Empyrean模擬集成電路設計與工程

胡远奇

长期从事高精度数模混合集成电路设计工作。2015年获英国帝国理工学院博士学位，2015—2018年担任芯片企业Cirrus Logic的研发设计师，2018年入职北京航空航天大学，获评国 家级青年人才。主持国家自然科学基金区域联合重点项目等7个项目，发表论文20余篇。担任国家“十四五”重点研发计划“微纳电子技术”重点专项总体专 家组成员、IEEE TBiOCAS 编委及IEEECAS传感系统技术委员会委员等。

 

王昭昊

长期从事存储器及集成电路教学科研工作。2015年获法国巴黎萨克雷大学物理学博士学位，2016年入职北京航空航天大学。主讲本科生核心专业课“模拟集成电路基础”，以第 一作者或通信作者身份发表学术论文60余篇，获30余项发明专利授权，转让专利4项。获北京市高等教育教学成果二等奖、中国电子学会自然科学一等奖等。

第 1 章 緒論 1

1.1　經典的模擬集成電路　1

1.2　模擬集成電路的主要推動力　2

1.3　CMOS 技術與工藝　3

1.4　設計技巧與工程思想　3

1.5　電路模擬工具： 華大九天Empyrean　4

 

第　2 章 MOSFET 物理特性　6

2.1　MOSFET 的基本伏安特性　6

2.1.1　原理簡介　6

2.1.2　模擬實驗： MOSFET 的伏安特性曲線　7

2.1.3　模擬實驗： MOSFET 的二級效應　14

2.2　MOSFET 的小信號模型　21

2.2.1　小信號模型的理論依據　21

2.2.2　模擬實驗： MOSFET 的小信號參數測試　24

2.3　MOSFET 的幾種常見連接方式　33

2.3.1　MOSFET 的二極管連接方式　33

2.3.2　MOSFET 的電流源連接方式　34

2.3.3　模擬實驗：二極管連接型MOSFET 和電流源連接型 MOSFET　34

2.4　課後練習　37

 

第　3 章 CMOS 單級放大器　38

3.1　共源放大器　38

3.1.1　以電阻為負載的共源放大器　38

3.1.2　推輓放大器　41

3.1.3　帶源極負反饋的共源放大器　42

3.1.4　模擬實驗：共源放大器　43

3.2　源跟隨器　51

3.2.1　源跟隨器的基礎理論　52

3.2.2　模擬實驗：源跟隨器模擬　53

3.3　共柵放大器　56

3.3.1　共柵放大器的基礎理論　56

3.3.2　模擬實驗：共柵放大器的模擬　57

3.4　共源共柵放大器　60

3.4.1　共源共柵放大器的基礎理論　61

3.4.2　模擬實驗：共源共柵放大器的模擬　62

3.5　課後練習　65

 

第　4 章 CMOS 差分放大器　66

4.1　基本差分對　66

4.1.1　基本差分對的直流分析　67

4.1.2　模擬實驗：基本差分對的直流特性分析　68

4.1.3　半邊電路法　71

4.1.4　模擬實驗：基本差分對的小信號特性分析　73

4.2　共模響應　76

4.2.1　尾電流源阻抗的影響　76

4.2.2　MOSFET 失配的影響　78

4.2.3　模擬實驗：差分放大器的共模響應　78

4.3　課後練習　84

 

第　5 章 電流鏡與偏置電路　85

5.1　電流鏡的工作原理　85

5.1.1　基本電流鏡　85

5.1.2　共源共柵電流鏡　87

5.1.3　模擬實驗：電流鏡的特性曲線　88

5.2　高輸出擺幅的共源共柵電流鏡　91

5.2.1　共源共柵電流鏡擺幅分析　91

5.2.2　兩種高輸出擺幅的共源共柵電流鏡　91

5.2.3　模擬實驗：高輸出擺幅的共源共柵電流鏡　94

5.3　電流鏡用作有源負載　96

5.3.1　有源負載的原理　96

5.3.2　模擬實驗：以電流鏡作為負載的差分放大器　98

5.4　偏置電路　103

5.4.1　恆定跨導偏置電路　104

5.4.2　模擬實驗：恆定跨導偏置電路　106

5.5　課後練習　111

 

第　6 章 頻率響應　112

6.1　頻域分析的基礎理論　112

6.1.1　零點和極點　112

6.1.2　波特圖　114

6.1.3　模擬實驗：二階系統的幅頻響應　116

6.2　共源放大器的頻率特性　121

6.2.1　MOSFET 電容　121

6.2.2　小信號分析法　121

6.2.3　近似分析　123

6.2.4　特徵頻率　125

6.2.5　模擬實驗：共源放大器的頻率響應　126

6.3　課後練習　131

 

第　7 章 MOSFET 的進階特性　132

7.1　弱反型區　132

7.1.1　理論分析與模型　132

7.1.2　模擬實驗： MOSFET 的弱反型區　134

7.2　速度飽和區　138

7.2.1　理論分析與模型　138

7.2.2　模擬實驗： MOSFET 的速度飽和區　140

7.3　共源放大器的特徵頻率　142

7.3.1　跨區域特徵頻率估算　142

7.3.2　模擬實驗：共源放大器的特徵頻率　144

7.4　跨區域的工程設計方法論　147

7.4.1　gm/ID 方法論　147

7.4.2　模擬實驗： gm/ID 工程設計方法　148

7.5　課後練習　150

 

第　8 章 反饋與穩定性　151

8.1　反饋與穩定性問題　151

8.1.1　開環增益、閉環增益與環路增益　151

8.1.2　運算放大器的反饋　152

8.1.3　運算放大器的穩定性　154

8.1.4　模擬實驗：相位裕度的測量　159

8.2　有源負載差分對的穩定性　164

8.2.1　有源負載差分對　164

8.2.2　模擬實驗：有源負載差分對的頻率特性　166

8.3　課後練習　169

 

第　9 章 密勒運算放大器的系統性設計　170

9.1　兩級運算放大器的穩定性問題　170

9.1.1　兩級運算放大器的級聯　170

9.1.2　極點分離技術　171

9.1.3　正零點補償技術　173

9.1.4　模擬實驗：兩級運算放大器中的密勒補償　176

9.2　密勒運算放大器的系統性設計方法　179

9.2.1　運算放大器的系統性設計思路　179

9.2.2　模擬實驗：運算放大器系統性設計方法　182

9.3　課後練習　184

 

第　10 章 噪聲　185

10.1　晶體管的噪聲　185

10.1.1　熱噪聲　185

10.1.2　閃爍噪聲　188

10.1.3　噪聲帶寬　189

10.1.4　模擬實驗： MOSFET噪聲特性的標定　190

10.2　電路系統中的噪聲優化　193

10.2.1　噪聲的等效轉換　193

10.2.2　模擬實驗：五管 OTA 的噪聲優化　198

10.3　課後練習　201

 

第　11 章 失調與共模抑制比　202

11.1　失調的來源　202

11.1.1　隨機性失調　202

11.1.2　電路中失調因素的轉換　205

11.1.3　系統性失調　206

11.1.4　模擬實驗：五管 OTA 的輸入等效失調電壓優化　207

11.2　共模抑制比　210

11.2.1　隨機性共模抑制比　211

11.2.2　系統性共模抑制比　214

11.2.3　共模抑制比的模擬測量方法　218

11.2.4　模擬實驗：五管 OTA 的共模抑制比設計與優化　219

11.3　課後練習　223

 

附錄　本書 180 nm 工藝下 gm/ID模擬圖　224