現代模擬集成電路設計

本書圍繞先進工藝節點,基於跨導效率的設計方法介紹現代模擬集成電路的分析與設計方法。全書大體上分為三部分: 第一部分(第1~7章)對模擬集成電路中的基本元件晶體管,以及基本的分析與設計方法進行介紹,包括晶體管的長溝道模型與小信號模型、晶體管的基本電路結構、晶體管的性能指標、基於跨導效率的模擬電路設計方法、模擬電路的帶寬分析方法、模擬電路中的噪聲等。第二部分(第 8~10章)介紹模擬電路設計中常見的一些問題與設計技巧,如器件偏差、差分結構、負反饋技術等,並 引入模擬電路中最常見的電路結構,即運算放大器與開關電容電路。第三部分(第11~14章)詳細介紹 了運算放大器的分析與設計方法,並提供完整的運算放大器設計實例作為參考。此外,第15章和第16章還介紹了基準源電路以及集成電路的工藝演進。 本書既可作為集成電路設計領域的本科生和研究生教材,也可供相關科研人員和工程技術人員參考。

目錄

第1章晶體管的長溝道模型

1.1MOS晶體管基本工作原理

1.2晶體管的電壓電流關系

1.3晶體管工作區的劃分

1.4晶體管本徵電容

1.5晶體管寄生電容

1.5.1交疊電容

1.5.2pn結電容

1.5.3包含寄生電容的晶體管電容模型

1.5.4阱電容

1.6背柵效應

1.7本章小結

第2章放大器線性化分析

2.1基於晶體管大信號模型的放大器增益分析

2.2晶體管的小信號模型

2.2.1晶體管飽和區小信號模型

2.2.2晶體管線性區小信號模型

2.3基於晶體管小信號模型的放大器性能分析

2.4本章小結

第3章晶體管基本電路結構

3.1共源放大器

3.2共柵放大器

3.2.1輸入輸出特性

3.2.2輸入輸出阻抗

3.3共源共柵放大器

3.3.1共源共柵結構對電路增益的改善

3.3.2共源共柵結構對電路帶寬的改善

3.4共漏放大器

3.4.1共漏放大器的頻響特性

3.4.2共漏放大器的輸入輸出阻抗

3.4.3共漏極的應用

3.5電流鏡

3.5.1基本電流鏡

3.5.2共源共柵電流鏡

3.5.3電流鏡去耦

3.6本章小結

第4章晶體管的性能指標

4.1跨導效率、特徵頻率和本徵增益的定義

4.1.1跨導效率的定義

4.1.2特徵頻率的定義

4.1.3本徵增益的定義

4.1.4晶體管性能指標之間的聯系

4.2晶體管性能指標與偏置電壓之間的實際關系

4.2.1跨導效率與過驅動電壓的實際關系

4.2.2特徵頻率與過驅動電壓的關系

4.2.3本徵增益與過驅動電壓的關系

4.2.4漏源電壓對晶體管參數的影響

4.3本章小結

第5章基於跨導效率的模擬電路設計方法

5.1傳統設計方法及其弊端

5.2基於跨導效率設計方法及設計實例

5.2.1設計實例

5.2.2設計流程總結

5.3本章小結

第6章電路帶寬分析方法

6.1帶寬分析實例

6.2密勒近似

6.2.1密勒近似的基本原理

6.2.2密勒效應的一般情況

6.2.3密勒近似的準確性檢查

6.2.4輸出負載的影響

6.3零值時間常數分析

6.3.1零值時間常數分析的定義

6.3.2基於零值時間常數分析的帶寬估計

6.3.3零值時間常數分析方法的原理及局限性

6.4本章小結

第7章噪聲

7.1噪聲的基本概念

7.2熱噪聲

7.2.1電阻熱噪聲

7.2.2晶體管熱噪聲

7.3閃爍噪聲

7.3.1晶體管的閃爍噪聲

7.3.2其他器件的閃爍噪聲

7.4散粒噪聲

7.5柵極電阻噪聲

7.6電路中的噪聲分析

7.6.1簡單RC電路

7.6.2共源放大器

7.6.3共柵放大器

7.6.4共源共柵放大器

7.6.5共漏放大器

7.7能量均分原理

7.8本章小結

第8章差分電路

8.1差分概念的引入

8.2差分電路的分析方法及主要指標

8.2.1大信號分析

8.2.2小信號分析

8.2.3差分電路的共模抑制

8.2.4差分電路的電源抑制

8.2.5差分電路與單端電路的信噪比對比

8.3差分放大器分析

8.3.1電流鏡負載的差分放大器

8.3.2全差分與單端輸出

8.3.3全差分放大器的差模增益

8.4差分電路的常用技巧

8.4.1反相連接

8.4.2中和電容和負電阻

8.5本章小結

第9章器件偏差

9.1工藝、電壓、溫度偏差

9.2失配

9.2.1系統失配

9.2.2隨機失配

9.3本章小結

第10章負反饋

10.1負反饋的意義和基本原理

10.1.1負反饋提高增益準確度

10.1.2負反饋提高線性度

10.1.3負反饋延展帶寬

10.1.4理想反饋框圖的局限性

10.2負反饋基本模式

10.2.1電壓電壓負反饋

10.2.2電流電壓負反饋

10.2.3電流電流負反饋

10.2.4電壓電流負反饋

10.2.5負反饋網絡埠阻抗分析

10.3負反饋電路的穩定性判據

10.3.1BIBO穩定性判據

10.3.2巴克豪森判據

10.3.3奈奎斯特判據

10.4負反饋電路分析方法

10.4.1迴路比值分析法

10.4.2Middlebrook方法

10.4.3Blackman阻抗公式及實例

10.5本章小結

第11章運算放大器基礎

11.1運算放大器的基本概念

11.2運算放大器的基本指標

11.3基本單端運算跨導放大器

11.4基本全差分運算跨導放大器

11.4.1五管運算跨導放大器

11.4.2套筒式運算跨導放大器

11.4.3折疊式運算跨導放大器

11.5共模反饋

11.6本章小結

第12章開關電容電路

12.1開關電容電路的基本概念

12.2開關電容電路基礎模塊

12.2.1開關電容電阻

12.2.2開關電容濾波器

12.2.3飛電容

12.2.4處理連續時間信號的有源開關電容電路

12.2.5處理離散時間信號的有源開關電容電路

12.3開關電容的非理想效應與底板採樣技術

12.4連續時間系統與離散時間系統的映射關系

12.5開關電容電路的噪聲

12.6本章小結

第13章運算放大器進階

13.1多級運算放大器

13.1.1單級運算放大器的局限性

13.1.2兩級運算放大器

13.2小信號響應

13.2.1運算放大器的頻響分析

13.2.2運算放大器的穩定性

13.2.3主極點補償

13.2.4平行補償

13.2.5密勒補償

13.2.6前饋補償

13.2.7階躍響應

13.3大信號響應

13.3.1壓擺

13.3.2大信號穩定性

13.4輸出級

13.4.1輸出級的分類

13.4.2推輓互補輸出級

13.5本章小結

第14章運算放大器設計實踐

14.1套筒式共源共柵放大器設計

14.1.1指標分析

14.1.2尺寸設計

14.1.3偏置電路及共模反饋電路設計

14.1.4電路模擬

14.2全差分兩級跨導運算放大器設計

14.2.1指標分析

14.2.2尺寸設計與優化

14.2.3共模反饋電路設計

14.2.4電路模擬

14.3本章小結

第15章基準源

15.1基準源設計原理

15.1.1基於MOS管閾值電壓Vt的電流偏置

15.1.2基於雙極型晶體管VBE的電流偏置

15.2自偏置電流基準源

15.2.1自偏置電路的啟動電路

15.2.2基於VBE的自偏置電流基準源

15.2.3基於ΔVBE的電流參考電路

15.2.4基於ΔVGS的電流參考電路

15.3帶隙基準源原理

15.3.1基本帶隙基準電路

15.3.2低電壓的帶隙基準電路

15.3.3帶隙基準電路的非線性與補償

15.3.4應力對帶隙基準電路的影響

15.3.5帶隙基準電路中的失調

15.4本章小結

第16章工藝演進對模擬電路的影響

16.1理解摩爾定律

16.2工藝演進下電路特性的變化

16.3從模擬電路設計看摩爾定律

16.4本章小結

附錄A飽和區晶體管電容容值的推導

附錄B跨容

附錄C工藝演進與設計圖表

C.140nm工藝模擬曲線

C.212nm FinFET工藝模擬曲線

附錄D模擬方法

D.1直流分析

D.2交流分析

D.3穩定性分析

D.4噪聲分析

D.5瞬態分析

參考文獻