模擬集成電路設計 — 基於華大九天集成電路全流程設計平臺 Aether

第1 章 緒論 ................................................................................................................................. 1
1.1 模擬集成電路的應用 .................................................................................................... 1
1.2 模擬集成電路設計流程 ................................................................................................ 2
1.3 華大九天Empyrean Aether 簡介 .................................................................................. 3
第2 章 MOS 器件的基礎特性 ................................................................................................... 5
2.1 半導體物理基礎 ............................................................................................................ 5
2.1.1 單晶硅的晶體結構 ............................................................................................. 5
2.1.2 半導體能帶理論及載流子濃度 ......................................................................... 6
2.1.3 施主與受主雜質 ................................................................................................. 8
2.1.4 載流子的漂移運動和擴散運動 ......................................................................... 9
2.2 PN 結 ............................................................................................................................ 10
2.3 MIS 結構 ...................................................................................................................... 12
2.4 MOSFET 結構及其基本製造工藝流程 ..................................................................... 13
2.4.1 MOSFET 結構 .................................................................................................. 13
2.4.2 基本製造工藝流程 ........................................................................................... 14
2.5 MOSFET 的電學特性 ................................................................................................. 20
2.5.1 閾值電壓 ........................................................................................................... 20
2.5.2 I-V 特性分析 ..................................................................................................... 24
2.5.3 MOS 器件電容 ................................................................................................. 28
2.5.4 小信號模型 ....................................................................................................... 29
2.6 MOSFET 的I-V 特性模擬分析 .................................................................................. 30
習題 ....................................................................................................................................... 32
參考文獻 ............................................................................................................................... 32
第3 章 基本放大器 ................................................................................................................... 33
3.1 共源放大器 .................................................................................................................. 33
3.1.1 採用電阻負載的共源放大器 ........................................................................... 34
3.1.2 採用二極管連接負載的共源放大器 ............................................................... 36
3.1.3 採用電流源負載的共源放大器 ....................................................................... 38
3.1.4 帶有源極負反饋的共源放大器 ....................................................................... 39
3.2 源極跟隨器 .................................................................................................................. 41
3.2.1 直流特性分析 ................................................................................................... 41
3.2.2 小信號特性分析 ............................................................................................... 42
3.2.3 Class AB 驅動器 ............................................................................................... 42
3.3 共柵放大器 .................................................................................................................. 45
3.3.1 直流特性分析 ................................................................................................... 45
3.3.2 小信號特性分析 ............................................................................................... 46
3.3.3 基本單級放大器特性總結 ............................................................................... 48
3.4 共源共柵放大器 .......................................................................................................... 49
3.4.1 直流特性分析 ................................................................................................... 49
3.4.2 小信號特性分析 ............................................................................................... 49
3.5 折疊式共源共柵放大器 .............................................................................................. 52
3.6 基本放大器的直流特性模擬分析 .............................................................................. 53
3.6.1 採用電阻負載的共源放大器直流特性模擬分析 ........................................... 53
3.6.2 採用二極管連接負載的共源放大器直流特性模擬分析................................ 55
3.6.3 採用電流源負載的共源放大器直流特性模擬分析 ....................................... 56
3.6.4 帶有源極負反饋的共源放大器直流特性模擬分析 ....................................... 57
3.6.5 源極跟隨器直流特性模擬分析 ....................................................................... 59
3.6.6 共柵放大器直流特性模擬分析 ....................................................................... 60
3.6.7 共源共柵放大器直流特性模擬分析 ............................................................... 62
3.6.8 折疊式共源共柵放大器直流特性模擬分析 ................................................... 63
習題 ....................................................................................................................................... 64
參考文獻 ............................................................................................................................... 66
第4 章 CMOS 電流鏡 .............................................................................................................. 67
4.1 電流鏡基本概念 .......................................................................................................... 67
4.2 基本電流鏡 .................................................................................................................. 68
4.3 高輸出阻抗電流鏡 ...................................................................................................... 69
4.3.1 共源共柵電流鏡 ............................................................................................... 69
4.3.2 寬擺幅共源共柵電流鏡 ................................................................................... 70
4.3.3 威爾遜電流鏡 ................................................................................................... 71
4.3.4 阻抗提升型共源共柵電流鏡 ........................................................................... 72
4.4 非理想因素對電流鏡的影響 ...................................................................................... 73
4.4.1 側邊刻蝕 ........................................................................................................... 73
4.4.2 電壓降 ............................................................................................................... 74
4.5 電流鏡直流特性模擬分析 .......................................................................................... 75
4.5.1 基本電流鏡直流特性模擬分析 ....................................................................... 75
4.5.2 共源共柵電流鏡直流特性模擬分析 ............................................................... 76
4.5.3 寬擺幅共源共柵電流鏡直流特性模擬分析 ................................................... 77
4.5.4 威爾遜電流鏡直流特性模擬分析 ................................................................... 78
4.5.5 阻抗提升型共源共柵電流鏡直流特性模擬分析 ........................................... 80
習題 ....................................................................................................................................... 81
參考文獻 ............................................................................................................................... 82
第5 章 差分放大器 ................................................................................................................... 83
5.1 單端與差分工作方式對比 .......................................................................................... 83
5.2 基本差分對原理分析 .................................................................................................. 84
5.2.1 基本差分對直流特性分析 ............................................................................... 85
5.2.2 基本差分對的小信號分析 ............................................................................... 88
5.2.3 差分信號線的版圖考慮 ................................................................................... 89
5.3 共模抑制比 .................................................................................................................. 90
5.4 採用MOS 器件負載的差分放大器 ............................................................................ 92
5.4.1 採用電流源負載的差分放大器 ....................................................................... 92
5.4.2 採用二極管連接負載的差分放大器 ............................................................... 93
5.4.3 採用交叉耦合負載的差分放大器 ................................................................... 94
5.5 單端輸出差分放大器 .................................................................................................. 96
5.6 差分放大器模擬分析 .................................................................................................. 97
5.6.1 基本差分對特性模擬分析 ............................................................................... 97
5.6.2 共模抑制比模擬分析 ....................................................................................... 99
5.6.3 採用MOS 器件負載的差分放大器增益模擬分析 ....................................... 101
習題 ..................................................................................................................................... 103
參考文獻 ............................................................................................................................. 104
第6 章 放大器的頻率特性 ..................................................................................................... 105
6.1 極點的產生原理 ........................................................................................................ 105
6.2 傳遞函數與伯德圖 .................................................................................................... 107
6.2.1 傳遞函數 ......................................................................................................... 107
6.2.2 伯德圖 ............................................................................................................. 108
6.3 米勒效應 .................................................................................................................... 111
6.4 單級放大器的頻率特性 ............................................................................................ 112
6.4.1 共源放大器 ..................................................................................................... 112
6.4.2 源極跟隨器 ..................................................................................................... 115
6.4.3 共柵放大器 ..................................................................................................... 116
6.4.4 共源共柵放大器 ............................................................................................. 118
6.4.5 差分對 ............................................................................................................. 119
6.5 放大器的頻率特性模擬分析 .................................................................................... 123
6.5.1 觀察多極點系統的頻率特性 ......................................................................... 123
6.5.2 共源放大器的頻率特性模擬分析 ................................................................. 124
6.5.3 源極跟隨器的頻率特性模擬分析 ................................................................. 125
6.5.4 共柵放大器的頻率特性模擬分析 ................................................................. 126
6.5.5 共源共柵放大器的頻率特性模擬分析 ......................................................... 127
6.5.6 差分放大器的頻率特性模擬分析 ................................................................. 128
習題 ..................................................................................................................................... 131
參考文獻 ............................................................................................................................. 132
第7 章 帶隙基準電路 ............................................................................................................. 133
7.1 帶隙基準電路的基本原理 ........................................................................................ 133
7.1.1 負溫度系數電壓 ............................................................................................. 134
7.1.2 正溫度系數電壓 ............................................................................................. 134
7.1.3 零溫度系數電壓 ............................................................................................. 135
7.2 常用帶隙基準電路結構 ............................................................................................ 136
7.2.1 在放大器輸出端產生參考電壓 ..................................................................... 136
7.2.2 利用PTAT 電流產生參考電壓 ...................................................................... 138
7.3 高級帶隙基準電路 .................................................................................................... 140
7.3.1 低電源電壓帶隙基準電路 ............................................................................. 140
7.3.2 高階溫度補償帶隙基準電路 ......................................................................... 141
7.4 實例電路模擬 ............................................................................................................ 143
習題 ..................................................................................................................................... 147
參考文獻 ............................................................................................................................. 148
第8 章 噪聲 ............................................................................................................................. 149
8.1 噪聲基本概念 ............................................................................................................ 149
8.1.1 噪聲的功率譜密度 ......................................................................................... 150
8.1.2 噪聲的幅度分佈 ............................................................................................. 151
8.1.3 噪聲的疊加 ..................................................................................................... 151
8.1.4 等效輸入噪聲 ................................................................................................. 153
8.2 本徵噪聲類型及產生機理 ........................................................................................ 154
8.2.1 電阻熱噪聲 ..................................................................................................... 154
8.2.2 kT/C 噪聲 ........................................................................................................ 156
8.2.3 MOS 晶體管噪聲 ........................................................................................... 157
8.3 單級放大器的噪聲 .................................................................................................... 162
8.3.1 共源放大器的噪聲 ......................................................................................... 162
8.3.2 源極跟隨器的噪聲 ......................................................................................... 163
8.3.3 共柵放大器的噪聲 ......................................................................................... 163
8.3.4 共源共柵放大器的噪聲 ................................................................................. 164
8.4 差分放大器的噪聲 .................................................................................................... 165
8.5 噪聲特性模擬分析 .................................................................................................... 167
習題 ..................................................................................................................................... 169
參考文獻 ............................................................................................................................. 171
第9 章 反饋和穩定性 ............................................................................................................. 172
9.1 反饋機制 .................................................................................................................... 172
9.2 反饋類型 .................................................................................................................... 173
9.2.1 電壓-電壓反饋 ................................................................................................ 175
9.2.2 電流-電壓反饋 ................................................................................................ 176
9.2.3 電壓-電流反饋 ................................................................................................ 178
9.2.4 電流-電流反饋 ................................................................................................ 179
9.2.5 反饋結構總結 ................................................................................................. 180
9.2.6 反饋實例分析 ................................................................................................. 181
9.3 相位裕度 .................................................................................................................... 183
9.3.1 環路穩定性 ..................................................................................................... 183
9.3.2 相位裕度定義 ................................................................................................. 185
9.3.3 相位裕度計算 ................................................................................................. 186
9.3.4 二階系統時域瞬態響應 ................................................................................. 188
9.4 根軌跡法分析系統穩定性 ........................................................................................ 190
9.5 兩級放大器的頻率補償 ............................................................................................ 195
9.5.1 米勒補償 ......................................................................................................... 195
9.5.2 消除零點對米勒補償影響的方法 ................................................................. 197
9.6 兩級放大器相位裕度模擬分析 ................................................................................ 201
習題 ..................................................................................................................................... 205
參考文獻 ............................................................................................................................. 206
第10 章 運算放大器 ............................................................................................................... 207
10.1 運算放大器的性能參數 .......................................................................................... 207
10.1.1 增益 ............................................................................................................... 208
10.1.2 帶寬 ............................................................................................................... 208
10.1.3 相位裕度（PM） ......................................................................................... 210
10.1.4 擺率 ............................................................................................................... 210
10.1.5 電源抑制比 ................................................................................................... 210
10.1.6 共模抑制比 ................................................................................................... 211
10.1.7 信號擺幅 ....................................................................................................... 211
10.2 一級運算放大器 ...................................................................................................... 211
10.3 兩級運算放大器 ...................................................................................................... 216
10.4 增益提升運算放大器 .............................................................................................. 217
10.4.1 增益提升技術 ............................................................................................... 217
10.4.2 零極點對影響運放時域響應 ....................................................................... 220
10.4.3 增益提升折疊式共源共柵運算放大器 ....................................................... 221
10.5 軌到軌輸入擺幅運算放大器 .................................................................................. 222
10.6 運放性能對比 .......................................................................................................... 225
10.7 全差分運算放大器的共模反饋 .............................................................................. 226
10.8 轉換狀態 .................................................................................................................. 229
10.9 運算放大器應用 ...................................................................................................... 231
10.9.1 反相放大及反相求和電路 ........................................................................... 231
10.9.2 同相放大及同相求和電路 ........................................................................... 232
10.9.3 減法電路 ....................................................................................................... 232
10.9.4 積分和微分運算電路 ................................................................................... 233
10.9.5 對數和指數運算電路 ................................................................................... 234
10.9.6 乘法和除法運算電路 ................................................................................... 235
10.10 基於gm/ID 的運算放大器設計方法 ...................................................................... 236
10.11 運算放大器設計與實例模擬 ................................................................................ 238
習題 ..................................................................................................................................... 244
參考文獻 ............................................................................................................................. 245
第11 章 開關電容放大器 ....................................................................................................... 247
11.1 概述 .......................................................................................................................... 247
11.2 MOSFET 開關 ......................................................................................................... 248
11.2.1 開關導通電阻 ............................................................................................... 248
11.2.2 電荷註入與時鐘饋通 ................................................................................... 250
11.2.3 電荷註入抵消方法 ....................................................................................... 252
11.3 開關電容放大器工作原理 ...................................................................................... 253
11.3.1 工作原理 ....................................................................................................... 253
11.3.2 全差分開關電容放大器 ............................................................................... 255
11.3.3 精度分析 ....................................................................................................... 256
11.4 失調電壓消除技術 .................................................................................................. 258
11.4.1 失調電壓存儲技術 ....................................................................................... 258
11.4.2 斬波技術 ....................................................................................................... 260
11.5 常用的開關電容電路 .............................................................................................. 262
11.5.1 精確乘二電路 ............................................................................................... 262
11.5.2 電容失配非敏感精確乘二電路 ................................................................... 263
11.5.3 積分器 ........................................................................................................... 266
11.5.4 開關電容共模反饋 ....................................................................................... 267
11.6 噪聲分析 .................................................................................................................. 270
11.7 開關電容放大器電路實例模擬 .............................................................................. 272
習題 ..................................................................................................................................... 275
參考文獻 ............................................................................................................................. 276
第12 章 模數轉換器與數模轉換器 ....................................................................................... 277
12.1 ADC 相關基礎理論 ................................................................................................. 277
12.1.1 採樣原理 ....................................................................................................... 278
12.1.2 量化原理 ....................................................................................................... 279
12.1.3 ADC 主要特性參數及測試方法 .................................................................. 280
12.2 常用DAC 結構 ........................................................................................................ 287
12.2.1 電荷縮放型DAC .......................................................................................... 288
12.2.2 電流舵型DAC .............................................................................................. 292
12.3 常用ADC 結構 ........................................................................................................ 293
12.3.1 單斜ADC ...................................................................................................... 293
12.3.2 逐次逼近型ADC .......................................................................................... 293
12.3.3 快閃式ADC .................................................................................................. 294
12.3.4 流水線ADC .................................................................................................. 296
12.3.5 Cyclic ADC ................................................................................................... 302
12.3.6 Delta-Sigma ADC .......................................................................................... 302
12.4 逐次逼近型ADC 實例模擬 .................................................................................... 307
習題 ..................................................................................................................................... 311
參考文獻 ............................................................................................................................. 313
第13 章 鎖相環 ....................................................................................................................... 314
13.1 基本工作原理 .......................................................................................................... 314
13.2 電荷泵鎖相環基本結構 .......................................................................................... 316
13.2.1 鑒相/鑒頻器 .................................................................................................. 316
13.2.2 壓控振盪器 ................................................................................................... 318
13.2.3 電荷泵PLL 整體結構 .................................................................................. 321
13.3 三階電荷泵鎖相環穩定性分析 .............................................................................. 322
13.3.1 三階電荷泵鎖相環環路增益傳遞函數 ....................................................... 322
13.3.2 系統穩定性分析 ........................................................................................... 324
13.4 時間抖動與相位噪聲 .............................................................................................. 326
13.5 DLL 工作原理 ......................................................................................................... 328
13.6 PLL 電路實例模擬 .................................................................................................. 329
習題 ..................................................................................................................................... 336
參考文獻 ............................................................................................................................. 336
專業詞匯表 ................................................................................................................................. 338