CMOS模拟集成电路

本书比较全面、深入地介绍了CMOS模拟集成电路分析与设计的相关知识。本书立足于CMOS模拟集成电路基础知识的阐述，同时侧重于模拟集成电路知识的实际运用，介绍了SPICE电路模拟仿真，并且也注意与电子电路相关知识的联系和运用。本书可以作为高等院校电子信息类本科生和研究生教材，也可作为相关领域工程师的参考用书。

本书循序渐进、深入浅出地阐述了CMOS模拟集成电路器件及模型、基本电路、复杂电路，以及系统电路分析与设计的相关内容。本书的内容框架也按照此原则进行组织，共分为15章，第1章概述，主要内容包括模拟集成电路与数字集成电路的关系、模拟集成电路的抽象层次与电路设计方法，并说明了本书的符号标记法； 第2章MOSFET器件及模型，主要内容包括MOSFET器件结构、I/V特性、器件模型及SPICE仿真； 第3章CMOS电流源和电流镜，主要内容包括简单电流源和电流镜、共源共栅电流源和电流镜、大摆幅共源共栅电流镜及威尔逊电流镜； 第4章基准源，主要内容包括
电压基准源和电流基准源； 第5章CMOS单级放大器，主要内容包括放大器的基本分析方法、共源极放大器、共漏极放大器、共栅极放大器及共源共栅放大器； 第6章CMOS差分放大器，主要内容包括差分工作方式、基本差分对、共模响应
及采用有源负载的差分对； 第7章CMOS放大器的频率响应，主要内容包括放大器的频率响应分析方法、单端放大器的频率响应及差分放大器的频率响应； 第8章噪声，主要内容包括噪声的表示及计算方法、电路噪声的类型及模型、基本放大器中的噪声、差分放大器中的噪声； 第9章反馈，主要内容包括反馈特性及电路结构、实际反馈电路结构、反馈对噪声的影响、反馈电路的分析与设计； 第10章CMOS运算放大器，主要内容包括运算放大器的性能参数、单级及二级运算放大器、运算放大器的输出级、全差分运放及共模反馈； 第11章稳定性与频率补偿，主要内容包括稳定性分析技术、频率补偿技术； 第12章比较器，主要内容包括比较器的特性和各种比较器电路结构、失调消除技术； 第13章开关电容电路，主要内容包括开关电容结构和基本单元、开关电容电路z域信号流图、开关电容放大器和积分器及滤波器； 第14章DAC和ADC电路，主要内容包括DAC的基本特性和结构原理、ADC的基本特性和结构原理； 第15章模拟集成电路的版图设计，主要内容包括MOS晶体管、无源器件和连线的版图设计、考虑对称性及噪声干扰的版图设计。
本书主要由哈尔滨工业大学的王永生编著，来逢昌进行审校。黑龙江大学的曹贝及哈尔滨工业大学的付方发等人也参与了本书部分内容的编写工作。
由于编者水平有限，书中难免存在疏漏和错误，恳切希望广大读者批评指正。

编著者2020年1月

本书阐述CMOS集成电路分析与设计的相关知识： 主要介绍CMOS模拟集成电路设计的背景、MOS器件物理及建模等相关知识； 分析电流源、电流镜和基准源，以及共源极、共漏极、共栅极和共源共栅极等基本放大器结构、原理、分析与设计技术； 同时分析电路的频率、噪声等特性，并进一步讨论运算放大器、反馈结构及其稳定性和频率补偿； 然后讨论开关电容电路、比较器，进而介绍数模转换器和模数转换器的基本结构和工作原理； *后讨论与CMOS模拟集成电路相关的版图设计技术。 本书可作为高等院校电子信息类本科生和研究生教材，也可作为相关领域工程师的参考用书。

王永生  1974年7月出生，毕业于哈尔滨工业大学，获得微电子学与固体电子学博士学位，现任哈尔滨工业大学航天学院副教授。长期从事数/模混合信号集成电路、系统芯片及其可测试性、可靠性设计的教学及科研工作。先后主持和参与了10余项与省部级科研项目；开发了多款高速及高精度模/数转换器芯片以及混合信号SoC芯片。申请并获得授权发明专利10余项。在模/数转换器设计、混合信号SoC设计等领域发表学术论文50余篇。

第1章绪论

1.1模拟电路与数字电路

1.2电路抽象层次

1.3模拟集成电路设计

1.4符号标记法

1.5本章小结

第2章MOSFET器件及模型

2.1引言

2.2MOSFET器件结构

2.2.1MOSFET器件

2.2.2CMOS

2.3MOSFET器件I/V特性

2.3.1工作区

2.3.2输出特性和转移特性

2.3.3沟道长度调制效应

2.3.4体效应

2.3.5亚阈值导通效应

2.4MOSFET器件模型

2.4.1MOSFET器件的大信号模型

2.4.2MOSFET器件的小信号模型

2.4.3MOSFET器件的噪声模型

2.4.4MOSFET器件的SPICE模型

2.5MOSFET电路的SPICE仿真

2.5.1SPICE仿真基本描述

2.5.2SPICE中的基本仿真

2.6本章小结

习题

第3章CMOS电流源与电流镜

3.1引言

3.2MOSFET电流源

3.2.1简单电流源

3.2.2共源共栅电流源

3.3MOS电流镜

3.3.1基本电流镜

3.3.2共源共栅电流镜

3.3.3大摆幅的共源共栅电流镜

3.3.4威尔逊电流镜

3.4本章小结

习题

第4章基准源

4.1引言

4.2电压基准源

4.2.1分压型电压基准源

4.2.2有源电压基准源

4.2.3带隙基准源

4.3电流基准源

4.3.1基于电流镜的简单基准源

4.3.2与电源无关的电流基准源

4.3.3PTAT电流基准源

4.4本章小结

习题

第5章CMOS单级放大器

5.1引言

5.2放大器基本分析方法

5.2.1电压增益

5.2.2放大器非线性

5.3共源极放大器

5.3.1采用电阻负载的共源极放大器

5.3.2二极管连接MOS晶体管负载的共源极放大器

5.3.3采用电流源负载的共源极放大器

5.3.4CMOS推挽放大器

5.4共漏极放大器

5.5共栅极放大器

5.6共源共栅放大器

5.7本章小结

习题

第6章CMOS差分放大器

6.1引言

6.2差分工作方式

6.3基本MOS差分对

6.3.1大信号分析

6.3.2小信号分析

6.4共模响应

6.5采用有源负载的差分对

6.5.1采用电流源负载的差分对

6.5.2采用二极管连接的MOS负载的差分对

6.5.2采用MOS电流镜负载的差分对

6.6本章小结

习题

第7章CMOS放大器的频率响应

7.1引言

7.2放大器的频率响应

7.2.1低通特性

7.2.2高通特性

7.2.3带通特性

7.2.4伯德图

7.3密勒定理

7.4频率响应分析方法

7.4.1传递函数的s域分析方法——高截止频率

7.4.2传递函数的s域分析方法——低截止频率

7.4.3密勒电容方法

7.4.4零值方法

7.4.5短路方法

7.5单端放大器的频率响应

7.5.1共源极放大器

7.5.2共漏极放大器

7.5.3共栅极放大器

7.5.4共源共栅放大器

7.6差分放大器的频率响应

7.6.1全差分放大器

7.6.2电流镜作为负载的差分放大器

7.7本章小结

习题

第8章噪声

8.1引言

8.2噪声的表示

8.3噪声类型及噪声模型

8.3.1噪声类型

8.3.2集成电路器件的噪声模型

8.4电路中噪声的计算

8.4.1相关噪声源和非相关噪声源

8.4.2等效输入噪声

8.4.3MOS晶体管中的等效输入噪声源

8.4.4噪声带宽

8.5基本放大器中的噪声

8.5.1共源极放大器

8.5.2共漏极放大器

8.5.3共栅极放大器

8.5.4共源共栅放大器

8.6差分放大器中的噪声

8.7本章小结

习题

第9章反馈

9.1引言

9.2理想反馈

9.3反馈电路的特性

9.3.1增益灵敏度的降低

9.3.2输入输出阻抗的变化

9.3.3频率响应的变化

9.3.4线性度的提高

9.4反馈拓扑结构

9.5反馈结构

9.5.1串联并联反馈

9.5.2串联串联反馈

9.5.3并联并联反馈

9.5.4并联串联反馈

9.6实际反馈结构和负载的影响

9.6.1实际串联并联反馈

9.6.2实际串联串联反馈

9.6.3实际并联并联反馈

9.6.4实际并联串联反馈

9.7反馈对噪声的影响

9.8反馈电路的分析与设计

9.8.1反馈关系

9.8.2反馈放大器的分析

9.8.3反馈放大器的设计

本章小结

习题

第10章CMOS运算放大器

10.1引言

10.2运算放大器性能参数

10.2.1增益

10.2.2频率特性

10.2.3输入电阻和输出电阻

10.2.4输入失调电压

10.2.5共模输入范围

10.2.6共模抑制比

10.2.7电源抑制比

10.3单级CMOS运算放大器

10.3.1基本的单级运算放大器

10.3.2套筒式共源共栅运算放大器

10.3.3折叠式共源共栅运算放大器

10.4二级CMOS运算放大器

10.4.1基本的二级运算放大器

10.4.2采用共源共栅的二级运算放大器

10.5CMOS运算放大器输出级

10.5.1输出级电路结构分类

10.5.2共漏极A类输出级

10.5.3AB类推挽输出级

10.6全差分运算放大器与共模反馈

10.6.1全差分放大器的特性

10.6.2共模反馈

10.7转换速率

本章小结

习题

第11章稳定性与频率补偿

11.1引言

11.2稳定性分析

11.2.1稳定性问题

11.2.2闭环极点和稳定性

11.2.3环路增益和奈奎斯特稳定准则

11.2.4增益裕度和相位裕度

11.2.5相位裕度的影响

11.2.6采用伯德图的稳定性分析

11.3补偿技术

11.3.1增加主极点

11.3.2改变主极点

11.3.3密勒补偿和极点分裂

本章小结

习题

第12章比较器

12.1引言

12.2比较器的特性

12.3比较器与运算放大器

12.4比较器的阈值

12.5比较器结构

12.5.1采用运放的比较器

12.5.2推挽输出的比较器

12.5.3基于锁存器结构的比较器

12.5.4级联比较器

12.5.5离散时间比较器

12.6迟滞比较器

12.6.1反相迟滞比较器

12.6.2同相迟滞比较器

12.6.3带参考电压的迟滞比较器

12.6.4迟滞对输出电压的影响

12.7失调消除

12.7.1输出失调消除

12.7.2输入失调消除

12.7.3辅助放大器失调消除

12.8本章小结

习题

第13章开关电容电路

13.1引言

13.2基本开关电容

13.3开关电容电路拓扑结构

13.4基本单元

13.4.1运算放大器

13.4.2电容

13.4.3开关

13.4.4不交叠时钟

13.5开关电容放大器

13.6开关电容积分器

13.7开关电容电路的z域信号流图

13.8开关电容滤波器

13.9本章小结

习题

第14章DAC和ADC电路

14.1引言

14.2数模转换器（DAC）

14.2.1DAC的基本特性

14.2.2DAC的典型结构

14.3模数转换器(ADC)

14.3.1ADC的基本特性

14.3.2ADC的典型结构

14.4本章小结

习题

第15章模拟集成电路的版图设计

15.1引言

15.2MOS晶体管

15.3对称性

15.4无源器件

15.4.1电阻

15.4.2电容

15.4.3电感

15.5连线

15.6噪声及干扰

15.7本章小结

习题参考答案及解析

参考文献

本书阐述CMOS集成电路分析与设计的相关知识： 主要介绍CMOS模拟集成电路设计的背景、MOS器件物理及建模等相关知识； 分析电流源、电流镜和基准源，以及共源极、共漏极、共栅极和共源共栅极等基本放大器结构、原理、分析与设计技术； 同时分析电路的频率、噪声等特性，并进一步讨论运算放大器、反馈结构及其稳定性和频率补偿； 然后讨论开关电容电路、比较器，进而介绍数模转换器和模数转换器的基本结构和工作原理； *后讨论与CMOS模拟集成电路相关的版图设计技术。 本书可作为高等院校电子信息类本科生和研究生教材，也可作为相关领域工程师的参考用书。

王永生  1974年7月出生，毕业于哈尔滨工业大学，获得微电子学与固体电子学博士学位，现任哈尔滨工业大学航天学院副教授。长期从事数/模混合信号集成电路、系统芯片及其可测试性、可靠性设计的教学及科研工作。先后主持和参与了10余项与省部级科研项目；开发了多款高速及高精度模/数转换器芯片以及混合信号SoC芯片。申请并获得授权发明专利10余项。在模/数转换器设计、混合信号SoC设计等领域发表学术论文50余篇。

伴随着集成电路产业“卡脖子”的困境，我国近年来对集成电路的研发投入越来越大，产业人才需求缺口也愈发凸显，而这其中的高端CMOS模拟集成电路人才培养需要高等学校与产业相结合, 更是一个难题。《CMOS模拟集成电路》循序渐进、深入浅出地阐述了CMOS模拟集成电路设计的相关理论与实践知识，是一本能够满足高校本科生及研究生学习需求的优秀教材。
——吴晓波教授 浙江大学
《CMOS模拟集成电路》作者多年来从事模拟集成电路的教学和科研工作，积累了丰富的实践经验，这些经验为本书成稿奠定了坚实的基础。书中介绍了进行CMOS模拟集成电路设计必须掌握的基础知识——从器件模型、简单模块到复杂的ADC/DAC设计，应有尽有，并配有习题和解析，易于读者掌握。
——肖立伊教授 哈尔滨工业大学
《CMOS模拟集成电路》凝聚了作者多年的CMOS模拟集成电路设计经验。书中章节安排全面系统，文字叙述言简意赅，逻辑推理周密严谨，并给出了大量具有工程实践指导意义的设计示例，有利于初学者快速掌握CMOS模拟集成电路的设计。对于工程技术人员，本书也具有较高的参考价值。

——杨凌教授 兰州大学
本书作者多年来扎根于CMOS模拟集成电路设计教学、研究与产业一线，从自身经验出发，参考国内外同行的教材，历时数年成稿，为我国集成电路人才培养贡献了一本优秀的教材。《CMOS模拟集成电路》涵盖了CMOS模拟集成电路的模型、电路、系统分析与设计等内容，能够很好地满足国内CMOS模拟集成电路产业人才培养的需要。
 ——来逢昌教授 哈尔滨工业大学
《CMOS模拟集成电路》秉承深入浅出、图文并茂的写作风格，辅以翔实的习题，令人受益匪浅。无论是从事CMOS模拟集成电路设计的资深研发者，或者是亟待入门的新人，都能从本书中获益。希望本书可以成为广大读者从事CMOS模拟集成电路设计的优秀参考工具书。
——赵承心研究员 中科院近代物理研究所