模拟集成电路设计

本书是作者结合多年的集成电路科研实践以及“模拟集成电路设计”等课程的教学经验，并参考国内外同类教材的基础上，精心编著而成的。本书基于现代CMOS工艺，从电路元器件出发，详细分析了各种典型模拟CMOS集成电路的工作原理和设计方法，并引入大量的工程设计实例，对模拟集成电路的研究和设计具有较高的学术和工程实用价值。本书还具有通俗易懂、便于自学的特点。全书共分10章，其中前8章介绍CMOS元器件以及经典模拟集成电路模块的基础知识和设计方法，后2章介绍它们的具体应用，包括时钟信号产生电路和数据转换电路。本书可供微电子与集成电路（或集成电路科学与工程）专业的本科生以及研究生作为教材使用（理论教学大约需要60学时），也可供模拟集成电路设计工程师参考。本书的读者应具备“电路分析基础”以及“信号与系统”等方面的专业基础知识，如果读者还具备“半导体物理和器件”以及“集成电路制造工艺”等方面的专业知识，则更容易理解本书的内容。

魏廷存，（日本）東北大学工学博士，西北工业大学微电子学院教授、博士生导师、集成电路设计学科带头人。主要从事模拟与混合信号专用集成电路的研究开发与人才培养，在混合高压工艺、数模混合信号CMOS集成电路领域，研制成功多款TFT-LCD驱动控制芯片、高速高精度ADC和DAC芯片、数字电源控制芯片以及探测器/传感器前端读出电路芯片等。主讲《模拟集成电路设计》、《高级模拟集成电路设计》和《混合信号集成电路与微系统》等课程。已发表研究论文200余篇，获授权发明专利20余项，获省部级科学技术奖一、二等奖3项，主编教材2部，培养博士和硕士研究生100余人。

第1章绪论1
1.1集成电路的发展历史及趋势1
1.2模拟集成电路的功能及应用领域3
1.2.1电源管理电路3
1.2.2驱动电路4
1.2.3模拟-数字接口电路4
1.2.4时钟信号产生电路5
1.2.5射频集成电路6
1.2.6有源滤波器6
1.2.7电子成像及传感器电路7
1.2.8半导体存储器电路7
1.3模拟集成电路与数字集成电路的区别8
1.4模拟集成电路的设计流程9
1.5HSpice仿真简介11
本章小结13
第2章元器件及其模型14
2.1pn结与二极管14
2.1.1pn结的形成15
2.1.2pn结的特性16
2.1.3二极管19
2.2双极型晶体管22
2.2.1结构及工艺实现22
2.2.2基本工作原理23
2.2.3大信号模型26
2.2.4小信号模型28
2.3CMOS器件32
2.3.1物理结构32
2.3.2电路符号34
2.3.3版图设计34
2.3.4工作原理35
2.3.5大信号模型37
2.3.6二级效应43
2.3.7小信号模型46
2.3.8寄生电容48
2.3.9闩锁效应52
2.3.10传输门电路54
2.3.11短沟道效应56
2.4电阻56
2.4.1方块电阻56
2.4.2多晶硅电阻57
2.4.3n阱电阻59
2.4.4扩散电阻59
2.4.5金属电阻60
2.4.6电阻模型60
2.5电容60
2.5.1平板电容的结构60
2.5.2传统电容61
2.5.3CMOS电容62
2.5.4金属-金属电容64
2.5.5电容模型64
2.6混合电压CMOS工艺65
本章小结66
附录A：CMOS工艺技术简介66
附录B：CMOS传输门的导通电阻仿真68
参考文献69
习题70
第3章单级放大器74
3.1电流镜74
3.1.1电流镜的结构75
3.1.2电流镜的误差76
3.1.3电流镜的小信号等效电路78
3.2共源放大器79
3.2.1电阻负载共源放大器79
3.2.2二极管负载共源放大器84
3.2.3电流镜负载共源放大器87
3.2.4推挽放大器91
3.3源极跟随器92
3.4共栅放大器95
3.5共源共栅电流镜97
3.5.1普通共源共栅电流镜98
3.5.2宽摆幅共源共栅电流镜99
3.5.3共源共栅电流镜的输出电阻100
3.6共源共栅放大器101
3.6.1套筒式共源共栅放大器101
3.6.2折叠式共源共栅放大器104
3.7放大器的频率特性107
3.7.1共源放大器108
3.7.2源极跟随器111
3.7.3共源共栅放大器113
本章小结114
参考文献115
习题115
第4章运算放大器121
4.1差动放大器121
4.1.1电阻负载差动放大器121
4.1.2有源负载差动放大器126
4.1.3单端输出差动放大器129
4.1.4差动放大器的频率特性132
4.2运算放大器的基本结构133
4.2.1概述133
4.2.2普通两级运算放大器134
4.3稳定性与相位补偿137
4.3.1闭环工作时的稳定性137
4.3.2相位补偿方法140
4.4运算放大器的性能分析150
4.4.1直流或低频特性150
4.4.2高频特性154
4.4.3瞬态特性155
4.4.4增益线性度159
4.5运算放大器的性能仿真159
4.5.1DC特性仿真159
4.5.2AC特性仿真162
4.5.3瞬态特性仿真166
4.6两级运算放大器设计实例167
本章小结172
参考文献172
习题173
第5章高性能运算放大器177
5.1套筒式共源共栅运算放大器177
5.2折叠式共源共栅运算放大器181
5.3高增益运算放大器185
5.4轨对轨运算放大器188
5.5差动输入-差动输出运算放大器192
5.6微功耗运算放大器198
5.7输出级电路199
5.7.1输出级电路的类型199
5.7.2源极跟随器输出级200
5.7.3甲乙类共源输出级202
5.7.4低功耗输出级206
5.7.5运算放大器的输出电阻分析和仿真207
本章小结209
参考文献209
习题210
第6章比较器213
6.1比较器的电路符号与理想特性213
6.2比较器的性能参数214
6.2.1精度214
6.2.2输入失调电压214
6.2.3传输时延215
6.2.4比较器的其他性能参数215
6.3比较器的结构与电路实例216
6.3.1开环运算放大器构成的比较器216
6.3.2预放大器+锁存器结构218
6.3.3反相器型比较器219
6.4比较器的失调电压校正技术221
6.4.1输入失调存储技术222
6.4.2输出失调存储技术223
6.4.3改进的输出失调存储技术224
6.5迟滞比较器227
6.5.1外部正反馈迟滞比较器228
6.5.2内部正反馈迟滞比较器230
本章小结236
参考文献236
习题236
第7章基准电压与电流239
7.1MOS管型基准源239
7.1.1MOS管型分压电路239
7.1.2自偏置MOS管型基准源241
7.2二极管型基准源246
7.2.1与CMOS工艺兼容的双极型晶体管和等效二极管246
7.2.2具有负温度系数的基准源248
7.2.3具有正温度系数的基准源249
7.2.4带隙基准电压250
7.2.5高精度基准电流源254
7.3基准电压调节电路255
7.3.1同相输入比例放大器256
7.3.2电荷泵电路256
7.3.3线性稳压电源258
7.3.4开关稳压电源259
本章小结260
参考文献261
习题261
第8章电路噪声265
8.1电路噪声的性质与表征265
8.2电路的信噪比267
8.3电路元器件的噪声及其电学模型267
8.3.1电阻267
8.3.2CMOS管268
8.3.3CMOS开关271
8.4电路噪声性能分析273
8.4.1共源放大器273
8.4.2共栅放大器274
8.4.3源极跟随器275
8.4.4共源共栅放大器276
8.4.5差动放大器278
8.4.6运算放大器279
8.4.7电流镜电路281
8.5低噪声折叠式共源共栅放大器的设计实例281
本章小结283
参考文献284
习题284
第9章时钟信号产生电路287
9.1电容充放电振荡器287
9.1.1反相器环型振荡器287
9.1.2RC振荡器289
9.1.3窗口比较式振荡器291
9.2锁相环293
9.2.1锁相环的基本结构和工作原理293
9.2.2锁相环的小信号电路模型297
9.2.3锁相环的跟踪与捕获300
9.2.4锁相环的性能参数301
9.2.5锁相环的应用302
9.3延迟锁相环304
9.3.1模拟延迟锁相环304
9.3.2数字延迟锁相环306
本章小结311
参考文献311
习题311
第10章数据转换电路314
10.1模数转换器的性能参数314
10.1.1ADC的分辨率和量化误差315
10.1.2ADC的静态误差316
10.1.3ADC的动态误差319
10.2典型的ADC电路321
10.2.1并行式ADC322
10.2.2两步式ADC322
10.2.3流水线ADC323
10.2.4逐次逼近ADC333
10.2.5积分型ADC340
10.2.6威尔金森ADC341
10.2.7过采样ADC342
10.3ADC的性能仿真与测试352
10.3.1静态性能的仿真与测试353
10.3.2动态性能的仿真与测试353
10.4数模转换器的基本性能355
10.4.1DAC的静态误差356
10.4.2DAC的动态误差358
10.5典型的数模转换器电路359
10.5.1梯形电阻网络DAC359
10.5.2二进制加权电阻网络DAC360
10.5.3R-2R梯形电阻网络DAC361
10.5.4电流舵DAC362
10.5.5电容型DAC363
本章小结364
参考文献364
习题365