和相位延遲問題。在高頻電路設(shè)計語境下，精確構(gòu)建輸入電容模型至關(guān)重要，關(guān)乎電路性能的穩(wěn)定性與可靠性。通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)建模和仿真分析，可對輸入電容的影響進(jìn)行量化評估，從而采取針對性措施予以優(yōu)化。
（二）輸出電容 Cgd
?指向漏極與柵極間電容。MOS 管運(yùn)作過程中，該電容的存在致使輸出電壓變化延遲及相位延遲。對于高速數(shù)字電路而言，輸出電容模型的精準(zhǔn)度直接關(guān)系到電路能否穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。借助先進(jìn)的測試手段和建模技術(shù)，能夠獲取高精度的輸出電容模型，為電路設(shè)計提供有力支撐。
（三）反向傳輸電容 Cgb
?為柵極與襯底（或基極）間電容。在 MOS 管工作時，它會導(dǎo)致電流反向傳輸及漏電流攀升。于低功耗電路設(shè)計中，準(zhǔn)確建立反向傳輸電容模型是保障電路低功耗與高性能表現(xiàn)的關(guān)鍵所在。通過對反向傳輸電容的細(xì)致分析和建模，可優(yōu)化電路的功耗特性，延長電池供電設(shè)備的續(xù)航時間。
（四）漏極電導(dǎo) Gds
?描述漏極電流與漏極電壓間關(guān)系。MOS 管工作過程中，漏極電流與電壓的內(nèi)在聯(lián)系使得漏極電流呈現(xiàn)非線性增長，漏極電壓也隨之非線性變化。在模擬電路設(shè)計領(lǐng)域，構(gòu)建精準(zhǔn)的漏極電導(dǎo)模型對于確保電路的線性與穩(wěn)定特性意義重大。運(yùn)用非線性電路分析方法和建模技術(shù)，可對漏極電導(dǎo)的影響進(jìn)行有效補(bǔ)償，提升模擬電路的性能。
（五）柵極電導(dǎo) Ggs
反映柵極電流與柵極電壓間關(guān)系。在 MOS 管工作狀態(tài)下，柵極電流與電壓間的關(guān)系導(dǎo)致柵極電流非線性上升，柵極電壓亦呈現(xiàn)非線性波動。對于模擬電路設(shè)計來說，精確的柵極電導(dǎo)模型是保障電路線性與穩(wěn)定性的必備條件。借助微分方程建模和電路仿真技術(shù)，能夠深入揭示柵極電導(dǎo)對電路性能的影響機(jī)制，進(jìn)而采取優(yōu)化措施。
除上述寄生參數(shù)外，源邊感抗與漏極感抗也不容小覷。源邊感抗主要來自晶圓 DIE 和封裝間 Bonding 線的感抗，以及源邊引腳至地的 PCB 走線感抗；漏極感抗則由內(nèi)部封裝電感及連接電感構(gòu)成。
這些感抗因素在特定電路條件下，會對信號傳輸?shù)耐暾院碗娐返膭討B(tài)響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。
這些感抗因素在特定電路條件下，會對信號傳輸?shù)耐暾院碗娐返膭討B(tài)響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。
三、MOS 管寄生參數(shù)對電路性能的多維度影響
Cgs：在高頻電路設(shè)計中，若忽視 Cgs的影響，易引發(fā)信號傳輸延遲、反射等問題，降低電路的帶寬和穩(wěn)定性。例如，在射頻放大器設(shè)計中，過大的 Cgs可能使放大器的高頻增益下降，甚至出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。通過采用共源共柵等電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可有效減小 Cgs對電路性能的不利影響，提升高頻電路的穩(wěn)定性和可靠性。
Cgd：對于高速數(shù)字電路，Cgd是導(dǎo)致數(shù)字信號邊沿失真、傳輸延遲的關(guān)鍵因素之一。在高速信號傳輸過程中，Cgd會使信號的上升時間和下降時間延長，降低數(shù)字電路的開關(guān)速度和數(shù)據(jù)傳輸速率。通過優(yōu)化 MOS 管的版圖設(shè)計，減小柵極與漏極間的耦合面積，可降低 Cgd的值，進(jìn)而提升數(shù)字電路的性能表現(xiàn)。
Cgb：在低功耗電路設(shè)計場景下，Cgb引起的電流反向傳輸和漏電流增加會顯著提升電路的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。以微控制器（MCU）的待機(jī)模式為例，過大的 C
gb可能使 MCU 的待機(jī)功耗超標(biāo)，縮短電池壽命。通過優(yōu)化半導(dǎo)體制造工藝，降低襯底的摻雜濃度，可減小 Cgb的影響，實(shí)現(xiàn)低功耗電路設(shè)計目標(biāo)。
Gds和 Ggs：在模擬電路設(shè)計領(lǐng)域，Gds和 Ggs的非線性特性會破壞電路的線性傳輸特性，導(dǎo)致信號失真、增益波動等問題。例如，在模擬濾波器設(shè)計中，若不考慮 Gds和 Ggs的影響，會使濾波器的幅頻特性和相頻特性偏離設(shè)計預(yù)期，影響信號的濾波效果。通過采用線性化設(shè)計技術(shù)，如源極負(fù)反饋等，可抑制 Gds和 Ggs的非線性影響，提高模擬電路的線性和穩(wěn)定性。
四、過孔寄生參數(shù)及其量化計算
在高速數(shù)字電路設(shè)計領(lǐng)域，過孔作為連接各層印制導(dǎo)線的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，除了實(shí)現(xiàn)電氣連接功能外，還會產(chǎn)生寄生電容和寄生電感。這些寄生參數(shù)在高頻信號傳輸過程中，會對信號完整性造成嚴(yán)重破壞，如引發(fā)信號反射、串?dāng)_等問題。
寄生電容的計算公式為 C=1.41∈TD1/（D2-D1），其中，C 表示過孔寄生電容，ε 為 PCB 板基材的介電常數(shù)，T 是 PCB 板厚度，D1是過孔焊盤直徑，D2是過孔在鋪地層上的隔離孔直徑。寄生電感的計算公式為 L=5.08h[ln(4h/d)+1]，其中，L 是過孔寄生電感，h 為過孔長度，d 是中心鉆孔直徑。借助這些公式，可在電路設(shè)計前期對過孔寄生參數(shù)進(jìn)行初步估算，為優(yōu)化 PCB 布局布線提供理論依據(jù)。
五、寄生參數(shù)提取的標(biāo)準(zhǔn)化流程
在大規(guī)模集成電路設(shè)計中，寄生參數(shù)提取是確保電路設(shè)計精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其標(biāo)準(zhǔn)化流程如下：
（一）布局布線
依據(jù)工藝特性及參數(shù)要求，開展布局布線工作。這一階段需綜合考慮電路的電氣性能、布線密度、信號完整性等多方面因素，為后續(xù)版圖設(shè)計和寄生參數(shù)提取奠定基礎(chǔ)。通過運(yùn)用先進(jìn)的電子設(shè)計自動化（EDA）工具，結(jié)合設(shè)計團(tuán)隊豐富的實(shí)踐經(jīng)驗，可實(shí)現(xiàn)高效、合理的布局布線方案。
（二）版圖設(shè)計
基于布局布線結(jié)果，進(jìn)行版圖信息文件的設(shè)計。版圖設(shè)計需嚴(yán)格遵循工藝設(shè)計規(guī)則，確保電路在半導(dǎo)體制造過程中的可行性。同時，要充分考慮寄生參數(shù)的影響，通過優(yōu)化版圖的幾何形狀、布線寬度、間距等參數(shù)，降低寄生參數(shù)對電路性能的不利影響。版圖設(shè)計的質(zhì)量直接關(guān)系到寄生參數(shù)提取的準(zhǔn)確性和電路的最終性能表現(xiàn)。
（三）參數(shù)提取
運(yùn)用計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）工具，對版圖進(jìn)行寄生參數(shù)提取。CAD 工具通過復(fù)雜的算法和模型，對版圖中的各種幾何結(jié)構(gòu)和物理特性進(jìn)行分析，提取出線上電阻、電容以及寄生電阻電容等寄生參數(shù)，并生成網(wǎng)表文件。這些網(wǎng)表文件可用于布局與原理圖（LVS）檢查，驗證版圖與原理圖的一致性；也可用于后仿真，將寄生參數(shù)納入電路仿真模型中，更準(zhǔn)確地評估電路的實(shí)際性能。通過與電路設(shè)計工程師的緊密協(xié)作，對提取的寄生參數(shù)進(jìn)行驗證和優(yōu)化，可不斷提升寄生參數(shù)提取的精度和可靠性，助力集成電路設(shè)計性能的持續(xù)提升。
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