CMOS模拟集成电路基础

本书涉及的主题

MOSFET器件及模型；

CMOS电流源与电流镜；

基准源电路；

CMOS单级放大器；

CMOS差分放大器；

CMOS放大器的频率响应；

CMOS集成电路中的噪声；

反馈的设计；

CMOS运算放大器；

稳定性与频率补偿；

模拟集成电路的版图设计技术；

MOSFET电路的SPICE仿真及基本EDA电路仿真。

本书突出的特点

全面论述CMOS模拟集成电路器件、模型、基本电路、复杂电路的电路结构、原理以及分析设计方法；

兼顾电子电路、信号与系统等相关知识在模拟集成电路分析与设计中的运用；

提供了丰富的实例，用以巩固理论知识，并深化对集成电路设计实践的认识。教学资源

教学课件

教学大纲

仿真说明

仿真程序

注  关注“人工智能科学与技术”微信公众号，在 “知识”→“资源下载”→“配书资源”菜单获取下载链接（或到清华大学出版社网站本书页面获取下载链接）。

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的结构、原理、分析与设计技术; 然后分析电路的频率、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; 最后讨论与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、微电子及集成电路专业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余项国家与省部级科研项目；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模拟集成电路基础》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模拟集成电路基础》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模拟集成电路基础》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模拟集成电路基础》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模拟集成电路基础》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

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

2.5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放大器的非线性

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

6.5.3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反馈对噪声的影响

9.7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

10.8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环路增益和稳定性

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

11.4本章小结

习题

第12章模拟集成电路的版图设计

12.1引言

12.2MOS晶体管

12.3对称性

12.4无源器件

12.4.1电阻

12.4.2电容

12.4.3电感

12.5连线

12.6噪声及干扰

12.7本章小结

附录ASPICE仿真及集成电路EDA基本仿真工具

A.1MOSFET电路的SPICE仿真

A.1.1SPICE仿真基本描述

A.1.2SPICE中的基本仿真

A.2HSPICE电路仿真

A．2．1流程及规则简介

A．2．2工具的使用

A.3SPECTRE电路仿真

A.3.1工具的使用

A．3．2基本电路分析

附录B习题参考答案及解析

参考文献

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基础知识。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电路模拟仿真以及常用的集成电路EDA电路仿真工具，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微电子及集成电路专业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。

本书为了更加适应模拟集成电路教学的需要，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、复杂电路分析与设计的相关内容。本书侧重于基础知识的讨论，共分为12章： 第1章绪论，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； 第3章CMOS电流源与电流镜，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、反馈电路结构、反馈对噪声的影响； 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。最后还增加了基本的集成电路EDA电路仿真软件的使用方法，以便使读者可以快速上手入门。

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也参与了本书部分内容的编写工作。

对哈尔滨工业大学微电子科学与技术系从事集成电路教学科研的师生表示诚挚的感谢，他们为撰写本书提供了支持和帮助。

同时也对清华大学出版社首席策划编辑盛东亮和他的同事表示感谢，感谢他们的辛苦付出。最后，感谢我的家人，自从开始撰写本书，他们

给予了我无私的爱、鼓励和理解。

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2021年4月