CMOS模擬集成電路基礎（簡體書）

本書比較全面、深入地介紹了CMOS模擬集成電路分析與設計的基礎知識。本書立足於CMOS模擬集成電路基礎知識的闡述，同時側重於模擬集成電路知識的實際運用，介紹了SPICE電路模擬仿真以及常用的集成電路EDA電路仿真工具，並且也注意與電子電路相關知識的聯系和運用。本書可以作為高等院校電子信息類微電子及集成電路專業本科生和研究生教材，也可作為相關領域工程師的參考用書。

本書為了更加適應模擬集成電路教學的需要，循序漸進、深入淺出地闡述了CMOS模擬集成電路器件及模型、基本電路、復雜電路分析與設計的相關內容。本書側重於基礎知識的討論，共分為12章： 第1章緒論，主要內容包括模擬集成電路與數字集成電路的關係、模擬集成電路的抽象層次與電路設計方法，並說明了本書的符號標記法； 第2章MOSFET器件及模型，主要內容包括MOSFET器件結構、I/V特性、器件模型； 第3章CMOS電流源與電流鏡，主要內容包括簡單電流源和電流鏡、共源共柵電流源和電流鏡、大擺幅共源共柵電流鏡及威爾遜電流鏡； 第4章基準源，主要內容包括

電壓基準源和電流基準源； 第5章CMOS單級放大器，主要內容包括放大器的基本分析方法、共源極放大器、共漏極放大器、共柵極放大器及共源共柵放大器； 第6章CMOS差分放大器，主要內容包括差分工作方式、基本差分對、共模響應

及采用有源負載的差分對； 第7章CMOS放大器的頻率響應，主要內容包括放大器的頻率響應分析方法、單端放大器的頻率響應及差分放大器的頻率響應； 第8章噪聲，主要內容包括噪聲的表示及計算方法、電路噪聲的類型及模型、基本放大器中的噪聲、差分放大器中的噪聲； 第9章反饋，主要內容包括反饋特性、反饋電路結構、反饋對噪聲的影響； 第10章CMOS運算放大器，主要內容包括運算放大器的性能參數、單級及二級運算放大器、運算放大器的輸出級、全差分運放及共模反饋； 第11章穩定性與頻率補償，主要內容包括穩定性分析技術、頻率補償技術； 第12章模擬集成電路的版圖設計，主要內容包括MOS晶體管、無源器件和連線的版圖設計、考慮對稱性及噪聲幹擾的版圖設計。最後還增加了基本的集成電路EDA電路仿真軟件的使用方法，以便使讀者可以快速上手入門。

本書主要由哈爾濱工業大學的王永生編著，來逢昌進行審校。黑龍江大學的曹貝及哈爾濱工業大學的付方發等也參與了本書部分內容的編寫工作。

對哈爾濱工業大學微電子科學與技術系從事集成電路教學科研的師生表示誠摯的感謝，他們為撰寫本書提供了支持和幫助。

同時也對清華大學出版社首席策劃編輯盛東亮和他的同事表示感謝，感謝他們的辛苦付出。最後，感謝我的家人，自從開始撰寫本書，他們

給予了我無私的愛、鼓勵和理解。

由於編者水平有限，書中難免存在疏漏和錯誤，懇切希望廣大讀者批評指正。

編著者2021年4月

第1章緒論

1.1模擬電路與數字電路

1.2電路抽象層次

1.3模擬集成電路設計

1.4符號標記法

1.5本章小結

第2章MOSFET器件及模型

2.1引言

2.2MOSFET器件結構

2.2.1MOSFET器件

2.2.2CMOS

2.3MOSFET器件I/V特性

2.3.1工作區

2.3.2輸出特性和轉移特性

2.3.3溝道長度調制效應

2.3.4體效應

2.3.5亞閾值導通效應

2.4MOSFET器件模型

2.4.1MOSFET器件的大信號模型

2.4.2MOSFET器件的小信號模型

2.4.3MOSFET器件的噪聲模型

2.4.4MOSFET器件的SPICE模型

2.5本章小結

習題

第3章CMOS電流源與電流鏡

3.1引言

3.2MOSFET電流源

3.2.1簡單電流源

3.2.2共源共柵電流源

3.3MOS電流鏡

3.3.1基本電流鏡

3.3.2共源共柵電流鏡

3.3.3大擺幅的共源共柵電流鏡

3.3.4威爾遜電流鏡

3.4本章小結

習題

第4章基準源

4.1引言

4.2電壓基準源

4.2.1分壓型電壓基準源

4.2.2有源電壓基準源

4.2.3帶隙基準源

4.3電流基準源

4.3.1基於電流鏡的簡單基準源

4.3.2與電源無關的電流基準源

4.3.3PTAT電流基準源

4.4本章小結

習題

第5章CMOS單級放大器

5.1引言

5.2放大器基本分析方法

5.2.1電壓增益

5.2.2放大器的非線性

5.3共源極放大器

5.3.1采用電阻負載的共源極放大器

5.3.2二極管連接MOS晶體管負載的共源極放大器

5.3.3采用電流源負載的共源極放大器

5.3.4CMOS推挽放大器

5.4共漏極放大器

5.5共柵極放大器

5.6共源共柵放大器

5.7本章小結

習題

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差分對

6.3.1大信號分析

6.3.2小信號分析

6.4共模響應

6.5采用有源負載的差分對

6.5.1采用電流源負載的差分對

6.5.2采用二極管連接的MOS負載的差分對

6.5.3采用MOS電流鏡負載的差分對

6.6本章小結

習題

第7章CMOS放大器的頻率響應

7.1引言

7.2放大器的頻率響應

7.2.1低通特性

7.2.2高通特性

7.2.3帶通特性

7.2.4伯德圖

7.3密勒定理

7.4頻率響應分析方法

7.4.1傳遞函數的s域分析方法——高截止頻率

7.4.2傳遞函數的s域分析方法——低截止頻率

7.4.3密勒電容方法

7.4.4零值方法

7.4.5短路方法

7.5單端放大器的頻率響應

7.5.1共源極放大器

7.5.2共漏極放大器

7.5.3共柵極放大器

7.5.4共源共柵放大器

7.6差分放大器的頻率響應

7.6.1全差分放大器

7.6.2電流鏡作為負載的差分放大器

7.7本章小結

習題

第8章噪聲

8.1引言

8.2噪聲的表示

8.3噪聲類型及噪聲模型

8.3.1噪聲類型

8.3.2集成電路器件的噪聲模型

8.4電路中噪聲的計算

8.4.1相關噪聲源和非相關噪聲源

8.4.2等效輸入噪聲

8.4.3MOS晶體管中的等效輸入噪聲源

8.4.4噪聲帶寬

8.5基本放大器中的噪聲

8.5.1共源極放大器

8.5.2共漏極放大器

8.5.3共柵極放大器

8.5.4共源共柵放大器

8.6差分放大器中的噪聲

8.7本章小結

習題

第9章反饋

9.1引言

9.2理想反饋

9.3反饋電路的特性

9.3.1增益靈敏度的降低

9.3.2輸入輸出阻抗的變化

9.3.3頻率響應的變化

9.3.4線性度的提高

9.4反饋拓撲結構

9.5反饋結構

9.5.1串聯並聯反饋

9.5.2串聯串聯反饋

9.5.3並聯並聯反饋

9.5.4並聯串聯反饋

9.6反饋對噪聲的影響

9.7本章小結

習題

第10章CMOS運算放大器

10.1引言

10.2運算放大器性能參數

10.2.1增益

10.2.2頻率特性

10.2.3輸入電阻和輸出電阻

10.2.4輸入失調電壓

10.2.5共模輸入範圍

10.2.6共模抑制比

10.2.7電源抑制比

10.3單級CMOS運算放大器

10.3.1基本的單級運算放大器

10.3.2套筒式共源共柵運算放大器

10.3.3折疊式共源共柵運算放大器

10.4二級CMOS運算放大器

10.4.1基本的二級運算放大器

10.4.2采用共源共柵的二級運算放大器

10.5CMOS運算放大器輸出級

10.5.1輸出級電路結構分類

10.5.2共漏極A類輸出級

10.5.3AB類推挽輸出級

10.6全差分運算放大器與共模反饋

10.6.1全差分放大器的特性

10.6.2共模反饋

10.7轉換速率

10.8本章小結

習題

第11章穩定性與頻率補償

11.1引言

11.2穩定性分析

11.2.1穩定性問題

11.2.2閉環極點和穩定性

11.2.3環路增益和穩定性

11.2.4增益裕度和相位裕度

11.2.5相位裕度的影響

11.2.6采用伯德圖的穩定性分析

11.3補償技術

11.3.1增加主極點

11.3.2改變主極點

11.3.3密勒補償和極點分裂

11.4本章小結

習題

第12章模擬集成電路的版圖設計

12.1引言

12.2MOS晶體管

12.3對稱性

12.4無源器件

12.4.1電阻

12.4.2電容

12.4.3電感

12.5連線

12.6噪聲及幹擾

12.7本章小結

附錄ASPICE仿真及集成電路EDA基本仿真工具

A.1MOSFET電路的SPICE仿真

A.1.1SPICE仿真基本描述

A.1.2SPICE中的基本仿真

A.2HSPICE電路仿真

A．2．1流程及規則簡介

A．2．2工具的使用

A.3SPECTRE電路仿真

A.3.1工具的使用

A．3．2基本電路分析

附錄B習題參考答案及解析

參考文獻