模拟CMOS集成电路设计(第2版)

第1章 模拟电路设计绪论 1 1.1 模拟电路的重要性 1 1.1.1 信号的检测与处理 1 1.1.2 数字信号传输中的模拟设计 2 1.1.3 需求旺盛的模拟设计 3 1.1.4 模拟设计的挑战 4 1.2 研究模拟集成电路的重要性 4 1.3 研究CMOS模拟集成电路的重要性 5 1.4 本书的特点 5 1.5 电路设计的抽象级别 6 第2章 MOS器件物理基础 7 2.1 基本概念 7 2.1.1 MOSFET开关 7 2.1.2 MOSFET的结构 8 2.1.3 MOS符号 10 2.2 MOS的I-V特性 10 2.2.1 阈值电压 10 2.2.2 I-V特性的推导 12 2.2.3 MOSFET的跨导 17 2.3 二级效应 19 2.4 MOS器件模型 24 2.4.1 MOS器件版图 24 2.4.2 MOS器件电容 25 2.4.3 MOS小信号模型 29 2.4.4 MOS SPICE模型 32 2.4.5 NMOS与PMOS器件的比较 33 2.4.6 长沟道器件与短沟道器件的比较 33 2.5 附录A:鳍式场效应晶体管(FinFET) 34 2.6 附录B:用作电容器的MOS器件的特性 35 参考文献 35 习题 35 第3章 单级放大器 42 3.1 应用 42 3.2 概述 42 3.3 共源级 44 3.3.1 采用电阻作负载的共源级 44 3.3.2 采用二极管连接型器件作负载的共源级 49 3.3.3 采用电流源作负载的共源级 53 3.3.4 有源负载的共源级 55 3.3.5 工作在线性区的MOS为负载的共源级 56 3.3.6 带源极负反馈的共源级 57 3.4 源跟随器 63 3.5 共栅级 69 3.6 共源共栅级 75 3.6.1 折叠式共源共栅 81 3.7 器件模型的选择 84 习题 84 第4章 差动放大器 91 4.1 单端与差动的工作方式 91 4.2 基本差动对 93 4.2.1 定性分析 94 4.2.2 定量分析 97 4.2.3 带源极负反馈的差动对 106 4.3 共模响应 107 4.4 MOS为负载的差动对 112 4.5 吉尔伯特单元 115 参考文献 117 习题 117 第5章 电流镜与偏置技术 122 5.1 基本电流镜 122 5.2 共源共栅电流镜 126 5.3 有源电流镜 133 5.3.1 大信号分析 135 5.3.2 小信号分析 138 5.3.3 共模特性 141 5.3.4 五管OTA的其它特性 144 5.4 偏置技术 145 5.4.1 共源级的偏置 145 5.4.2 共栅级的偏置 149 5.4.3 源跟随器的偏置 150 5.4.4 差动对的偏置 151 习题 151 第6章 放大器的频率特性 157 6.1 概述 157 6.1.1 密勒效应 158 6.1.2 极点与结点的关联 162 6.2 共源级 164 6.3 源跟随器 170 6.4 共栅级 175 6.5 共源共栅级 177 6.6 差动对 179 6.6.1 无源负载的差动对 179 6.6.2 有源负载的差动对 181 6.7 增益-带宽的折中 183 6.7.1 单极点电路 184 6.7.2 多极点电路 184 6.8 附录A:额外的元定理 185 6.9 附录B:零值时间常数方法 188 6.10 附录C:密勒定理的对偶 191 参考文献 192 习题 193 第7章 噪声 197 7.1 噪声的统计特性 197 7.1.1 噪声谱 199 7.1.2 幅值分布 202 7.1.3 相关噪声源和非相关噪声源 203 7.1.4 信噪比 203 7.1.5 噪声分析步骤 204 7.2 噪声类型 205 7.2.1 热噪声 205 7.2.2 闪烁噪声 210 7.3 电路中的噪声表示 212 7.4 单级放大器中的噪声 218 7.4.1 共源级 220 7.4.2 共栅级 224 7.4.3 源跟随器 226 7.4.4 共源共栅级 227 7.5 电流镜中的噪声 228 7.6 差动对中的噪声 229 7.7 噪声与功率的折中 235 7.8 噪声带宽 236 7.9 输入噪声积分的问题 237 7.10 附录A:噪声相关的问题 237 参考文献 239 习题 239 第8章 反馈 245 8.1 概述 245 8.1.1 反馈电路的特性 246 8.1.2 放大器的种类 252 8.1.3 检测和返回机制 254 8.2 反馈结构 256 8.2.1 电压-电压反馈 256 8.2.2 电流-电压反馈 260 8.2.3 电压-电流反馈 262 8.2.4 电流-电流反馈 265 8.3 反馈对噪声的影响 266 8.4 反馈分析的困难 267 8.5 加载效应 270 8.5.1 二端口网络模型 270 8.5.2 电压-电压反馈中的加载 271 8.5.3 电流-电压反馈中的加载 275 8.5.4 电压-电流反馈中的加载 277 8.5.5 电流-电流反馈中的加载 279 8.5.6 加载效应小结 281 8.6 反馈电路中的波特分析方法 281 8.6.1 观察结果 282 8.6.2 系数的解释 283 8.6.3 波特分析 286 8.6.4 布莱克曼阻抗定理 290 8.7 麦德布鲁克方法 295 8.8 环路增益计算问题 296 8.8.1 预备概念 296 8.8.2 关于返回比的困难 299 8.9 波特方法的另一种解释 300 参考文献 303 习题 303 第9章 运算放大器 308 9.1 概述 308 9.1.1 性能参数 308 9.2 一级运放 312 9.2.1 基本结构 312 9.2.2 设计步骤 316 9.2.3 线性缩放 317 9.2.4 折叠式共源共栅运放 318 9.2.5 折叠式共源共栅运放的特性 321 9.2.6 设计步骤 321 9.3 两级运放 323 9.3.1 设计步骤 325 9.4 增益的提高 326 9.4.1 基本思想 326 9.4.2 电路的实现 330 9.4.3 频率响应 332 9.5 性能比较 335 9.6 输出摆幅计算 335 9.7 共模反馈 336 9.7.1 基本概念 336 9.7.2 共模检测技术 338 9.7.3 共模反馈技术 340 9.7.4 两级运放中的共模反馈 346 9.8 输入范围限制 348 9.9 转换速率 349 9.10 高转换速率的运算放大器 355 9.10.1 一级运放 355 9.10.2 两级运放 358 9.11 电源抑制 358 9.12 运放的噪声 360 参考文献 363 习题 364 第10章 稳定性与频率补偿 368 10.1 概述 368 10.2 多极点系统 371 10.3 相位裕度 373 10.4 频率补偿基础 376 10.5 两级运放的补偿 381 10.6 两级运放中的转换 386 10.7 其它补偿技术 389 10.8 奈奎斯特稳定性判据 392 10.8.1 研究背景 392 10.8.2 基本概念 393 10.8.3 极坐标图的构造方法 394 10.8.4 柯西定理 399 10.8.5 奈奎斯特方法 399 10.8.6 极点位于原点的系统 402 10.8.7 相位多次穿越180°的系统 405 参考文献 406 习题 407 第11章 纳米设计分析 411 11.1 晶体管的设计考虑 411 11.2 深亚微米效应 412 11.3 跨导的缩放 414 11.4 晶体管设计 417 11.4.1 给定ID和V DS.min情况下的设计 418 11.4.2 给定gm和ID情况下的设计 421 11.4.3 给定gm和V DS.min情况下的设计 422 11.4.4 给定gm情况下的设计 423 11.4.5 沟道长度的选择 423 11.5 运算放大器设计实例 423 11.5.1 套筒式运放 424 11.5.2 两级运放 437 11.6 高速放大器 444 11.6.1 概述 445 11.6.2 运放设计 449 11.6.3 闭环小信号性能 449 11.6.4 运放按比例缩小 451 11.6.5 大信号特性 452 11.7 本章小结 456 习题 456 第12章 带隙基准 458 12.1 概述 458 12.2 与电源无关的偏置 458 12.3 与温度无关的基准 461 12.3.1 负温度系数电压 462 12.3.2 正温度系数电压 462 12.3.3 带隙基准 463 12.4 PTAT电流的产生 469 12.5 恒定Gm偏置 470 12.6 速度与噪声问题 471 12.7 低压带隙基准 474 12.8 实例分析 477 参考文献 480 习题 480 第13章 开关电容电路导论 483 13.1 概述 483 13.2 采样开关 487 13.2.1 MOSFET开关 487 13.2.2 速度问题 491 13.2.3 精度问题 493 13.2.4 电荷注入抵消 495 13.3 开关电容放大器 497 13.3.1 单位增益采样器/缓冲器 497 13.3.2 同相放大器 503 13.3.3 精确乘2电路 507 13.4 开关电容积分器 508 13.5 开关电容共模反馈 510 参考文献 511 习题 512 第14章 非线性与不匹配 515 14.1 非线性 515 14.1.1 概述 515 14.1.2 差动电路的非线性 517 14.1.3 负反馈对非线性的影响 519 14.1.4 电容器的非线性 521 14.1.5 采样电路中的非线性 522 14.1.6 线性化技术 523 14.2 失配 527 14.2.1 失配的影响 530 14.2.2 失调消除技术 533 14.2.3 用失调消除来降低噪声 537 14.2.4 CMRR的另一种定义 539 参考文献 539 习题 540 第15章 振荡器 542 15.1 概述 542 15.2 环形振荡器 543 15.3 LC振荡器 551 15.3.1 基本概念 551 15.3.2 交叉耦合振荡器 553 15.3.3 科尔皮兹振荡器 555 15.3.4 单端口振荡器 558 15.4 压控振荡器 561 15.4.1 环形振荡器的调节 563 15.4.2 LC振荡器的调节 571 15.5 VCO的数学模型 574 参考文献 577 习题 578 第16章 锁相环 580 16.1 简单的锁相环 580 16.1.1 鉴相器 580 16.1.2 基本的PLL结构 582 16.1.3 简单锁相环的动态特性 588 16.2 电荷泵锁相环 593 16.2.1 锁定捕获的问题 593 16.2.2 鉴相/鉴频器 594 16.2.3 电荷泵 597 16.2.4 基本的电荷泵锁相环 598 16.3 锁相环中的非理想效应 603 16.3.1 PFD/CP的非理想性 603 16.3.2 锁相环中的抖动现象 607 16.4 延迟锁相环 609 16.5 应用 611 16.5.1 频率的倍增与合成 611 16.5.2 偏移的减小 613 16.5.3 抖动的减小 614 参考文献 614 习题 615 第17章 短沟道效应与器件模型 616 17.1 按比例缩小理论 616 17.2 短沟道效应 619 17.2.1 阈值电压的变化 619 17.2.2 垂直电场引起的迁移率退化 621 17.2.3 速度饱和 622 17.2.4 热载流子效应 623 17.2.5 漏-源电压引起的输出阻抗的变化 624 17.3 MOS器件模型 625 17.3.1 Level 1模型 625 17.3.2 Level 2模型 626 17.3.3 Level 3模型 627 17.3.4 BSIM系列模型 628 17.3.5 其它模型 629 17.3.6 电荷与电容的建模 630 17.3.7 温度特性 630 17.4 工艺角 631 参考文献 631 习题 632 第18章 CMOS工艺技术 634 18.1 概述 634 18.2 晶圆工艺 635 18.3 光刻 635 18.4 氧化 637 18.5 离子注入 637 18.6 淀积与刻蚀 639 18.7 器件制造 639 18.7.1 有源器件 640 18.7.2 无源器件 643 18.7.3 互连 648 18.8 闩锁效应 650 参考文献 651 习题 651 第19章 版图与封装 653 19.1 版图概述 653 19.1.1 设计规则 654 19.1.2 天线效应 655 19.2 模拟电路的版图技术 656 19.2.1 叉指晶体管 656 19.2.2 对称性 658 19.2.3 浅槽隔离问题 662 19.2.4 阱邻近效应 662 19.2.5 参考源的分布 663 19.2.6 无源器件 664 19.2.7 互连线 670 19.2.8 焊盘与静电放电保护 674 19.3 衬底耦合 676 19.4 封装 680 参考文献 686 习题 687 索引 689