模擬集成電路設計

本書是作者結合多年的集成電路科研實踐以及“模擬集成電路設計”等課程的教學經驗，並參考國內外同類教材的基礎上，精心編著而成的。本書基於現代CMOS工藝，從電路元器件出發，詳細分析了各種典型模擬CMOS集成電路的工作原理和設計方法，並引入大量的工程設計實例，對模擬集成電路的研究和設計具有較高的學術和工程實用價值。本書還具有通俗易懂、便於自學的特點。全書共分10章，其中前8章介紹CMOS元器件以及經典模擬集成電路模塊的基礎知識和設計方法，後2章介紹它們的具體應用，包括時鐘信號產生電路和數據轉換電路。本書可供微電子與集成電路（或集成電路科學與工程）專業的本科生以及研究生作為教材使用（理論教學大約需要60學時），也可供模擬集成電路設計工程師參考。本書的讀者應具備“電路分析基礎”以及“信號與系統”等方面的專業基礎知識，如果讀者還具備“半導體物理和器件”以及“集成電路製造工藝”等方面的專業知識，則更容易理解本書的內容。

第1章緒論 1
1.1 集成電路的發展歷史及趨勢 1
1.2 模擬集成電路的功能及應用領域 3
1.2.1 電源管理電路 3
1.2.2 驅動電路 4
1.2.3 模擬-數字接口電路 4
1.2.4 時鐘信號產生電路 5
1.2.5 射頻集成電路 6
1.2.6 有源濾波器 6
1.2.7 電子成像及傳感器電路 7
1.2.8 半導體存儲器電路 7
1.3 模擬集成電路與數字集成電路的區別 8
1.4 模擬集成電路的設計流程 9
1.5 HSpice仿真簡介 11
本章小結 13

第2章元器件及其模型 14
2.1 pn結與二極管 14
2.1.1 pn結的形成 15
2.1.2 pn結的特性 16
2.1.3 二極管 19
2.2 雙極型晶體管 22
2.2.1 結構及工藝實現 22
2.2.2 基本工作原理 23
2.2.3 大信號模型 26
2.2.4 小信號模型 28
2.3 CMOS器件 32
2.3.1 物理結構 32
2.3.2 電路符號 34
2.3.3 版圖設計 34
2.3.4 工作原理 35
2.3.5 大信號模型 37
2.3.6 二級效應 43
2.3.7 小信號模型 46
2.3.8 寄生電容 48
2.3.9 閂鎖效應 52
2.3.10 傳輸門電路 54
2.3.11 短溝道效應 56
2.4 電阻 56
2.4.1 方塊電阻 56
2.4.2 多晶矽電阻 57
2.4.3 n阱電阻 59
2.4.4 擴散電阻 59
2.4.5 金屬電阻 60
2.4.6 電阻模型 60
2.5 電容 60
2.5.1 平板電容的結構 60
2.5.2 傳統電容 61
2.5.3 CMOS電容 62
2.5.4 金屬-金屬電容 64
2.5.5 電容模型 64
2.6 混合電壓CMOS工藝 65
本章小結 66
附錄A：CMOS工藝技術簡介 66
附錄B：CMOS傳輸門的導通電阻仿真 68
參考文獻 69
習題 70

第3章單級放大器 74
3.1 電流鏡 74
3.1.1 電流鏡的結構 75
3.1.2 電流鏡的誤差 76
3.1.3 電流鏡的小信號等效電路 78
3.2 共源放大器 79
3.2.1 電阻負載共源放大器 79
3.2.2 二極管負載共源放大器 84
3.2.3 電流鏡負載共源放大器 87
3.2.4 推挽放大器 91
3.3 源極跟隨器 92
3.4 共柵放大器 95
3.5 共源共柵電流鏡 97
3.5.1 普通共源共柵電流鏡 98
3.5.2 寬擺幅共源共柵電流鏡 99
3.5.3 共源共柵電流鏡的輸出電阻 100
3.6 共源共柵放大器 101
3.6.1 套筒式共源共柵放大器 101
3.6.2 折疊式共源共柵放大器 104
3.7 放大器的頻率特性 107
3.7.1 共源放大器 108
3.7.2 源極跟隨器 111
3.7.3 共源共柵放大器 113
本章小結 114
參考文獻 115
習題 115

第4章運算放大器 121
4.1 差動放大器 121
4.1.1 電阻負載差動放大器 121
4.1.2 有源負載差動放大器 126
4.1.3 單端輸出差動放大器 129
4.1.4 差動放大器的頻率特性 132
4.2 運算放大器的基本結構 133
4.2.1 概述 133
4.2.2 普通兩級運算放大器 134
4.3 穩定性與相位補償 137
4.3.1 閉環工作時的穩定性 137
4.3.2 相位補償方法 140
4.4 運算放大器的性能分析 150
4.4.1 直流或低頻特性 150
4.4.2 高頻特性 154
4.4.3 瞬態特性 155
4.4.4 增益線性度 159
4.5 運算放大器的性能仿真 159
4.5.1 DC特性仿真 159
4.5.2 AC特性仿真 162
4.5.3 瞬態特性仿真 166
4.6 兩級運算放大器設計實例 167
本章小結 172
參考文獻 172
習題 173

第5章高性能運算放大器 177
5.1 套筒式共源共柵運算放大器 177
5.2 折疊式共源共柵運算放大器 181
5.3 高增益運算放大器 185
5.4 軌對軌運算放大器 188
5.5 差動輸入-差動輸出運算放大器 192
5.6 微功耗運算放大器 198
5.7 輸出級電路 199
5.7.1 輸出級電路的類型 199
5.7.2 源極跟隨器輸出級 200
5.7.3 甲乙類共源輸出級 202
5.7.4 低功耗輸出級 206
5.7.5 運算放大器的輸出電阻分析和仿真 207
本章小結 209
參考文獻 209
習題 210

第6章比較器 213
6.1 比較器的電路符號與理想特性 213
6.2 比較器的性能參數 214
6.2.1 精度 214
6.2.2 輸入失調電壓 214
6.2.3 傳輸時延 215
6.2.4 比較器的其他性能參數 215
6.3 比較器的結構與電路實例 216
6.3.1 開環運算放大器構成的比較器 216
6.3.2 預放大器+鎖存器結構 218
6.3.3 反相器型比較器 219
6.4 比較器的失調電壓校正技術 221
6.4.1 輸入失調存儲技術 222
6.4.2 輸出失調存儲技術 223
6.4.3 改進的輸出失調存儲技術 224
6.5 遲滯比較器 227
6.5.1 外部正反饋遲滯比較器 228
6.5.2 內部正反饋遲滯比較器 230
本章小結 236
參考文獻 236
習題 236

第7章基準電壓與電流 239
7.1 MOS管型基準源 239
7.1.1 MOS管型分壓電路 239
7.1.2 自偏置MOS管型基準源 241
7.2 二極管型基準源 246
7.2.1 與CMOS工藝兼容的雙極型晶體管和等效二極管 246
7.2.2 具有負溫度係數的基準源 248
7.2.3 具有正溫度係數的基準源 249
7.2.4 帶隙基準電壓 250
7.2.5 高精度基準電流源 254
7.3 基準電壓調節電路 255
7.3.1 同相輸入比例放大器 256
7.3.2 電荷泵電路 256
7.3.3 線性穩壓電源 258
7.3.4 開關穩壓電源 259
本章小結 260
參考文獻 261
習題 261

第8章電路噪聲 265
8.1 電路噪聲的性質與表徵 265
8.2 電路的信噪比 267
8.3 電路元器件的噪聲及其電學模型 267
8.3.1 電阻 267
8.3.2 CMOS管 268
8.3.3 CMOS開關 271
8.4 電路噪聲性能分析 273
8.4.1 共源放大器 273
8.4.2 共柵放大器 274
8.4.3 源極跟隨器 275
8.4.4 共源共柵放大器 276
8.4.5 差動放大器 278
8.4.6 運算放大器 279
8.4.7 電流鏡電路 281
8.5 低噪聲折疊式共源共柵放大器的設計實例 281
本章小結 283
參考文獻 284
習題 284

第9章時鐘信號產生電路 287
9.1 電容充放電振盪器 287
9.1.1 反相器環型振盪器 287
9.1.2 RC振盪器 289
9.1.3 窗口比較式振盪器 291
9.2 鎖相環 293
9.2.1 鎖相環的基本結構和工作原理 293
9.2.2 鎖相環的小信號電路模型 297
9.2.3 鎖相環的跟踪與捕獲 300
9.2.4 鎖相環的性能參數 301
9.2.5 鎖相環的應用 302
9.3 延遲鎖相環 304
9.3.1 模擬延遲鎖相環 304
9.3.2 數字延遲鎖相環 306
本章小結 311
參考文獻 311
習題 311

第10章數據轉換電路 314
10.1 模數轉換器的性能參數 314
10.1.1 ADC的分辨率和量化誤差 315
10.1.2 ADC的靜態誤差 316
10.1.3 ADC的動態誤差 319
10.2 典型的ADC電路 321
10.2.1 並行式ADC 322
10.2.2 兩步式ADC 322
10.2.3 流水線ADC 323
10.2.4 逐次逼近ADC 333
10.2.5 積分型ADC 340
10.2.6 威爾金森ADC 341
10.2.7 過採樣ADC 342
10.3 ADC的性能仿真與測試 352
10.3.1 靜態性能的仿真與測試 353
10.3.2 動態性能的仿真與測試 353
10.4 數模轉換器的基本性能 355
10.4.1 DAC的靜態誤差 356
10.4.2 DAC的動態誤差 358
10.5 典型的數模轉換器電路 359
10.5.1 梯形電阻網絡DAC 359
10.5.2 二進制加權電阻網絡DAC 360
10.5.3 R-2R梯形電阻網絡DAC 361
10.5.4 電流舵DAC 362
10.5.5 電容型DAC 363
本章小結 364
參考文獻 364
習題 365