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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(shí)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(duì)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(jì)、制造和布局等諸多環(huán)節(jié)緊密相連，對(duì)電路性能的發(fā)揮起著關(guān)鍵作用，因而成為電路設(shè)計(jì)與仿真過(guò)程中必須考量的因素。

二、MOS 管寄生參數(shù)的種類(lèi)及其影響

MOS 管寄生參數(shù)是集成電路設(shè)計(jì)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(lèi)型：

（一）輸入電容 Cgs

即柵極與源極間電容。當(dāng)柵極信號(hào)波動(dòng)時(shí)，因這二者間存在電容，易引發(fā)電壓延遲和相位延遲問(wèn)題。在高頻電路設(shè)計(jì)語(yǔ)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(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)建模和仿真分析，可對(duì)輸入電容的影響進(jìn)行量化評(píng)估，從而采取針對(duì)性措施予以?xún)?yōu)化。

（二）輸出電容 Cgd

?指向漏極與柵極間電容。MOS 管運(yùn)作過(guò)程中，該電容的存在致使輸出電壓變化延遲及相位延遲。對(duì)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(cè)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(jì)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(shí)，它會(huì)導(dǎo)致電流反向傳輸及漏電流攀升。于低功耗電路設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)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(zhǎng)電池供電設(shè)備的續(xù)航時(shí)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(guò)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(xiàn)性增長(zhǎng)，漏極電壓也隨之非線(xiàn)性變化。在模擬電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，構(gòu)建精準(zhǔn)的漏極電導(dǎo)模型對(duì)于確保電路的線(xiàn)性與穩(wěn)定特性意義重大。運(yùn)用非線(xiàn)性電路分析方法和建模技術(shù)，可對(duì)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(xiàn)性上升，柵極電壓亦呈現(xiàn)非線(xiàn)性波動(dòng)。對(duì)于模擬電路設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，精確的柵極電導(dǎo)模型是保障電路線(xiàn)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(duì)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(lái)自晶圓 DIE 和封裝間 Bonding 線(xiàn)的感抗，以及源邊引腳至地的 PCB 走線(xiàn)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(huì)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)耐暾院碗娐返膭?dòng)態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。

三、MOS 管寄生參數(shù)對(duì)電路性能的多維度影響

Cgs：在高頻電路設(shè)計(jì)中，若忽視 Cgs的影響，易引發(fā)信號(hào)傳輸延遲、反射等問(wèn)題，降低電路的帶寬和穩(wěn)定性。例如，在射頻放大器設(shè)計(jì)中，過(guò)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(guò)采用共源共柵等電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可有效減小 Cgs對(duì)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(duì)于高速數(shù)字電路，Cgd是導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)邊沿失真、傳輸延遲的關(guān)鍵因素之一。在高速信號(hào)傳輸過(guò)程中，Cgd會(huì)使信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間延長(zhǎng)，降低數(shù)字電路的開(kāi)關(guān)速度和數(shù)據(jù)傳輸速率。通過(guò)優(yōu)化 MOS 管的版圖設(shè)計(jì)，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(jì)場(chǎng)景下，Cgb引起的電流反向傳輸和漏電流增加會(huì)顯著提升電路的靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。以微控制器（MCU）的待機(jī)模式為例，過(guò)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(guò)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(jì)目標(biāo)。

Gds和 Ggs：在模擬電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，Gds和 Ggs的非線(xiàn)性特性會(huì)破壞電路的線(xiàn)性傳輸特性，導(dǎo)致信號(hào)失真、增益波動(dòng)等問(wèn)題。例如，在模擬濾波器設(shè)計(jì)中，若不考慮 Gds和 Ggs的影響，會(huì)使濾波器的幅頻特性和相頻特性偏離設(shè)計(jì)預(yù)期，影響信號(hào)的濾波效果。通過(guò)采用線(xiàn)性化設(shè)計(jì)技術(shù)，如源極負(fù)反饋等，可抑制 Gds和 Ggs的非線(xiàn)性影響，提高模擬電路的線(xiàn)性和穩(wěn)定性。

四、過(guò)孔寄生參數(shù)及其量化計(jì)算

在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，過(guò)孔作為連接各層印制導(dǎo)線(xiàn)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，除了實(shí)現(xiàn)電氣連接功能外，還會(huì)產(chǎn)生寄生電容和寄生電感。這些寄生參數(shù)在高頻信號(hào)傳輸過(guò)程中，會(huì)對(duì)信號(hào)完整性造成嚴(yán)重破壞，如引發(fā)信號(hào)反射、串?dāng)_等問(wèn)題。

寄生電容的計(jì)算公式為 C=1.41∈TD1/（D2-D1），其中，C 表示過(guò)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(guò)孔焊盤(pán)直徑，D2是過(guò)孔在鋪地層上的隔離孔直徑。寄生電感的計(jì)算公式為 L=5.08h[ln(4h/d)+1]，其中，L 是過(guò)孔寄生電感，h 為過(guò)孔長(zhǎng)度，d 是中心鉆孔直徑。借助這些公式，可在電路設(shè)計(jì)前期對(duì)過(guò)孔寄生參數(shù)進(jìn)行初步估算，為優(yōu)化 PCB 布局布線(xiàn)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(jì)中，寄生參數(shù)提取是確保電路設(shè)計(jì)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(xiàn)

依據(jù)工藝特性及參數(shù)要求，開(kāi)展布局布線(xiàn)工作。這一階段需綜合考慮電路的電氣性能、布線(xiàn)密度、信號(hào)完整性等多方面因素，為后續(xù)版圖設(shè)計(jì)和寄生參數(shù)提取奠定基礎(chǔ)。通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具，結(jié)合設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)高效、合理的布局布線(xiàn)方案。

（二）版圖設(shè)計(jì)

基于布局布線(xiàn)結(jié)果，進(jìn)行版圖信息文件的設(shè)計(jì)。版圖設(shè)計(jì)需嚴(yán)格遵循工藝設(shè)計(jì)規(guī)則，確保電路在半導(dǎo)體制造過(guò)程中的可行性。同時(shí)，要充分考慮寄生參數(shù)的影響，通過(guò)優(yōu)化版圖的幾何形狀、布線(xiàn)寬度、間距等參數(shù)，降低寄生參數(shù)對(duì)電路性能的不利影響。版圖設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）工具，對(duì)版圖進(jìn)行寄生參數(shù)提取。CAD 工具通過(guò)復(fù)雜的算法和模型，對(duì)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(xiàn)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(yàn)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(píng)估電路的實(shí)際性能。通過(guò)與電路設(shè)計(jì)工程師的緊密協(xié)作，對(duì)提取的寄生參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)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(jì)性能的持續(xù)提升。