薄氧器件设计优化方案

在设计系统的模拟和混合信号部分时，必须做出的关键决定之一是使用薄氧器件还是使用一种氧化层较厚的器件。每种方式各有优缺点。如果考虑使用薄氧器件，就要求考虑前面讨论的所有的器件问题以确保设计能成功实现。

电源裕度现在也成为一个主要问题。实际上，在这些更先进工艺中，阈值电压正接近0.3V（假定slow models）。假如电源电压在1.0～1.2V的水平，考虑到温度和电源的变化，设计者必须保持电源电压达到阈值电压的三倍以上。使用较低阈值的薄氧器件（假定这是一种工艺选项）可以得到一定的电源裕度，但是这种方式会增加仿真中工艺角的复杂度。如果使用只是阈值电压不同的两类器件，它们的模型应该是部分相关的。这两类器件的多晶特征尺寸控制和氧化层厚度应该相似，只是调整阈值电压的注入工艺不同（但是仍然局部相关）。这时理解这两种模型之间的相关情况会变得困难。因此，如果可能的话，在关键电路中应该尽量避免使用几种不同阈值的器件。

假定混合信号模块的一部分是数字电路，如Sigma-Delta转换器中的数字滤波电路，使用薄氧器件的优点之一是可以减小总面积。由于无需进行电平转换，该设计方案中信号到核心电路的传送更简单。对锁相环电路来说，电平转换会成为一个特殊的问题，因为它会产生一个可能的相位误差，而且很难被正确补偿。

必须在结构上做出一些折衷，包括考虑使用薄氧器件对关键电路模块如VCO中的影响。对图4-9所示的简单VCO单元，两个偏压，V_BN和V_BP，与各自电源轨之间至少必须有一个阈值电压的差别。对初步估计，VCO的控制电压工作范围是：

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在0.13μm工艺中，V_CC可能是1.2V，V_tP和V_tN可能是0.32V，则V_control的电压摆幅是0.56V。在90nm工艺中，V_CC可能是1.0V，V_tP和V_tN可能是0.3V，导致V_control的电压摆幅是0.4V。如果VCO必须工作在相同的范围，例如1GHz到300MHz，不包括任何裕量，VCO的增益对0.13μm工艺是1250MHz/V，而对90nm工艺是1750MHz/V。90nm工艺时VCO增益高出很多。如果不采取任何措施去减小系统的噪声，90nm工艺锁相环的整体性能会退化，其原因是控制电压或电源轨的任何噪声都会被较高的VCO增益放大。

图4-9 简单的压控振荡器单元（来源于参考文献[12]）