本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材。本书分析了CMOS模拟集成电路设计理论与技术，全书由17章组成。从CMOS器件物理及高阶效应出发，介绍了CMOS模拟集成电路的基础，然后分别介绍了模拟集成电路中的各种电路模块：基本放大器、恒流源电路、差分放大器、运算放大器、基准电压源、开关电容电路、集成电压比较器、数/模转换与模/数转换、振荡器与锁相环等。另外，还分析了CMOS模拟集成电路的频率响应、稳定性、运算放大器的频率补偿及其反馈电路特性，以及噪声与非线性。     读者对象：本书作为微电子、集成电路设计等电子类专业高年级本科生和研究生的教材，也可供从事相关专业的科学技术人员学习参考。

前 言 本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材。 CMOS工艺技术的飞速发展，在集成电路制造产业中占有越来越重要的地位，而其中的CMOS模拟集成电路也因此得以快速发展。CMOS工艺能实现低电源电压、低功耗的系统，迎合了当前模拟电路的发展趋势。 本书作为教材，着重讨论了CMOS模拟集成电路分析与设计的基础知识，并介绍了新技术与新理论，深入浅出地对CMOS模拟集成电路中的主要模块电路进行了较为详尽的分析，并力求理论与实际相结合，使学生经过本教材的学习能真正了解CMOS模拟集成电路的分析与设计方法，掌握CMOS模拟集成电路中的主要模块的设计基础，为进行模拟电路的设计打下基础。 本书共分为三部分：第一部分是第1章CMOS模拟集成电路基础，重点介绍了CMOS器件物理、二阶效应、等比例缩小及高阶效应。第二部分介绍CMOS模拟集成电路中的主要电路模块——第2章介绍了单级放大器：共源、共栅、源极跟随器、共源共栅放大器等；第3章分析了恒流源电路设计技术；第4章对差分放大器进行了详尽的分析；第8章分析了运算放大器的特点及设计方法，包括单级放大器与多级放大器；第10章对开关电容电路进行研究，并介绍开关电容电路的主要应用；第12章是基准电压源的设计，重点分析带隙基准电压源的设计技术；第13章介绍集成电压比较器的设计与分析；第14章研究数/模转换电路与模/数转换电路，第15章是关于集成振荡器与锁相环的设计。第三部分介绍CMOS模拟集成电路中必须考虑的其他特性——第5章分析放大器的频率响应，第9章是有关运算放大器频率补偿的设计；第6章分析反馈放大器特性；第7章介绍电路噪声的分析方法及电路中的主要噪声；第11章分析电路的非线性及其消除技术。 本次修订在第1版的基础上增加了较多的例题以促进读者对于所学理论的直观认识，同时增加了一些新的电路及分析设计方法。 东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心的师生以及电子工程系的老师对本书的修订给予了大力支持与帮助，特别是茅盘松教授与谢世健教授的大力支持，在此表示深深的谢意。 由于CMOS模拟集成电路技术发展迅速，且作者水平有限，书中所介绍的内容难免有不足和错误之处，希望读者批评指正。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　作　者 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　于东南大学

目 录 第1章　基本MOS器件物理 1 1.1　有源器件 1 1.1.1　MOS管结构与几何参数 1 1.1.2　MOS管的工作原理及 表示符号 3 1.1.3　MOS管的高频小信号电容 5 1.1.4　MOS管的电特性 7 1.1.5　二阶效应 12 1.1.6　MOS管交流小信号模型 16 1.1.7　有源电阻 17 1.2　无源器件 20 1.2.1　电阻 20 1.2.2　电容 22 1.3　短沟道效应 24 1.3.1　按比例缩小 24 1.3.2　短沟道效应 27 1.4　MOS器件模型 31 第2章　单级放大器 33 2.1　共源放大器 33 2.1.1　无源负载共源放大器 33 2.1.2　有源器件作为负载 36 2.2　源极跟随器 47 2.2.1　电阻负载源极跟随器 47 2.2.2 电流源负载源极跟随器 48 2.3 共栅放大器 51 2.4　共源共栅极（级联级） 56 2.5　折叠式级联 60 第3章　恒流源电路 62 3.1　基本电流镜结构 62 3.2 　威尔逊电流源 64 3.3　共源共栅电流源—高输出 阻抗恒流源 65 3.4　低压共源共栅结构 66 3.5　高输出阻抗、高输出摆幅的 恒流源 67 3.6 电源抑制电流源 68 3.6.1　CMOS峰值电流源 68 3.6.2 恒定跨导电流源 69 小结 70 第4章 差分放大器 71 4.1　概述 71 4.2 基本差分对 72 4.2.1 电路结构 72 4.2.2 差分对的共模输入及输出 压摆 72 4.2.3　差分对的差分工作 74 4.3　以MOS管作为负载的差分 放大器 84 4.4　CMOS差分放大器 87 4.4.1　工作原理 87 4.4.2 电路分析 88 4.4.3 CMOS差分放大器的主要 性能 95 4.5　模拟乘法器 95 4.5.1　模拟乘法器设计方法 95 4.5.2 直接利用双差分结构实现 97 4.6 吉尔伯特单元 98 4.6.1 经典吉尔伯特单元 98 4.6.2 吉尔伯特单元典型应用 100 第5章 放大器的频率响应 102 5.1　频率特性的基本概念和 分析方法 102 5.1.1 基本概念 102 5.1.2 研究方法 103 5.2　共源放大器的频率响应 104 5.2.1 电路的零极点 104 5.2.2　输入阻抗 106 5.3　源极跟随器的频率响应 107 5.3.1 电路的零极点 107 5.3.2　输入阻抗 108 5.3.3 输出阻抗 109 5.4　共栅极——电流缓冲器 的频率响应 110 5.4.1 电路的零极点 110 5.4.2 输入阻抗 111 5.5　级联放大器的频率响应 112 5.6　CMOS增益级的频率响应 113 5.7　差分放大器的频率响应 114 5.7.1 CMOS全差分对的频率响应 115 5.7.2　电流镜为负载的差分对的 频率响应 117 第6章 反馈 121 6.1 基本概念 121 6.1.1 反馈放大器的方框图及放大 倍数的一般表达式 121 6.1.2 负反馈放大器的类型 122 6.2　负反馈结构 122 6.3　负反馈放大器的特性 125 6.3.1　提高放大器增益的稳定性 125 6.3.2 对系统的输入与输出电阻的 影响 125 6.3.3 带宽调节 128 6.3.4　减少非线性失真 130 6.3.5　负载的影响 130 6.4 反馈网络的噪声效应 136 6.5　系统的稳定性 137 6.5.1　单极点系统 137 6.5.2　多极点系统 138 第7章　噪声 139 7.1　概述 139 7.1.1　噪声的描述方法 139 7.1.2　相关噪声源与独立噪声源 140 7.1.3 噪声带宽 140 7.2　噪声的种类 140 7.2.1　热噪声 140 7.2.2　闪烁噪声——1/f噪声 143 7.2.3　散粒噪声 144 7.3　电路中噪声的表示方式 144 7.3.1　噪声源表示法 144 7.3.2　 与 的计算 145 7.4　单级放大器中的噪声 145 7.4.1　共源放大器 145 7.4.2 共栅放大器 147 7.4.3　共源共栅放大器 148 7.4.4 源极跟随器 149 7.4.5 CMOS放大器的噪声 150 7.5　差分对中的噪声 151 第8章　运算放大器 154 8.1 概述 154 8.1.1 运算放大器的主要参数 154 8.1.2 分析运算放大器的一般步骤 157 8.2　单级运放 158 8.2.1　全差分单级运算放大器 158 8.2.2 单端输出运算放大器 160 8.3　共模反馈 162 8.3.1 共模电平的检测方法 163 8.3.2　误差比较技术 165 8.4 多级运放 168 8.4.1　两级运放 168 8.4.2 多级运放 169 8.5 运放的建立时间TSET 172 8.5.1 物理意义 172 8.5.2 单级运放的转换速率 174 8.5.3 二级运放的转换速率 174 8.6　增益提高电路 176 8.6.1 基本增益提高电路 176 8.6.2 增益提高的级联运放 177 8.7 轨到轨运算放大器 179 8.7.1 轨到轨运算放大器输入级 179 8.7.2 轨到轨输出 185 8.8 运放中的噪声分析 189 8.9　运算放大器的设计流程 190 小结 190 第9章　运算放大器的频率补偿 191 9.1　稳定相位裕度 191 9.2　频率补偿 192 9.2.1 单级高增益运放的频率补偿 193 9.2.2　CMOS多级运放的补偿 195 第10章 开关电容电路 204 10.1　概述 204 10.2　MOS模拟开关 204 10.2.1　MOS开关管的电阻 205 10.2.2　MOS管极间电容的影响 208 10.2.3　衬偏的调制与kT/C噪声 211 10.3　开关电容电路的工作原理及 特点 212 10.3.1 电荷重分配原理 212 10.3.2　开关电容电路的等效 电阻 212 10.4 开关电容电路模块 215 10.4.1　采样维持(S/H) 215 10.4.2 增益放大模块 218 10.4.3 开关电容积分器 220 10.4.4　倍乘和单位延迟及积分/加法 （或减法）电路 221 10.4.5　开关电容滤波器 222 10.4.6　开关电容共模负反馈 223 10.5 开关电容电路中的非理想 效应 224 10.5.1 开关的非理想效应 224 10.5.2 电容的不精确 225 10.5.3 非理想的运算放大器的 影响 225 10.5.4 开关电容电路中的噪声 225 第11章　放大器的非线性失真 227 11.1　概述 227 11.1.1 非线性的定义 227 11.1.2 非线性的度量方法 227 11.2 单级放大器的非线性 228 11.2.1 由于MOS管特性引起的 非线性 228 11.2.2 由放大器传输特性引起的 非线性 228 11.3　差分电路的非线性 229 11.4 电路中器件引起的 非线性 230 11.4.1 电容的非线性 230 11.4.2 MOS管作为电阻的 非线性 231 11.5 克服非线性的技术 231 11.5.1　原理 231 11.5.2　改善放大器非线性失真的 实际电路 234 第12章 基准电压源 237 12.1 基本工作原理 237 12.1.1　与温度无关的基准 237 12.1.2 常见的带隙基准电压源的 结构 238 12.2　带隙基准源各个单元的 分析 239 12.2.1　电流镜 239 12.2.2　运算放大器 245 12.2.3 温度补偿 248 12.3 低电压工作的基准 电压源 251 12.3.1 常态阈值器件的低电压基准 电压源 251 12.3.2 结构改进型低电压基准 电压源 252 12.4 以MOS管阈值电压Vth为 基准的参考电压源 253 12.5　亚阈值区的基准电压源 255 12.6　多组电压源的产生 256 12.7　带负载能力 257 第13章 集成电压比较器 258 13.1 概述 258 13.1.1 基本概念 258 13.1.2 电压比较器的主要参数及设计 要求 259 13.1.3 电压比较器的结构 260 13.2 级联反相器结构 260 13.2.1 基本反相器结构 260 13.2.2 典型级联反相结构比较器 260 13.2.3 快速的级联反相结构 比较器 262 13.3 差分输入运算放大器结构 263 13.3.1 静态模式 263 13.3.2 动态工作模式 265 第14章 D/A、A/D转换器 269 14.1 概述 269 14.2 数/模转换(DAC) 269 14.2.1 工作原理 269 14.2.2 DAC的主要性能 270 14.2.3 DAC的种类 271 14.3 模/数转换电路 278 14.3.1 工作原理 278 14.3.2 性能参数 279 14.3.3 模/数转换器类型 279 第15章 振荡器与锁相环 296 15.1 振荡器 296 15.1.1 概述 296 15.1.2 LC振荡器 297 15.1.3 交叉耦合振荡器 298 15.1.4 科尔皮兹振荡器 299 15.1.5 负阻振荡器 300 15.1.6 移相振荡器 300 15.1.7 环形振荡器 301 15.1.8 压控振荡器 305 15.2 锁相环 307 15.2.1 锁相环结构 307 15.2.2 锁相环路的性能 308 15.2.3 锁定状态 310 15.2.4 频率倍增和合成 312 15.2.5 电荷泵锁相环 313 15.2.6 锁相环设计的一般思路 315 15.2.7 分数锁相环 318 第16章　版图设计技术 322 16.1 版图的设计流程 322 16.2 工艺制约 323 16.3 工艺设计规则 324 16.4 布局与布线 325 16.4.1 MOS管的版图设计 325 16.4.2 二极管的版图设计 327 16.4.3　无源器件 328 16.4.4 布局 329 16.4.5 布线 334 16.5　封装 337 16.5.1 自感 339 16.5.2 互感 339 第17章　工程设计 340 17.1 工程A：运算放大器设计 340 17.1.1 工程目标 340 17.1.2 放大器结构的确定 340 17.1.3 各级放大器参数的确定 341 17.1.4 仿真验证 343 17.2 工程B：模/数转换器ADC 的设计 347 17.2.1 目标与设计流程 347 17.2.2 电路结构 348 17.2.3 电路设计 348 17.2.4 总体电路设计与仿真 361 17.2.5 版图设计及后仿真 361 17.2.6 芯片测试方案 364 参考文献 365

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