Rauscharme CMOS-Analogschaltungstechnik für den Einsatz im Temperaturbereich von 4 K bis 300 K:
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| Veröffentlicht: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
1996
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| Ausgabe: | Als Ms. gedr. |
| Schriftenreihe: | Verein Deutscher Ingenieure: [Fortschritt-Berichte VDI / 9]
220 |
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| adam_text | Titel: Rauscharme CMOS-Analogschaltungstechnik für den Einsatz im Temperaturbereich von 4 K bis 300 K
Autor: Schwehr, Stefan M
Jahr: 1996
Inhaltsverzeichnis 1. Einführung 1 1.1 MQS Transistoren und analoge Schaltungen im Einsatz bis 4,2K...... 1 1.2 Ziele dieser Arbeit, Einordnung in frühere Arbeiten des 1HT........ 2 2. Kryomikroelektronik: Stand der Technik 5 2.1 Anwendungen im Tieftemperaturbereich................... 5 2.2 Material und integrierte Bauelemente für tiefe Temperaturen........ 8 2.3 Handelsübliche Raumtemperatur CMOS OpAmps bei tiefen Temperaturen 9 2.4 Die THD CMOS-Prozesse........................... 10 2.5 Bislang unbefriedigend gelöste Probleme................... 11 3. Der MOS Transistor von 300K bis 4K im Hinblick auf analoge Anwendungen 14 3.1 Der MOSFET bei 300K, eine Zusammenfassung................ 15 3.1.1 Starke Inversion............................. 15 3.1.2 Unterschwellspannungsbereich..................... 18 3.1.3 Sondereffekte.............................. 19 3.2 Erweiterungen für den Temperaturbereich von 300K bis 4K......... 25 3.2.1 Temperaturabhängigkeit der Parameter im Basismodell....... 25 3.2.2 Steilheit, Ausgangsleitwert, innere Verstärkung............ 36 3.3 Besondere Merkmale bei 4K.......................... 37 3.3.1 Substratwiderstand, Substratstrom und Current-Kink........ 38 3.3.2 Diskussion..................., ........... 42 3.4 Auswertung der neuen Modellfunktion von 300K bis 4K........... 43 V
Inhaltsverzeichnis 3.4.1 Parameteranpassung für 300K..................... 44 3.4.2 Parameteranpassung für 4K...................... 45 3.4.3 Makromodell für die PSPICE Simulation............... 47 4. Rauschen des MOSFET: Grundlagen, Temperaturabhängigkeit und Schaltungstechnik 48 4.1 Kenngrößen elektrischer Rauschvorgänge.................. 48 4.2 Die Rauschquellen des MOSFET ........................ 50 4.2.1 Weißes oder thermisches Rauschen .................. 50 4.2.2 Funkel- oder 1/f-Rauschen ...................... 52 4.2.3 Rauschen von 300K bis 4K ...................... 56 4.3 Rauschanalyse der Grundschaltungen................... 59 4.3.1 Verstärkerkonzeption.......................... 59 4.3.2 Rauschanalyse einer Eingangsstufe.................. 61 4.3.3 Rauschanalyse eines Differenzverstärkers............... 64 4.3.4 Vergleich des Differenzverstärkers mit dem einfachen Verstärker . . 66 5. Rauschmessungen an MOSFETs zwischen 300K und 4K 67 5.1 Die Versuchsanordnung............................. 67 5.1.1 Der Meßplatz.............................. 67 5.1.2 Die Umgebung zur Versuchsauswertung................. 70 5.2 Rauschmessungen an MOSFETs 300K-4K, schwache bis starke Inversion . . 73 5.2.1 Untersuchte Transistoren........................ 73 5.2.2 Messungen, Ergebnisse ......................... 73 5.3 Diskussion.................................... 81 6. Schaltkreisentwicklung und Meßergebnisse von Analog-Grundschaltungen für 4K 83 6.1 Überlegungen zur Auswahl der Bauelemente................. 83 6.2 Ein Verstärkertestchip............................. 85 6.2.1 Vorüberlegungen...... 86 6.2.2 Verstärker 1 (NDV)........................... 86 6.2.3 Verstärker 2 (PDV)......................... 89 VI
Inhaltsverzeichnis 6.2.4 Verstärker 3 (NOTA).......................... 89 6.2.5 Verstärker 4 (POTA).......................... 91 6.2.6 Verstärker 5 (NDC)........................... 92 6.2.7 Verstärker 6 (DCL)........................... 93 6.2.8 Weitere Strukturen........................... 95 6.3 Meßergebnisse 300K - 4K ........................... 97 6.3.1 NDV................................... 98 6.3.2 PDV...................................103 6.3.3 POTA..................................105 6.3.4 NDC...................................110 6.3.5 DCL.......7...........................114 6.4 Diskussion......... 118 6.4.1 Fazit für 300K bis 4K..........................118 6.4.2 Erwärmung der Chipoberfläche durch Verlustleistung........120 7. Prozeßoptimierung und Bauelementmodellierung für 4K 122 7.1 Technologie abgestufter Drainstrukturen...................123 7.2 Analyse abgestufter Drainstrukturen.....................125 7.3 Verwendung bei 4K...............................130 7.4 Auswirkung der DDD Struktur auf den Current Kink............131 7.5 Prozeßführung für eine Tieftemperatur DDD.................131 8. Fortgeschrittene rauscharme Analogschaltungstechnik für 4K 136 8.1 Vorschläge zur Verbesserung der Grundschaltungen.............136 8.1.1 Einfache schaltungstechnische Maßnahmen..............136 8.1.2 Unterdrückung des 1/f-Rauschens mittels getakteter Schaltungstechnik ..................................137 8.1.3 Elimination von Offset und Drift durch zusätzlichen Fehlerverstärker 141 8.2 Das IHT Analog/Digital-Transistorarray für Forschung und Lehre.....142 8.3 Semi-Custom Entwurf für das Analog/Digital-Transistorarray.......144 8.3.1 Chopper Verstärker...........................145 8.4 Full-Custom Multi-Projekt-Chip.......................149 VII
Inhaltsverzeichnis 8.4.1 Chopper Instrumentierungsverstärker für Experimente in der Supraleitungsphysik ..............................149 8.4.2 Ein drift- und offsetarmer OpAmp mit skaliertem Fehlerverstärker . 152 8.4.3 Layout des Verstärkerchips.......................156 9. Zusammenfassung und Ausblick 159 9.1 Die Ergebnisse der Arbeit...........................159 9.2 Ausblick.....................................161 A. Parameterextraktion für die THD-CMOS Prozesse 162 A.l Parameteranpassung durch nicht-linearen Fit (LMA)............162 A.2 Die SPICE-Parameter der THD-CMOS-Prozesse..............164 B. Das 1/f-Rauschen in schwacher und starker Inversion 166 C. Die abgeschirmte Vorverstärkereinheit für Rauschmessungen 171 C.l Anordnung zur Rauschmessung von MoSFETs ................171 C.2 Anordnung zur Rauschmessung von Operationsverstärkern.........173 C.3 Zusätzliche Vorkehrungen gegen Störeinstrahlungen.............174 C.4 Beitrag des Meßaufbaus zum Gesamtrauschen................174 Betreute Studien- und Diplomarbeiten 176 Veröffentlichungen und Vorträge 178 Literaturverzeichnis 179 VIII
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