模擬CMOS集成電路設(shè)計

前言

　　微電子與集成電路的發(fā)展日新月異，已成為當(dāng)今全球產(chǎn)業(yè)界的重要增長點和學(xué)術(shù)界的最活躍研究課題之一。隨著CMOS集成電路制造工藝的進(jìn)步和晶體管特征尺寸的不斷減小，集成電路從早期的數(shù)字或模擬專用集成電路（application specific integrated circuit，ASIC），發(fā)展到超大規(guī)模集成電路（very large scale integration，VLSI）以及系統(tǒng)芯片（system on chip，SoC），再到目前的混合信號SoC（mixed?signal SoC），單顆芯片的功能愈加強大，性價比不斷提高，可極大地提升系統(tǒng)的整體性能和降低系統(tǒng)成本?！　≡谀壳暗幕旌闲盘朣oC中，除了微處理器、存儲器、數(shù)字處理單元和外部接口外，還集成了高性能模擬電路、射頻（RF）電路以及電源電路等。由于數(shù)字集成電路具有精度高、功耗低和設(shè)計靈活的特點，采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電路實現(xiàn)復(fù)雜的模擬電路功能已經(jīng)成為趨勢。另外，在A/D轉(zhuǎn)換器、鎖相環(huán)（PLL）和RF電路等混合信號電路中，采用各種數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)來校正和補償模擬電路的誤差，即將模擬電路設(shè)計中難以克服的精度問題轉(zhuǎn)移到數(shù)字領(lǐng)域中解決，這種方法稱為“數(shù)字輔助模擬（digitally assisted analog）”技術(shù)。盡管數(shù)字集成電路可以完成許多模擬信號處理的功能，但模擬集成電路在混合信號SoC中仍然起著非常重要的作用，實踐證明它們的功能是無法用數(shù)字集成電路完全代替的，而且隨著各種復(fù)雜高性能混合信號SoC的不斷出現(xiàn)，高性能模擬集成電路所起的作用更加重要，其應(yīng)用領(lǐng)域也更加廣泛（詳見本書第1章）?！　∮捎贑MOS工藝具有低功耗、低成本等優(yōu)點以及數(shù)模混合信號SoC的單片集成需要， CMOS工藝已成為制造模擬集成電路或數(shù)?；旌闲盘朣oC的主流工藝。因此，本書主要討論CMOS模擬集成電路的原理和設(shè)計。目前，CMOS集成電路制造工藝已進(jìn)入深亞微米和納米階段，電源電壓相應(yīng)降低，這對設(shè)計高速高精度模擬集成電路帶來了極大的挑戰(zhàn)。這是由于，模擬集成電路所處理的信號幅度是連續(xù)變化的，任何混入系統(tǒng)的噪聲和系統(tǒng)的非線性特性所引起的信號失真都直接造成模擬信號的幅度誤差，隨著電源電壓的進(jìn)一步降低，信噪比將顯著減小。另外，模擬集成電路通常消耗整個系統(tǒng)或芯片的絕大部分功耗和面積。因此，在模擬集成電路設(shè)計中，通常需要關(guān)心精度（增益和信噪比）、功耗、面積、速度、穩(wěn)定性以及電源電壓等性能指標(biāo)，而通常這些指標(biāo)是互相矛盾的，必須在它們之間進(jìn)行折中或優(yōu)化?！　【驮O(shè)計方法學(xué)而言，數(shù)字集成電路可利用標(biāo)準(zhǔn)模塊實現(xiàn)自動綜合和布局布線，而模擬集成電路目前還只能依靠設(shè)計工程師的“手工設(shè)計”，包括電路和版圖設(shè)計，因為模擬集成電路模塊的標(biāo)準(zhǔn)化困難重重，遠(yuǎn)未達(dá)到實用的程度。另外，模擬集成電路的特性與制造工藝密切相關(guān)，而數(shù)字集成電路的特性與制造工藝的依賴性則相對較小。因此，作為一名優(yōu)秀的模擬集成電路設(shè)計工程師，應(yīng)該能夠定性地分析理解復(fù)雜電路的工作原理； 定量地估算電路的各種主要性能和重要參數(shù)； 對半導(dǎo)體制造工藝和元器件特性有充分的了解； 能夠不斷發(fā)明新的電路結(jié)構(gòu)。本書作為教材，只能介紹基本的模擬集成電路設(shè)計知識，而為了具備以上素質(zhì)，需要讀者親身參與大量的工程項目設(shè)計，不斷積累經(jīng)驗（包括電路、版圖和工藝方面的經(jīng)驗），通常一名優(yōu)秀的模擬集成電路設(shè)計工程師需要具備5~10年以上的工程設(shè)計經(jīng)驗。

內(nèi)容概要

　　《模擬CMOS集成電路設(shè)計》是作者結(jié)合自己多年的科研實踐，在參考國內(nèi)外同類教材的基礎(chǔ)上，精心編著而成的。《模擬CMOS集成電路設(shè)計》結(jié)合現(xiàn)代CMOS工藝的發(fā)展，從元器件出發(fā)，詳細(xì)分析了各種典型模擬CMOS集成電路的工作原理和設(shè)計方法，對模擬CMOS集成電路的研究和設(shè)計具有學(xué)術(shù)和工程實用價值?！　∪珪卜?0章，其中前6章介紹CMOS元器件和基本單元電路的基礎(chǔ)知識，后4章介紹它們的典型應(yīng)用，包括開關(guān)電容電路、ADC與DAC、振蕩器以及鎖相環(huán)?！　　赌MCMOS集成電路設(shè)計》可供微電子與集成電路設(shè)計專業(yè)的研究生以及高年級本科生作為教材使用（大約需要60學(xué)時），也可供模擬集成電路設(shè)計工程師參考。　　《模擬CMOS集成電路設(shè)計》的讀者應(yīng)具備電路和信號方面的基礎(chǔ)知識，如果讀者還具備半導(dǎo)體物理方面的知識，則更容易理解《模擬CMOS集成電路設(shè)計》的內(nèi)容。

作者簡介

　　魏先存，工學(xué)博士，西北工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。多年從事模擬與混合信號VLSI的研究和開發(fā)，在混合高壓工藝、數(shù)模混合信號CMOS集成電路方面，研制成功多款TFT-LCD驅(qū)動控制芯片、高速高精度ADC和DAC芯片、高精度穩(wěn)壓電源芯片以及高速接口電路芯片。目前主要從事混合信號Soc設(shè)計方法學(xué)、低壓低功耗模擬集成電路、CMOS圖像傳感器以肢數(shù)字電源等方面的研究與開發(fā)。發(fā)表論文七十余篇，獲授權(quán)國家發(fā)明專利5項，省部級科學(xué)技術(shù)一等獎1項。　　陳瑩梅，主要從事模擬與混合信號集成電路設(shè)計方面的研究，主要研究內(nèi)容包括2.5-40 Gb／s超高速單片集成光接收機芯片的研制，GPs接收機芯片研制等，其中負(fù)責(zé)研制的兩種芯片分別被鑒定為具有“國際先進(jìn)水平”和“國內(nèi)先進(jìn)水平”。主持翻澤了國外經(jīng)典教材《模擬集成電路設(shè)計精粹》，已出版教材《集成電路設(shè)計》，現(xiàn)講授“模擬集成電路設(shè)計”和“通信電子線路”等課程，在國外核心學(xué)術(shù)期刊及學(xué)術(shù)會議上發(fā)表研究論文二十余篇，其中被SCI、EI收錄十余篇?！　『w，研究方向為電磁場與微波技術(shù)、衛(wèi)星通信、集成電路設(shè)計與應(yīng)用等。先后主持或參與了海上衛(wèi)星移動通信關(guān)鍵技術(shù)研究、便攜式衛(wèi)埋移動通信系統(tǒng)等十幾個項目或產(chǎn)晶的研究開發(fā)工作；發(fā)表學(xué)術(shù)論文十余篇；獲國家發(fā)明專利8項，實用新型專利7項；獲江蘇省科技進(jìn)步二等獎1項、三等獎1項，廣東省科技進(jìn)步一等獎1項。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 集成電路的發(fā)展歷史及趨勢1.2 模擬集成電路的功能及應(yīng)用領(lǐng)域1.3 模擬集成電路與數(shù)字集成電路的比較1.4 模擬集成電路的設(shè)計流程1.5 HSpice仿真簡介本章小結(jié)第2章 元器件及其模型2.1 pn結(jié)與二極管2.1.1 pn結(jié)的形成2.1.2 pn結(jié)的特性2.1.3 二極管2.2 雙極型晶體管2.2.1 結(jié)構(gòu)及工藝實現(xiàn)2.2.2 基本工作原理2.2.3 大信號模型2.2.4 小信號模型2.3 CMOS器件2.3.1 物理結(jié)構(gòu)2.3.2 電路符號2.3.3 工作原理2.3.4 大信號模型2.3.5 二級效應(yīng)2.3.6 寄生電容2.3.7 小信號模型2.3.8 閂鎖效應(yīng)2.3.9 傳輸門電路2.4 電阻2.4.1 方塊電阻2.4.2 多晶硅電阻2.4.3 阱電阻2.4.4 擴散電阻2.4.5 金屬電阻2.4.6 電阻模型2.5 電容器2.5.1 電容器的結(jié)構(gòu)2.5.2 傳統(tǒng)電容器2.5.3 CMOS電容2.5.4 金屬?金屬電容器2.5.5 電容模型本章小結(jié)習(xí)題參考文獻(xiàn)第3章 單級放大器3.1 電流鏡3.1.1 電流鏡的結(jié)構(gòu)3.1.2 電流鏡的誤差3.1.3 電流鏡的小信號等效電路3.2 共源放大器3.2.1 電阻負(fù)載共源放大器3.2.2 二極管負(fù)載共源放大器3.2.3 電流鏡負(fù)載共源放大器3.2.4 推挽放大器3.3 源極跟隨器3.4 共柵放大器3.5 高輸出阻抗電流鏡3.6 共源共柵放大器3.7 差動放大器3.7.1 電阻負(fù)載差動放大器3.7.2 有源負(fù)載差動放大器3.7.3 單端輸出差動放大器3.8 放大器的頻率特性3.8.1 共源放大器3.8.2 源極跟隨器3.8.3 共源共柵放大器3.8.4 差動放大器本章小結(jié)習(xí)題參考文獻(xiàn)第4章 運算放大器4.1 運算放大器的基本結(jié)構(gòu)4.1.1 概述4.1.2 普通兩級運算放大器4.2 穩(wěn)定性與相位補償4.2.1 閉環(huán)工作時的穩(wěn)定性4.2.2 相位補償方法4.3 運算放大器的性能參數(shù)4.3.1 直流或低頻特性4.3.2 高頻特性4.3.3 瞬態(tài)特性4.3.4 增益線性度4.3.5 兩級運算放大器設(shè)計4.4 高性能運算放大器4.4.1 套筒式共源共柵運算放大器4.4.2 折疊式共源共柵運算放大器4.4.3 高增益運算放大器4.4.4 軌對軌運算放大器4.4.5 全差動運算放大器4.4.6 微功耗運算放大器4.5 輸出級電路4.5.1 輸出級電路的類型4.5.2 源極跟隨器輸出級4.5.3 甲乙類共源輸出級4.5.4 低功耗輸出級4.6 運算放大器的性能解析4.6.1 DC特性解析4.6.2 AC特性解析4.6.3 瞬態(tài)特性解析本章小結(jié)習(xí)題參考文獻(xiàn)第5章 基準(zhǔn)電壓與電流5.1 MOS管型基準(zhǔn)源5.1.1 MOS管型分壓器5.1.2 改進(jìn)的MOS管型基準(zhǔn)源5.2 二極管型基準(zhǔn)源5.2.1 與CMOS工藝兼容的雙極型晶體管和二極管5.2.2 具有負(fù)溫度系數(shù)的基準(zhǔn)源5.2.3 具有正溫度系數(shù)的基準(zhǔn)源5.2.4 帶隙基準(zhǔn)電壓源5.2.5 高精度電流源本章小結(jié)習(xí)題參考文獻(xiàn)第6章 噪聲6.1 器件噪聲模型6.1.1 電阻6.1.2 場效應(yīng)管6.1.3 二極管6.2 電路噪聲性能6.2.1 共源放大器6.2.2 共柵放大器6.2.3 源極跟隨器6.2.4 共源共柵放大器6.2.5 差分放大器6.2.6 CMOS運算放大器6.3 光纖前置放大器電路噪聲分析舉例本章小結(jié)習(xí)題參考文獻(xiàn)第7章 開關(guān)電容電路7.1 開關(guān)電容電路的基本原理7.2 開關(guān)電容放大器7.3 開關(guān)電容積分器7.4 開關(guān)電容濾波器本章小結(jié)習(xí)題參考文獻(xiàn)第8章 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器8.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本工作原理8.1.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本工作原理……第9章 振蕩器第10章 鎖相環(huán)附錄 CMOS工藝技術(shù)

章節(jié)摘錄

　　自從1958年美國TI公司試制成功第一塊集成電路以來，集成電路技術(shù)得到快速發(fā)展。晶體管的最小尺寸從1960年的25“m減小到2008年的45nm，正如Intel公司的創(chuàng)始人戈登·摩爾（Cor·don Moor·e）在1975年所預(yù)期的那樣（摩爾定律），晶體管尺寸每隔3年減小1／2，每個芯片上的晶體管數(shù)量大約每18個月翻一番。過去30多年的發(fā)展歷史證實了摩爾定律的有效性，而且這種趨勢還將繼續(xù)下去。　　隨著集成電路制造技術(shù)的飛速發(fā)展，晶體管的尺寸按比例縮小，集成電路的集成度不斷提高，目前可在一塊晶片上集成數(shù)億個晶體管，可實現(xiàn)的功能更加豐富和強大。如今，集成電路已被視為與鋼鐵和石油工業(yè)同等重要的、具有戰(zhàn)略意義的國家命脈工業(yè)，其技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模已成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步、工業(yè)先進(jìn)、國防實力的重要標(biāo)志，微電子技術(shù)已成為21世紀(jì)最活躍的高科技產(chǎn)業(yè)之一?！　?0世紀(jì)的后期開始，信息和電子技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了革命性的進(jìn)步和飛速發(fā)展，這些領(lǐng)域包括：（1）以個人計算機和互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)；（2）以手機、PDA（personal digitalassistant）和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（global position systerrl，GPS）為代表的現(xiàn)代移動通信技術(shù)；（3）以數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機和MP3／MP4為代表的便攜式消費類電子技術(shù)；（4）以平板電視、數(shù)字電視和DVD為代表的數(shù)字家電多媒體技術(shù)；（5）其他工業(yè)和國防領(lǐng)域的電子技術(shù)。作為信息和電子產(chǎn)業(yè)的核心元器件，集成電路有力地推動和促進(jìn)了上述新型技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，而這些新型技術(shù)的發(fā)展要求進(jìn)一步提高集成電路的集成度和性能?！　〖呻娐诽幚砘蚣庸深愋盘?，一類是時間和幅值均離散的數(shù)字信號，另一類是時間和幅值均連續(xù)的模擬信號。根據(jù)所處理信號的類型不同，集成電路分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路，前者處理數(shù)字信號，而后者則處理模擬信號。但隨著半導(dǎo)體加工工藝的不斷微細(xì)化，集成電路從最初的數(shù)字或模擬專用集成電路（application specific integrated circuit，ASIC）發(fā)展到目前的系統(tǒng)芯片（system on chip，SOC以及混合信號系統(tǒng)芯片（mixed-signal SOC），單顆芯片的功能愈加強大，性價比不斷提高，可極大地提高系統(tǒng)的整體性能和降低系統(tǒng)成本。

編輯推薦

　　《模擬CMOS集成電路設(shè)計》特色：　　《模擬CMOS集成電路設(shè)計》從三個層次對模擬集成電路設(shè)計技術(shù)進(jìn)行介紹：　　首先介紹了模擬CMOS集成電路設(shè)計中用到的各種有源及無源器件的工藝實現(xiàn)方法、工作原理以及模型。作為優(yōu)秀的模擬集成電路設(shè)計者，只有深入地掌握了各種器件的工作原理和特性后，才能設(shè)計出高質(zhì)量的模擬集成電路?！　∑浯?，介紹模擬CMOS集成電路設(shè)計中的基本單元——各種單級放大器，在此基礎(chǔ)上研究模擬集成電路中廣泛應(yīng)用的各種運算放大器的工作原理和特性。隨著CMOS工藝的微細(xì)化，電源電壓進(jìn)一步降低，噪聲的問題更加重要，《模擬CMOS集成電路設(shè)計》對模擬電路中各種單級放大器和運算放大器的噪聲性能也進(jìn)行了研究?！　∽詈?，對模擬集成電路中開關(guān)電容電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、振蕩器以及鎖相環(huán)等應(yīng)用電路進(jìn)行了分析。介紹了各種應(yīng)用電路的工作原理及其不同的結(jié)構(gòu)類型，并給出了具體的工程設(shè)計實例?！　∵@三個層次的闡述和介紹，有助于讀者較為快速地理解模擬集成電路設(shè)計的主要技術(shù)。每章均配有大量的例題、習(xí)題和經(jīng)典電路，可以幫助讀者進(jìn)一步深入理解《模擬CMOS集成電路設(shè)計》的內(nèi)容。

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