射频设计中的电容发表时间:2022-09-29 10:13 我们在《射频集成电路及系统设计(附下载链接)》给出了这本书的中文版购买链接,以及英文电子版的下载链接。今天我们开始一起来学习一下第一章的内容:射频元件,这里介绍的射频元件主要包括射频电感和电容以及由其做成的LC谐振回路。
那么电容就是是指在给定电位差下自由电荷的储藏量,表征容纳储存电荷的能力。一般来说,电荷在电场中会受力而移动,当导体之间有了介质,则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上,造成电荷的累积储存,储存的电荷量则称为电容。
电压就是两个平板的电势差,就是沿着电场线方向把电荷Q从A点移动到B点产生的能量损失,即:
因此电容的表达式也就可以表述为:
通过上式可以看出电容与电荷量或者电势无关,只与电场强度有关。从物理意义上来说,电容就是在电学系统中储存电能或者等效电通量的能力。
上式是基于电场强度不变的均匀电场推导出来的电容公式。其中,UA-UB为两平行板间的电势差,εr为相对介电常数,k为静电力常量,S为两板正对面积,d为两板间距离。这个可以得出一个比较有意义的结论:电容正比于电容器面积和介电常数e,反比于电容器的距离d。也就是说,面积越大,介电常数越高,电容越大,距离越远,电容越小。
当1法拉的电容器上的电压以1伏特每秒(1 V/s)的速度变化时,就会产生1安培的电流。1法拉的电容上如果带有1库伦(1C)的电荷就会产生1伏特的势能差。
当电容应用在射频电路中时,这个法拉就更大了,实际应用中几乎没有直接用法拉这么大单位计量的电容器。
所以常用的电容单位通常有毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF)等,他们之间的换算关系如下:
= 10^3毫法(mF)
=10^6微法(μF)
=10^9纳法(nF)
=10^12皮法(pF)
电容的种类很多,根据电容器的制作工艺可分为:CBB电容(聚乙烯),涤纶电容、瓷片电容、云母电容、独石电容、电解电容、钽电容等。书中详细介绍了一种利用MOS晶体管的栅电容来实现的一种高密度的电容,但其电容值非线性,如下图所示,截取了书中所示的一个40nm常规NMOS管电容与栅极电压的仿真曲线。根据栅极电压不同,NMOS晶体管可以工作在积累区(Vgs<0),耗尽区(0<Vgs<Vth)或者反型区(Vgs>Vth)。
文中介绍是在积累区或者反型区,NMOS的电容值达到最大,近似等于Cox。但是这两个区,电容值最大。但是在反型区,器件的偏置电压应该大于阙值电压,这对于低电源电压的场合不太适用,因此就有了下图所示的积累型MOS电容,其电容特性曲线如下图所示。
那么还有一种电容形式在CMOS工艺中较为常见,即梳状电容,因为在CMOS工艺中,金属线可以靠的很近,获得很强的边缘电场。
CMOS相关工艺制作的梳状电容在书中有比较详细的介绍。在工艺所允许的最小空间内走最小宽度的金属线,构成梳状结构,连接在每一端的多层金属放在各自的顶层,进一步增加密度。
进一步,利用MOS的栅极电容和梳状电容相连,进一步提高电场密度,增加电容值。
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