Empyrean模拟集成电路设计与工程

聚焦核心理论与技术，模拟复现与创新设计相结合。通过“先仿复现、后创新设计”的教学思路，帮助读者深入理解并掌握集成电路的基础知识和设计理念。 引入工程技术思路，介绍产业发展趋势。广泛纳入模拟集成电路的工程技术思路，帮助读者理解产业与工程设计的内在联系。 基于国产EDA工具，培养工程实践能力。采用华大九天Empyrean工具进行教学和实验，提供更加贴近产业实际的教学环境。

本书着重介绍模拟集成电路的核心特性和设计方法，理论部分简要介绍拟集成电路涉及的公式和原理，通过仿真案例为教学打下基础，确保读者能够“知其然，知其所以然”。本书以“先模仿复现、后创新设计”的思路设置了不同难度的仿真练习，并详细介绍操作流程，使读者可以自主完成相应的仿真实验，从而掌握集成电路设计思路逐步培养全局规划能力和工程思维方式，为后续深入学习高阶模拟集成电路课程奠定坚实的基础。本书适合电子信息和集成电路相关专业本科生和研究生阅读，也可为模拟集成电路技术发烧友提供有益参考。

胡远奇 长期从事高精度数模混合集成电路设计工作。2015年获英国帝国理工学院博士学位，2015—2018年担任芯片企业Cirrus Logic的研发设计师，2018年入职北京航空航天大学，获评国 家级青年人才。主持国家自然科学基金区域联合重点项目等7个项目，发表论文20余篇。担任国家“十四五”重点研发计划“微纳电子技术”重点专项总体专 家组成员、IEEE TBiOCAS 编委及IEEECAS传感系统技术委员会委员等。 王昭昊 长期从事存储器及集成电路教学科研工作。2015年获法国巴黎萨克雷大学物理学博士学位，2016年入职北京航空航天大学。主讲本科生核心专业课“模拟集成电路基础”，以第 一作者或通信作者身份发表学术论文60余篇，获30余项发明专利授权，转让专利4项。获北京市高等教育教学成果二等奖、中国电子学会自然科学一等奖等。

第1章绪论1
1．1经典的模拟集成电路1
1．2模拟集成电路的主要推动力2
1．3CMOS技术与工艺3
1．4设计技巧与工程思想3
1．5电路仿真工具：华大九天Empyrean4
第2章MOSFET物理特性6
2．1MOSFET的基本伏安特性6
2．1．1原理简介6
2．1．2仿真实验：MOSFET的伏安特性曲线7
2．1．3仿真实验：MOSFET的二级效应14
2．2MOSFET的小信号模型21
2．2．1小信号模型的理论依据21
2．2．2仿真实验：MOSFET的小信号参数测试24
2．3MOSFET的几种常见连接方式33
2．3．1MOSFET的二极管连接方式33
2．3．2MOSFET的电流源连接方式34
2．3．3仿真实验：二极管连接型MOSFET和电流源连接型MOSFET34
2．4课后练习37
第3章CMOS单级放大器38
3．1共源放大器38
3．1．1以电阻为负载的共源放大器38
3．1．2推挽放大器41
3．1．3带源极负反馈的共源放大器42
3．1．4仿真实验：共源放大器43
3．2源跟随器51
3．2．1源跟随器的基础理论52
3．2．2仿真实验：源跟随器仿真53
3．3共栅放大器56
3．3．1共栅放大器的基础理论56
3．3．2仿真实验：共栅放大器的仿真57
3．4共源共栅放大器60
3．4．1共源共栅放大器的基础理论61
3．4．2仿真实验：共源共栅放大器的仿真62
3．5课后练习65
第4章CMOS差分放大器66
4．1基本差分对66
4．1．1基本差分对的直流分析67
4．1．2仿真实验：基本差分对的直流特性分析68
4．1．3半边电路法71
4．1．4仿真实验：基本差分对的小信号特性分析73
4．2共模响应76
4．2．1尾电流源阻抗的影响76
4．2．2MOSFET失配的影响78
4．2．3仿真实验：差分放大器的共模响应78
4．3课后练习84
第5章电流镜与偏置电路85
5．1电流镜的工作原理85
5．1．1基本电流镜85
5．1．2共源共栅电流镜87
5．1．3仿真实验：电流镜的特性曲线88
5．2高输出摆幅的共源共栅电流镜91
5．2．1共源共栅电流镜摆幅分析91
5．2．2两种高输出摆幅的共源共栅电流镜91
5．2．3仿真实验：高输出摆幅的共源共栅电流镜94
5．3电流镜用作有源负载96
5．3．1有源负载的原理96
5．3．2仿真实验：以电流镜作为负载的差分放大器98
5．4偏置电路103
5．4．1恒定跨导偏置电路104
5．4．2仿真实验：恒定跨导偏置电路106
5．5课后练习111
第6章频率响应112
6．1频域分析的基础理论112
6．1．1零点和极点112
6．1．2波特图114
6．1．3仿真实验：二阶系统的幅频响应116
6．2共源放大器的频率特性121
6．2．1MOSFET电容121
6．2．2小信号分析法121
6．2．3近似分析123
6．2．4特征频率125
6．2．5仿真实验：共源放大器的频率响应126
6．3课后练习131
第7章MOSFET的进阶特性132
7．1弱反型区132
7．1．1理论分析与模型132
7．1．2仿真实验：MOSFET的弱反型区134
7．2速度饱和区138
7．2．1理论分析与模型138
7．2．2仿真实验：MOSFET的速度饱和区140
7．3共源放大器的特征频率142
7．3．1跨区域特征频率估算142
7．3．2仿真实验：共源放大器的特征频率144
7．4跨区域的工程设计方法论147
7．4．1gmID方法论147
7．4．2仿真实验：gmID工程设计方法148
7．5课后练习150
第8章反馈与稳定性151
8．1反馈与稳定性问题151
8．1．1开环增益、闭环增益与环路增益151
8．1．2运算放大器的反馈152
8．1．3运算放大器的稳定性154
8．1．4仿真实验：相位裕度的测量159
8．2有源负载差分对的稳定性164
8．2．1有源负载差分对164
8．2．2仿真实验：有源负载差分对的频率特性166
8．3课后练习169
第9章密勒运算放大器的系统性设计170
9．1两级运算放大器的稳定性问题170
9．1．1两级运算放大器的级联170
9．1．2极点分离技术171
9．1．3正零点补偿技术173
9．1．4仿真实验：两级运算放大器中的密勒补偿176
9．2密勒运算放大器的系统性设计方法179
9．2．1运算放大器的系统性设计思路179
9．2．2仿真实验：运算放大器系统性设计方法182
9．3课后练习184
第10章噪声185
10．1晶体管的噪声185
10．1．1热噪声185
10．1．2闪烁噪声188
10．1．3噪声带宽189
10．1．4仿真实验：MOSFET噪声特性的标定190
10．2电路系统中的噪声优化193
10．2．1噪声的等效转换193
10．2．2仿真实验：五管OTA的噪声优化198
10．3课后练习201
第11章失调与共模抑制比202
11．1失调的来源202
11．1．1随机性失调202
11．1．2电路中失调因素的转换205
11．1．3系统性失调206
11．1．4仿真实验：五管OTA的输入等效失调电压优化207
11．2共模抑制比210
11．2．1随机性共模抑制比211
11．2．2系统性共模抑制比214
11．2．3共模抑制比的仿真测量方法218
11．2．4仿真实验：五管OTA的共模抑制比设计与优化219
11．3课后练习223
附录本书180nm工艺下gm ID仿真图224