Even and Odd Order Distortion Analysis of Integrated Resistors

Öz

Distortion in semiconductor amplifiers is due mainly to higher order coefficients encountered in active device input-output characteristics. Bipolar junction transistors (BJT), when modeled by an exponential diode current-voltage relationship, show an upper limit on input third order intermodulation product (IIP3) of 7.33 dBm that is independent of bias current and other BJT parameters. For CMOS transistors, nonlinear large signal behavior accompanied by channel length modulation has the potential to generate third order intermodulation products in the drain current in a common source configuration. The notion that the sources of nonlinearity are due only to active devices leads to incomplete and/or misleading conclusions while analyzing analog circuits. Resistor nonlinearities can cause inefficient/incorrect design decisions overseeing the limiting of system IIP3 due resistors, voltage dependent nonlinearity. This paper describes on-chip resistor nonlinearities and relates the voltage dependency of resistors to finite IM3 and IM2 generation. IIP3 and IIP2 of resistor currents for polysilicon and diffusion resistors are derived for optimal design of resistor sizes to meet overall circuit linearity requirement.

Anahtar Kelimeler

• Integrated resistor
• nonlinearity
• distortion

Entegre Dirençlerin Çift ve Tek Dereceli Bozulma Analizi

Öz

Yarı iletken yükselteçlerdeki bozulma, esas olarak aktif cihazların giriş-çıkış özelliklerinde karşılaşılan yüksek dereceli katsayılardan kaynaklanmaktadır. Bipolar jonksiyonlu transistörler (BJT), bir üstel diyot akım-gerilim ilişkisi ile modellendiğinde, polarlama akımından ve diğer BJT parametrelerinden bağımsız olarak, 7.33 dBm'lik giriş üçüncü dereceden intermodülasyon ürünü (IIP3) üzerinde bir üst sınır gösterir. CMOS transistörler için, kanal uzunluk modülasyonuyla birlikte doğrusal olmayan büyük sinyal davranışı, ortak-kaynak konfigürasyonunda savak akımında üçüncü dereceden intermodülasyon ürünleri üretme potansiyeline sahiptir. Doğrusallığı bozma kaynaklarının sadece aktif cihazlardan kaynaklandığı fikri, analog devreleri analiz ederken eksik ve/veya yanıltıcı sonuçlara yol açar. Dirençlerin doğrusal olmama durumları, sistemin IIP3 değerinin sınırlandıran verimsiz/yanlış tasarım kararlarına ve gerilime bağlı doğrusal olmamaya neden olabilir. Bu makale, entegre dirençlerin doğrusallık bozulmalarını açıklar ve dirençlerin gerilim bağımlılığını sonlu IM3 ve IM2 ürünleri ile ilişkilendirir. Ayrıca, polisilisyum ve difüzyon dirençleri için direnç akımlarının IIP3 ve IIP2'si, genel devre doğrusallık gereksinimini sağlayacak şekilde direnç boyutlarının optimum seçimini gerçekleştirmek üzere kaleme alınmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Entegre direnç
• doğrusal olmama
• bozulma

Kaynakça

1. P. Steinmann and E. Beach: ‘Simple analytical model of the thermal resistance of resistors in integrated circuits’, IEEE Trans. Electron Devices, 2010; 57(5): 1029–1036.
2. T. Williams and J. Thomas: ‘Current Noise and Nonlinearity in Carbon Resistors’, IRE Trans. Compon. Parts, 1958; 13: 112–114.
3. S. D. M. Da Rold, S. Van Huylenbroeck, B. Knuts, E. Simoen: ‘On the Basic Correlation between Polysilicon Resistor Linearity, Matching and 1/f Noise’. Proceedings of the 29th European Solid-State Device Research Conference, 1999: 648–651.
4. Minowa and H. Tominaga: ‘Resistor’s Linearity Testing’, Electromagn. Meas. Dig., 2004; 1: 356–357.
5. W. Lane and G. Wrixon: ‘The design of thin-film polysilicon resistors for analog IC applications’, IEEE Trans. Electron Devices, 1989; 36(4): 738–744.
6. R. Virkus, D. Weiser, K. Green, D. Richardson, and G. Westphal, : ‘Modeling of non-linear polysilicon resistors for analog circuit design’. Proc. of Int. Conf. Microelectron. Test Struct., 2001; 14: 89–91.
7. B. Razavi: ‘RF Microelectronics’ (Pearson, Upper Saddle River, NJ, 2012)