模拟集成电路设计——基于华大九天集成电路全流程设计平台Aether

定　　价：89 元

丛书名：集成电路系列丛书·集成电路设计

• 作者：聂凯明
• 出版时间：2024/9/1
• ISBN：9787121487484
• 出 版 社：电子工业出版社

• 中图法分类：TN431.102 
• 页码：356
• 版次：01
• 开本：16开

内容简介

本书主要介绍模拟集成电路的分析和设计，每章均配有基于华大九天Empyrean Aether 的仿真实例，注重理论基础和实践的结合。全书共13 章，前6 章从半导体物理和器件物理的基础开始，逐步讲解并分析模拟集成电路中的各种基本模块；第7 章介绍带隙基准电路；第8～10 章主要讨论模拟电路的噪声、反馈和稳定性、运算放大器等内容；第11～13 章针对常用的复杂模拟集成电路展开讨论，主要包括开关电容放大器、模数转换器与数模转换器、锁相环等。本书特点如下：（1）本书是国内第一本基于国产EDA工具讲授模拟IC设计的理论和实践教材，对书中的案例都配以详细的仿真实践案例；（2）本书从基础理论出发，系统全面讲解了模拟IC设计的全部内容，并配以详尽的原理阐释、公式推导和案例分析；（3）本书内容体系完备，不仅可用于本科生模拟IC设计的入门教材，也可用于研究生阶段进一步深入学习的教材

作者介绍

聂凯明，天津大学，副教授，博导，入选国家级青年人才计划，中国光学工程学会高级会员，主要从事数模混合集成电路领域教学和科研工作。徐江涛，天津大学，教授，博士生导师，入选国家高层次人才计划，中国图像图形学会-视觉传感专业委员会委员、中国计算学会-计算机工程与工艺专业委员会委员等，主要从事集成电路设计领域教学和科研工作。余涵，高级工程师，华大九天市场合作高级总监，负责华大九天的对外技术合作、产教融合生态建设等业务。“国家微纳电子学重大科技专项”评审专家，“教育部产学合作协同育人专家组”专家，广东省电子设计自动化工程中心主任等。

目 录

第1 章 绪论 ................................................................................................................................. 1
1.1 模拟集成电路的应用 .................................................................................................... 1
1.2 模拟集成电路设计流程 ................................................................................................ 2
1.3 华大九天Empyrean Aether 简介 .................................................................................. 3
第2 章 MOS 器件的基础特性 ................................................................................................... 5
2.1 半导体物理基础 ............................................................................................................ 5
2.1.1 单晶硅的晶体结构 ............................................................................................. 5
2.1.2 半导体能带理论及载流子浓度 ......................................................................... 6
2.1.3 施主与受主杂质 ................................................................................................. 8
2.1.4 载流子的漂移运动和扩散运动 ......................................................................... 9
2.2 PN 结 ............................................................................................................................ 10
2.3 MIS 结构 ...................................................................................................................... 12
2.4 MOSFET 结构及其基本制造工艺流程 ..................................................................... 13
2.4.1 MOSFET 结构 .................................................................................................. 13
2.4.2 基本制造工艺流程 ........................................................................................... 14
2.5 MOSFET 的电学特性 ................................................................................................. 20
2.5.1 阈值电压 ........................................................................................................... 20
2.5.2 I-V 特性分析 ..................................................................................................... 24
2.5.3 MOS 器件电容 ................................................................................................. 28
2.5.4 小信号模型 ....................................................................................................... 29
2.6 MOSFET 的I-V 特性仿真分析 .................................................................................. 30
习题 ....................................................................................................................................... 32
参考文献 ............................................................................................................................... 32
第3 章 基本放大器 ................................................................................................................... 33
3.1 共源放大器 .................................................................................................................. 33
3.1.1 采用电阻负载的共源放大器 ........................................................................... 34
3.1.2 采用二极管连接负载的共源放大器 ............................................................... 36
3.1.3 采用电流源负载的共源放大器 ....................................................................... 38
3.1.4 带有源极负反馈的共源放大器 ....................................................................... 39
3.2 源极跟随器 .................................................................................................................. 41
3.2.1 直流特性分析 ................................................................................................... 41
3.2.2 小信号特性分析 ............................................................................................... 42
3.2.3 Class AB 驱动器 ............................................................................................... 42
3.3 共栅放大器 .................................................................................................................. 45
3.3.1 直流特性分析 ................................................................................................... 45
3.3.2 小信号特性分析 ............................................................................................... 46
3.3.3 基本单级放大器特性总结 ............................................................................... 48
3.4 共源共栅放大器 .......................................................................................................... 49
3.4.1 直流特性分析 ................................................................................................... 49
3.4.2 小信号特性分析 ............................................................................................... 49
3.5 折叠式共源共栅放大器 .............................................................................................. 52
3.6 基本放大器的直流特性仿真分析 .............................................................................. 53
3.6.1 采用电阻负载的共源放大器直流特性仿真分析 ........................................... 53
3.6.2 采用二极管连接负载的共源放大器直流特性仿真分析................................ 55
3.6.3 采用电流源负载的共源放大器直流特性仿真分析 ....................................... 56
3.6.4 带有源极负反馈的共源放大器直流特性仿真分析 ....................................... 57
3.6.5 源极跟随器直流特性仿真分析 ....................................................................... 59
3.6.6 共栅放大器直流特性仿真分析 ....................................................................... 60
3.6.7 共源共栅放大器直流特性仿真分析 ............................................................... 62
3.6.8 折叠式共源共栅放大器直流特性仿真分析 ................................................... 63
习题 ....................................................................................................................................... 64
参考文献 ............................................................................................................................... 66
第4 章 CMOS 电流镜 .............................................................................................................. 67
4.1 电流镜基本概念 .......................................................................................................... 67
4.2 基本电流镜 .................................................................................................................. 68
4.3 高输出阻抗电流镜 ...................................................................................................... 69
4.3.1 共源共栅电流镜 ............................................................................................... 69
4.3.2 宽摆幅共源共栅电流镜 ................................................................................... 70
4.3.3 威尔逊电流镜 ................................................................................................... 71
4.3.4 阻抗提升型共源共栅电流镜 ........................................................................... 72
4.4 非理想因素对电流镜的影响 ...................................................................................... 73
4.4.1 侧边刻蚀 ........................................................................................................... 73
4.4.2 电压降 ............................................................................................................... 74
4.5 电流镜直流特性仿真分析 .......................................................................................... 75
4.5.1 基本电流镜直流特性仿真分析 ....................................................................... 75
4.5.2 共源共栅电流镜直流特性仿真分析 ............................................................... 76
4.5.3 宽摆幅共源共栅电流镜直流特性仿真分析 ................................................... 77
4.5.4 威尔逊电流镜直流特性仿真分析 ................................................................... 78
4.5.5 阻抗提升型共源共栅电流镜直流特性仿真分析 ........................................... 80
习题 ....................................................................................................................................... 81
参考文献 ............................................................................................................................... 82
第5 章 差分放大器 ................................................................................................................... 83
5.1 单端与差分工作方式对比 .......................................................................................... 83
5.2 基本差分对原理分析 .................................................................................................. 84
5.2.1 基本差分对直流特性分析 ............................................................................... 85
5.2.2 基本差分对的小信号分析 ............................................................................... 88
5.2.3 差分信号线的版图考虑 ................................................................................... 89
5.3 共模抑制比 .................................................................................................................. 90
5.4 采用MOS 器件负载的差分放大器 ............................................................................ 92
5.4.1 采用电流源负载的差分放大器 ....................................................................... 92
5.4.2 采用二极管连接负载的差分放大器 ............................................................... 93
5.4.3 采用交叉耦合负载的差分放大器 ................................................................... 94
5.5 单端输出差分放大器 .................................................................................................. 96
5.6 差分放大器仿真分析 .................................................................................................. 97
5.6.1 基本差分对特性仿真分析 ............................................................................... 97
5.6.2 共模抑制比仿真分析 ....................................................................................... 99
5.6.3 采用MOS 器件负载的差分放大器增益仿真分析 ....................................... 101
习题 ..................................................................................................................................... 103
参考文献 ............................................................................................................................. 104
第6 章 放大器的频率特性 ..................................................................................................... 105
6.1 极点的产生原理 ........................................................................................................ 105
6.2 传递函数与伯德图 .................................................................................................... 107
6.2.1 传递函数 ......................................................................................................... 107
6.2.2 伯德图 ............................................................................................................. 108
6.3 米勒效应 .................................................................................................................... 111
6.4 单级放大器的频率特性 ............................................................................................ 112
6.4.1 共源放大器 ..................................................................................................... 112
6.4.2 源极跟随器 ..................................................................................................... 115
6.4.3 共栅放大器 ..................................................................................................... 116
6.4.4 共源共栅放大器 ............................................................................................. 118
6.4.5 差分对 ............................................................................................................. 119
6.5 放大器的频率特性仿真分析 .................................................................................... 123
6.5.1 观察多极点系统的频率特性 ......................................................................... 123
6.5.2 共源放大器的频率特性仿真分析 ................................................................. 124
6.5.3 源极跟随器的频率特性仿真分析 ................................................................. 125
6.5.4 共栅放大器的频率特性仿真分析 ................................................................. 126
6.5.5 共源共栅放大器的频率特性仿真分析 ......................................................... 127
6.5.6 差分放大器的频率特性仿真分析 ................................................................. 128
习题 ..................................................................................................................................... 131
参考文献 ............................................................................................................................. 132
第7 章 带隙基准电路 ............................................................................................................. 133
7.1 带隙基准电路的基本原理 ........................................................................................ 133
7.1.1 负温度系数电压 ............................................................................................. 134
7.1.2 正温度系数电压 ............................................................................................. 134
7.1.3 零温度系数电压 ............................................................................................. 135
7.2 常用带隙基准电路结构 ............................................................................................ 136
7.2.1 在放大器输出端产生参考电压 ..................................................................... 136
7.2.2 利用PTAT 电流产生参考电压 ...................................................................... 138
7.3 高级带隙基准电路 .................................................................................................... 140
7.3.1 低电源电压带隙基准电路 ............................................................................. 140
7.3.2 高阶温度补偿带隙基准电路 ......................................................................... 141
7.4 实例电路仿真 ............................................................................................................ 143
习题 ..................................................................................................................................... 147
参考文献 ............................................................................................................................. 148
第8 章 噪声 ............................................................................................................................. 149
8.1 噪声基本概念 ............................................................................................................ 149
8.1.1 噪声的功率谱密度 ......................................................................................... 150
8.1.2 噪声的幅度分布 ............................................................................................. 151
8.1.3 噪声的叠加 ..................................................................................................... 151
8.1.4 等效输入噪声 ................................................................................................. 153
8.2 本征噪声类型及产生机理 ........................................................................................ 154
8.2.1 电阻热噪声 ..................................................................................................... 154
8.2.2 kT/C 噪声 ........................................................................................................ 156
8.2.3 MOS 晶体管噪声 ........................................................................................... 157
8.3 单级放大器的噪声 .................................................................................................... 162
8.3.1 共源放大器的噪声 ......................................................................................... 162
8.3.2 源极跟随器的噪声 ......................................................................................... 163
8.3.3 共栅放大器的噪声 ......................................................................................... 163
8.3.4 共源共栅放大器的噪声 ................................................................................. 164
8.4 差分放大器的噪声 .................................................................................................... 165
8.5 噪声特性仿真分析 .................................................................................................... 167
习题 ..................................................................................................................................... 169
参考文献 ............................................................................................................................. 171
第9 章 反馈和稳定性 ............................................................................................................. 172
9.1 反馈机制 .................................................................................................................... 172
9.2 反馈类型 .................................................................................................................... 173
9.2.1 电压-电压反馈 ................................................................................................ 175
9.2.2 电流-电压反馈 ................................................................................................ 176
9.2.3 电压-电流反馈 ................................................................................................ 178
9.2.4 电流-电流反馈 ................................................................................................ 179
9.2.5 反馈结构总结 ................................................................................................. 180
9.2.6 反馈实例分析 ................................................................................................. 181
9.3 相位裕度 .................................................................................................................... 183
9.3.1 环路稳定性 ..................................................................................................... 183
9.3.2 相位裕度定义 ................................................................................................. 185
9.3.3 相位裕度计算 ................................................................................................. 186
9.3.4 二阶系统时域瞬态响应 ................................................................................. 188
9.4 根轨迹法分析系统稳定性 ........................................................................................ 190
9.5 两级放大器的频率补偿 ............................................................................................ 195
9.5.1 米勒补偿 ......................................................................................................... 195
9.5.2 消除零点对米勒补偿影响的方法 ................................................................. 197
9.6 两级放大器相位裕度仿真分析 ................................................................................ 201
习题 ..................................................................................................................................... 205
参考文献 ............................................................................................................................. 206
第10 章 运算放大器 ............................................................................................................... 207
10.1 运算放大器的性能参数 .......................................................................................... 207
10.1.1 增益 ............................................................................................................... 208
10.1.2 带宽 ............................................................................................................... 208
10.1.3 相位裕度（PM） ......................................................................................... 210
10.1.4 摆率 ............................................................................................................... 210
10.1.5 电源抑制比 ................................................................................................... 210
10.1.6 共模抑制比 ................................................................................................... 211
10.1.7 信号摆幅 ....................................................................................................... 211
10.2 一级运算放大器 ...................................................................................................... 211
10.3 两级运算放大器 ...................................................................................................... 216
10.4 增益提升运算放大器 .............................................................................................. 217
10.4.1 增益提升技术 ............................................................................................... 217
10.4.2 零极点对影响运放时域响应 ....................................................................... 220
10.4.3 增益提升折叠式共源共栅运算放大器 ....................................................... 221
10.5 轨到轨输入摆幅运算放大器 .................................................................................. 222
10.6 运放性能对比 .......................................................................................................... 225
10.7 全差分运算放大器的共模反馈 .............................................................................. 226
10.8 转换状态 .................................................................................................................. 229
10.9 运算放大器应用 ...................................................................................................... 231
10.9.1 反相放大及反相求和电路 ........................................................................... 231
10.9.2 同相放大及同相求和电路 ........................................................................... 232
10.9.3 减法电路 ....................................................................................................... 232
10.9.4 积分和微分运算电路 ................................................................................... 233
10.9.5 对数和指数运算电路 ................................................................................... 234
10.9.6 乘法和除法运算电路 ................................................................................... 235
10.10 基于gm/ID 的运算放大器设计方法 ...................................................................... 236
10.11 运算放大器设计与实例仿真 ................................................................................ 238
习题 ..................................................................................................................................... 244
参考文献 ............................................................................................................................. 245
第11 章 开关电容放大器 ....................................................................................................... 247
11.1 概述 .......................................................................................................................... 247
11.2 MOSFET 开关 ......................................................................................................... 248
11.2.1 开关导通电阻 ............................................................................................... 248
11.2.2 电荷注入与时钟馈通 ................................................................................... 250
11.2.3 电荷注入抵消方法 ....................................................................................... 252
11.3 开关电容放大器工作原理 ...................................................................................... 253
11.3.1 工作原理 ....................................................................................................... 253
11.3.2 全差分开关电容放大器 ............................................................................... 255
11.3.3 精度分析 ....................................................................................................... 256
11.4 失调电压消除技术 .................................................................................................. 258
11.4.1 失调电压存储技术 ....................................................................................... 258
11.4.2 斩波技术 ....................................................................................................... 260
11.5 常用的开关电容电路 .............................................................................................. 262
11.5.1 精确乘二电路 ............................................................................................... 262
11.5.2 电容失配非敏感精确乘二电路 ................................................................... 263
11.5.3 积分器 ........................................................................................................... 266
11.5.4 开关电容共模反馈 ....................................................................................... 267
11.6 噪声分析 .................................................................................................................. 270
11.7 开关电容放大器电路实例仿真 .............................................................................. 272
习题 ..................................................................................................................................... 275
参考文献 ............................................................................................................................. 276
第12 章 模数转换器与数模转换器 ....................................................................................... 277
12.1 ADC 相关基础理论 ................................................................................................. 277
12.1.1 采样原理 ....................................................................................................... 278
12.1.2 量化原理 ....................................................................................................... 279
12.1.3 ADC 主要特性参数及测试方法 .................................................................. 280
12.2 常用DAC 结构 ........................................................................................................ 287
12.2.1 电荷缩放型DAC .......................................................................................... 288
12.2.2 电流舵型DAC .............................................................................................. 292
12.3 常用ADC 结构 ........................................................................................................ 293
12.3.1 单斜ADC ...................................................................................................... 293
12.3.2 逐次逼近型ADC .......................................................................................... 293
12.3.3 快闪式ADC .................................................................................................. 294
12.3.4 流水线ADC .................................................................................................. 296
12.3.5 Cyclic ADC ................................................................................................... 302
12.3.6 Delta-Sigma ADC .......................................................................................... 302
12.4 逐次逼近型ADC 实例仿真 .................................................................................... 307
习题 ..................................................................................................................................... 311
参考文献 ............................................................................................................................. 313
第13 章 锁相环 ....................................................................................................................... 314
13.1 基本工作原理 .......................................................................................................... 314
13.2 电荷泵锁相环基本结构 .......................................................................................... 316
13.2.1 鉴相/鉴频器 .................................................................................................. 316
13.2.2 压控振荡器 ................................................................................................... 318
13.2.3 电荷泵PLL 整体结构 .................................................................................. 321
13.3 三阶电荷泵锁相环稳定性分析 .............................................................................. 322
13.3.1 三阶电荷泵锁相环环路增益传递函数 ....................................................... 322
13.3.2 系统稳定性分析 ........................................................................................... 324
13.4 时间抖动与相位噪声 .............................................................................................. 326
13.5 DLL 工作原理 ......................................................................................................... 328
13.6 PLL 电路实例仿真 .................................................................................................. 329
习题 ..................................................................................................................................... 336
参考文献 ............................................................................................................................. 336
专业词汇表 ................................................................................................................................. 338