CMOS模拟集成电路设计（第二版）——国外电子与通信教材系列 (2008 年度畅销榜NO.1232 )

本书是模拟集成电路设计课程的一本经典教材，作者从CMOS技术的前沿出发，结合丰富的工程和教学经验，对CMOS模拟电路设计的原理和技术以及容易被忽略的问题给出了详尽论述，阐述了分层设计的方法。全书共分十章，主要介绍了模拟集成电路设计的背景知识，CMOS技术，器件模型，以及主要模拟电路的原理和设计，包括CMOS基本单元电路（MOS开关、MOS二极管、有源电阻，电流漏、电流源、电流镜、带隙基准源、基准电流源和电压源等），放大器，运算放大器，比较器，开关电容电路，D/A和A/D转换电路。本书通过大量设计实例阐述设计原理，将理论与实践融为一体，同时还针对许多工业界人士的需求和问题进行了分析和解释，因而本书不仅可以用做大专院校相关专业高年级本科生和研究生的教材，也可以作为半导体的集成电路设计领域技术人员很有价值的参考书。\r\n \r\n

第一章 绪论\r\n 1.1 模拟集成电路设计 \r\n 1.2 字符、符号和术语\r\n 1.3 模拟信号处理\r\n 1.4 VLSI混合信号电路设计模拟举例\r\n 1.5 小结\r\n 习题\r\n 参考文献\r\n第二章 CMOS技术\r\n 2.1 基本MOS半导体制造工艺\r\n 2.2 PN结\r\n 2.3 COM晶体管\r\n 2.4 无源元件\r\n 2.5 关于CMOS技术的其他考虑\r\n 2.6 集成电路版图\r\n 2.7 小结\r\n 习题\r\n 参考文献\r\n第三章 CMOS器件模型\r\n 3.1 简单的MOS大信号模型\r\n 3.2 其他MOS管大信号模型的参数\r\n 3.3 MOS管的小信号模型\r\n 3.4 计算机仿真模型\r\n 3.5 亚阈值电压区MOS模型\r\n 3.6 MOS电路的SPICE模拟\r\n 3.7 小结\r\n 习题\r\n 参考文献\r\n第四章 模拟CMOS子电路\r\n 4.1 MOS开关\r\n 4.2 MOS二极管/有源电阻\r\n 4.3 电流漏和电流源\r\n 4.4 电流镜\r\n 4.5 基准电流和电压\r\n 4.6 带隙基准\r\n 4.7 小结\r\n 习题\r\n 参考文献\r\n第五章 CMOS放大器\r\n 5.1 反相器\r\n 5.2 差分放大器\r\n 5.3 共源共栅放大器\r\n 5.4 电流放大器\r\n 5.5 输出放大器\r\n 5.6 商增益放大器结构\r\n 5.7 小结\r\n 习题\r\n 参考文献\r\n第六章 CMOS运算放大器\r\n 6.1 CMOS运算放大器设计\r\n 6.2 运算放大器的补偿\r\n 6.3 两级运算放大器设计\r\n 6.4 两级运算放大器的电源抑制比\r\n 6.5 共源共栅运算放大器\r\n 6.6 运算放大器的仿真与测量\r\n 6.7 运算放大器的宏模型\r\n 6.8 小结\r\n 习题\r\n参考文献\r\n第七章 高性能CMOS运算放大器\r\n……\r\n第八章 比较器\r\n第九章 开关电容电路\r\n第十章 数模和模数转换器\r\n附录\r\n索引\r\n\r\n\r\n

2001年7月间, 电子工业出版社的领导同志邀请各高校十几位通信领域方面的老师, 商量引进国外教材问题. 与会同志对出版社提出的计划十分赞同, 大家认为, 这对我国通信事业. 特别是对高等院校通信学科的教学工作会很有好处. 教材建设是高校教学建设的主要内容之一. 编写. 出版一本好的教材, 意味着开设了一门好的课程, 甚至可能预示着一个崭新学科的诞生. 20世纪40年代MIT林肯实验室出版的一套28本雷达丛书, 对近代电子学科. 特别是对雷达技术的推动作用, 就是一个很好的例子. 我国领导部门对教材建设一直非常重视. 20世纪80年代, 在原教委教材编审委员会的领导下, 汇集了高等院校几百位富有教学经验的专家, 编写. 出版了一大批教材, 很多院校还根据学校的特点和需要, 陆续编写了大量的讲义和参考书. 这些教材对高校的教学工作发挥了极好的作用. 近年来, 随着教学改革不断深入和科学技术的飞速进步, 有的教材内容已比较陈旧. 落后, 难以适应教学的要求, 特别是在电子学和通信技术发展神速. 可以讲是日新月异的今天, 如何适应这种情况, 更是一个必须认真考虑的问题. 解决这个问题, 除了依靠高校的老师和专家撰写新的符合要求的教科书外, 引进和出版一些国外优秀电子与通信教材, 尤其是有选择地引进一批英文原版教材, 是会有好处的. 一年多来, 电子工业出版社为此做了很多工作. 他们成立了一个"国外电子与通信教材系列"项目组, 选派了富有经验的业务骨干负责有关工作, 收集了230余种通信教材和参考书的详细资料, 调来了100余种原版教材样书, 依靠由20余位专家组成的出版委员会, 从中精选了40多种, 内容丰富, 覆盖了电路理论与应用. 信号与系统. 数字信号处理. 微电子. 通信系统. 电磁场与微波等方面, 既可作为通信专业本科生和研究生的教学用书, 也可作为有关专业人员的参考材料. 此外, 这批教材, 有的翻译为中文, 还有部分教材直接影印出版, 以供教师用英语直接授课. 希望这些教材的引进和出版对高校通信教学和教材改革能起一定作用. 在这里, 我还要感谢参加工作的各位教授. 专家. 老师与参加翻译. 编辑和出版的同志们. 各位专家认真负责. 严谨细致. 不辞辛劳. 不怕琐碎和精益求精的态度, 充分体现了中国教育工作者和出版工作者的良好美德. 随着我国经济建设的发展和科学技术的不断进步, 对高校教学工作会不断提出新的要求和希望. 我想, 无论如何, 要做好引进国外教材的工作, 一定要联系我国的实际. 教材和学术专著不同, 既要注意科学性. 学术性, 也要重视可读性, 要深入浅出, 便于读者自学, 引进的教材要适应高校教学改革的需要, 针对目前一些教材内容较为陈旧的问题, 有目的地引进一些先进的和正在发展中的交叉学科的参考书, 要与国内出版的教材相配套, 安排好出版英文原版教材和翻译教材的比例. 我们努力使这套教材能尽量满足上述要求, 希望它们能放在学生们的课桌上, 发挥一定的作用. 最后, 预祝"国外电子与通信教材系列"项目取得成功, 为我国电子与通信教学和通信产业的发展培土施肥. 也恳切希望读者能对这些书籍的不足之处. 特别是翻译中存在的问题, 提出意见和建议, 以便再版时更正. 中国工程院院士. 清华大学教授 "国外电子与通信教材系列"出版委员会主任

本书第二版的目的仍然是介绍CMOS模拟电路的设计方法, 只是电路设计的介绍远不止是给出一些电路的例子以及分析方法, 它还包括在分层次设计方式中必须用到的基础知识和背景知识, 以便初学者易于理解. 本书最重要的就是讲授采用CMOS技术设计模拟集成电路的概念. 这些概念能使读者理解模拟CMOS电路的工作原理以及如何改变电路性能. 在当今依靠计算机的情况下, 至关重要的一点就是继续保持人对设计的控制, 知道希望得到什么, 当模拟结果有误时如何辨别. 随着集成电路设计变得越来越复杂, 了解电路怎样工作变得越来越重要. 如果不了解电路的工作原理, 进行电路的模拟可能会引起错误的结果. 读者应怎样获取关于电路工作的知识呢?这是本书第二版致力解决的问题. 在获取知识的过程中有这样几个重要的步骤：首先, 学会分析电路. 这种分析应能导出简单. 易懂且可在不同场合重复应用的结果. 其次, 以分层次的观点来看模拟集成电路的设计. 这就意味着设计者要能够清楚怎样利用子电路形成整体电路, 怎样用简单电路构成复杂电路, 等等. 第三, 列出一些步骤以便帮助初学者做出一些实用的设计. 这就形成了一些所谓的"设计秘诀", 在第一版中曾很受欢迎, 因此在第二版中又做了些补充. 有一点很重要, 这就是设计者了解CMOS模拟电路设计有三种简单的输出, 它们是：(1)电路图, (2)直流电流, (3)宽长比. 绝大多数设计流程或者"秘诀"都可以很容易地围绕这三种输出组织起来. 15年以前, 人们还不清楚CMOS技术会对模拟电路设计产生多么重要的影响. 然而, 现在已经非常清楚, CMOS技术已成为混合信号环境中模拟电路设计的一种选择. 这种技术并不是设计者必须的选择, 而是工业界的必然倾向, 他们希望用标准技术实现模拟电路和数字电路. 为此, 第一版的《CMOS模拟集成电路设计》在这个主题上率先满足了该领域对教科书的需求. 该书不仅广泛应用于工业界, 而且在世界各地的学校也都获得了广泛的应用. 和第一版一样, 第二版也未包含BJT技术. 随着时间的推移人们将会看到这种选择的明智. 编写本书第二版的目的就是对第一版在模拟电路设计方面的观点和概念进行补充. 第二版的编写酝酿了很长时间, 采用了一种独特的工业界和学术界相结合的方式. 这种结合在过去的15年中就已经出现在本书的第一作者所执教的培训班上. 自第一版以来已经举办了50多期培训班, 来自世界各地的1500多名工程师参加了培训. 在培训班上这些工程师想知道CMOS模拟电路设计的观点和概念. 对这些问题的回答大部分都被纳入第二版中. 除此之外, 在过去的10～15年里, 作者一直在佐治亚理工学院和得克萨斯大学奥斯汀分校讲授这些材料, 这些经历为我们提供了一些来自于学生的思考问题的观念, 这些观念也都包含在第二版中. 同样, 这些材料对理论的应用也形成了大量测试性习题. 它们现在也被收录进第二版中. 第一版有335个习题, 第二版有500多个习题并且大部分都是新的. 本书第二版的读者和第一版基本相同. 第一版对于那些刚开始接触CMOS模拟电路设计的初学者来说是非常有用的. 许多人告诉作者, 这本书已成为他们日常工作中一本便捷的参考书, 而第二版无论是对新手还是对工业界富有经验的工程师来说都将继续保持其价值. 即使是技术继续发展, 书中讨论的原理和概念也不会过时. 本书的另一部分读者是学生. 那些从学校毕业并且想进入CMOS模拟设计领域的学生还不适应业界的要求. 我们希望第二版成为教师和学生们的一种工具, 帮他们满足业界的要求. 为了促进这一目标的实现, 两个作者都提供了网址, 允许下载pdf格式的短训班课程的幻灯片. 课程进度表. 课堂笔记以及习题和解答. 在www. aicdesign. org(P. E. Allen)和www. holberg. org(D. R. Holberg)上可以找到更多的信息. 这些网站一直在不断更新, 我们欢迎老师和同学们使用上面的信息和教学辅助材料. 第二版在第一版的基础上做了大范围的修改. 这些修改包括将第一版中的第4章移到第二版的附录B中. 第一版中的比较器是在运算放大器之前讲解的, 第二版中将比较器放到了运算放大器之后. 自从第一版出版以后的15年里, 比较器更像一个传感放大器而不是一个没有补偿的运算放大器. 另一个主要的变化是加进第9章的开关电容电路. 这样做有两个原因：开关电容在模拟电路和系统设计中都是非常重要的, 这些知识对于学习第10章中有关数模. 模数转换器来说都是必需的. 第一版中的第11章被去掉了. 原本计划用一章讨论包含锁相环和VCO的模拟系统来代替它, 但因时间关系而未能实现. 第二版的习题放在各章之后, 目的是强化和扩充关于这个主题的原理和概念. 本书的层次结构如表1. 1-2所示. 第1章给出了介绍CMOS模拟电路设计所必需的一些知识. 这一章对CMOS模拟电路设计进行了概述, 定义了符号和一些术语, 扼要介绍了模拟信号处理, 最后给出了模拟CMOS设计的一个例子, 这个例子着重强调了设计中的层次. 第2章和第3章构成了模拟CMOS设计的基础, 介绍了CMOS技术和器件模型. 第2章介绍了用于各种元器件的CMOS技术, 这些器件包括：MOS器件. pn结. 与CMOS技术兼容的无源器件和诸如横向BJT. 衬底BJT和锁存器等的其他器件. 这一章还用了一节专门介绍集成电路版图的影响. 在这里说明了集成电路中物理层设计与电路设计具有同样的重要性, 许多好的电路设计会因为低劣的物理层设计或版图设计而失败. 第3章介绍了器件模型的关键问题, 它将贯穿全书被应用于电路分析以预测CMOS电路的性能. 这一章的核心就是介绍一个足够好的模型, 能够被用来在10％-20％的误差范围内分析CMOS电路的性能, 而且便于设计者观察和理解. 计算机模拟可以采用更精确的电路模型, 但是不能给出有关电路的任何直观的图像和理解. 这一章中给出的模型包括MOSFET的大信号和小信号模型, 考虑频率影响的模型. 另外, 该章还介绍了怎样对MOSFET中噪声和温度的影响以及兼容的无源元件建立模型. 这一章还讨论了计算机模拟的模型, 虽然这个问题的复杂程度远远超出了本书的范围, 但是给出的一些基本思想有利于读者对计算机模拟模型有所认识. 此外还介绍了其他一些模型, 诸如亚阈区工作的模型以及怎样用SPICE对MOSFET电路进行计算机模拟. 第4章和第5章介绍子电路和放大器, 这些电路将被用来设计诸如运算放大器等更复杂的模拟电路. 第4章介绍MOSFET的开关应用, 然后是MOS二极管或有源电阻. 接下来介绍电流漏和镜像电流源等关键子电路. 这些子电路的介绍涵盖了一些重要的设计概念, 例如负反馈. 设计中的折中以及匹配原理. 最后, 介绍了独立基准电压. 电流和带隙基准电压. 这些基准电路提供不受电源以及温度影响的电压或电流. 第5章介绍各种形式的放大器, 用大信号和小信号性能来描述它们的特征, 有时也考虑噪声和带宽. 放大器的种类包括反相放大器. 差分放大器. 共源共栅放大器. 电流放大器以及输出放大器. 最后一节讨论怎样用本章中的放大器模块构成高增益放大器. 第6章. 第7章和第8章介绍一些复杂模拟电路的实例. 第6章介绍一个简单的两级运算放大器电路的设计. 该运算放大器中应用了实用电路所必需的补偿原理. 对这两级运算放大器的分析提供了设计这一类模拟电路的方法. 这一章中还介绍了共源共栅运算放大器的设计, 特别是折叠式共源共栅运算放大器. 本章最后讨论运算放大器的测试和／或仿真技术以及宏模型. 宏模型可以在较高的抽象层次上更有效地对运算放大器进行仿真. 第7章介绍高性能的运算放大器. 在这一章中要对简单运算放大器的各种性能以其他性能为代价进行优化. 这些运算放大器包括输出缓冲运算放大器. 高频运算放大器. 差分输出运算放大器. 低功耗运算放大器. 低噪声运算放大器和低电压运算放大器. 第8章介绍开环比较器, 其实就是一个未加补偿的运算放大器. 之后介绍设计这类具有线性或快速响应比较器的方法. 介绍包括自动校零. 迟滞技术等改进开环比较器性能的方法. 最后, 介绍再生比较器以及它们如何与低增益. 高速放大器结合构成具有极小传输时延的比较器. 第9章和第10章专门讨论模拟系统. 新引入的第9章介绍开关电容电路. 开关电容的基本原理在介绍开关电容放大器和积分器电路的同时予以介绍. 第9章还给出了分析和仿真开关电容电路的方法, 以及采用一阶和二阶开关电容电路设计各种级联或梯形滤波器的方法. 最后给出一个全部由开关电容电路构成的抗混叠滤波器. 第10章介绍CMOS数／模. 模／数转换电路. 这里, 数／模转换器按照电压. 电流和电荷3种比较参考源的方式逐一加以介绍. 此外还会介绍提高数／模转换器精度的方法. 模／数转换器可分为奈奎斯特和过采样两种方式. 奈奎斯特转换器依照它们工作的速度, 即慢速. 中速和快速逐一介绍. 最后将会介绍过采样模／数和数／模转换器. 这类转换器具有高分辨率且特别适合于CMOS技术. 三个附录的内容分别是关于CMOS模拟电路的电路分析方法. CMOS器件的特性(其实就是第一版的第4章)以及二阶系统时域和频域间的关系. 第二版的内容对15周的课程来说可能过多. 根据学生的情况, 一学期15周课程, 每周3学时可以讲授的内容包括第2章和第3章的部分内容. 第4章-第6章. 第7章的一部分内容以及第8章. 第9章和第10章可以作为模拟系统课程的部分内容. 在佐治亚理工学院, 这本教材是和《模拟集成电路的分析与设计》("Analysis and Design of Analog Integrated Circuits")(第四版)一起使用的, 两学期的课程中包括了BJT与CMOS模拟IC设计. 第9章和第10章可以作为一个学期的模拟IC系统设计课程70％的内容. 学习本书必要的基础是较好地掌握基本电子学知识. 主要内容是：大信号模型. 偏置. 小信号模型. 频率响应. 反馈和运算放大器. 当然, 具有半导体器件及其工作原理. 集成电路工艺. 用SPICE仿真及MOSFET模型化的相关背景知识对学习本课程将会很有帮助. 如果具有这些背景知识的话, 读者从第4章开始学习也不会有什么问题. 作者衷心感谢许多对本书第二版修改做出贡献的人, 包括许多研究生和本科生. 在使用第一版的过程中他们提出了很多建议和修正意见. 这些人也包括1500多位工业界的参与者, 在过去的15年里他们相继参加了关于这个课题的为期一周的短训班. 感谢他们的鼓励. 耐心以及建议. 我们还要感谢那些给予我们反馈和修正意见的来自全球范围内的业界和学术界的人士. 此外我们十分感谢那些阅读. 使用本书初稿并不断给我们提出意见的人. 特别是Tom DiGiacomo. Babak Amini和Michael Hackner, 非常感谢他们对新版本提供了有价值的反馈意见. 我们十分感谢在第二版编写的过程中来自牛津大学出版社科学与计算机科学类图书的总编Peter Gordon的耐心和鼓励, 以及在出版过程中项目主管Justin Collins坚定而和善的领导作风. 最后, 对Marge Boehme在协助备课和教学上所做的细致工作表示感谢.