模拟集成电路与系统

作者简介

《模拟集成电路与系统》以集成放大器的分析与设计为主线，按照“元器件—单元电路—电路模块—模拟系统—后端设计与混合信号集成”的顺序，坚持理论分析与工程设计相结合的思路讨论模拟集成电路的基本概念、各种常用电路单元结构及模拟集成电路的基本分析方法和工程设计流程。《模拟集成电路与系统》以全面分析模拟集成电路单元和系统的工程化设计方法为最终目标，在介绍清楚基本概念和基本分析方法的基础上，着重讨论模拟集成电路设计中的各种考虑因素以及提高性能的措施，并以工业界广泛使用的Gm/ID设计流程为例介绍各种基本电路单元的设计方法。

全书共12章，第1章介绍模拟集成电路的基本概况并复习模拟电路的基本分析方法，第2章讨论模拟集成电路中各种元器件的基本特性，第3～5章讨论基本单级放大器以及偏置电路的分析与设计方法并介绍模拟电路的噪声分析方法和频率响应分析方法，第6章介绍模拟反馈系统的分析方法，第7～9章讨论各种跨导放大器的分析与设计问题，第10章介绍各种双极型模拟集成电路的基本特性，第11章讨论模拟集成滤波器的设计方法，最后一章介绍模拟集成电路的后端设计及混合信号集成问题。

全书自成体系，便于自学，可以作为高等学校工科微电子、电子工程、无线电、通信与电子系统等专业高年级本科生或研究生的教材，也可作为模拟集成电路与系统工程技术人员的参考书。

书籍目录

第1章  绪论  1.1  信号分类  1.2  集成电路与分立电路  1.3  电路分析与电路设计    1.3.1  模拟电路的基本分析方法    1.3.2  模拟集成电路的设计流程    1.3.3  模拟集成电路的设计难点  1.4  模拟集成电路的应用  1.5  模拟集成电路中的基本概念  1.6  放大器基础  习题第2章  模拟集成电路中的元器件  2.1  MOS晶体管    2.1.1  概述    2.1.2  一阶IV方程    2.1.3  MOS管电容特性    2.1.4  小信号等效模型    2.1.5  非理想效应    2.1.6  描述MOS晶体管性能的电路参数  2.2  双极型晶体管    2.2.1  概述    2.2.2  大信号特性    2.2.3  双极性晶体管的小信号等效模型    2.2.4  双极型晶体管与MOS晶体管的比较    2.2.5  器件模型的选择  2.3  集成无源元件    2.3.1  集成电阻器    2.3.2  集成电容器  习题第3章  单管放大器的分析与设计  3.1  电阻作负载的共源放大器    3.1.1  共源放大器的大信号分析    3.1.2  共源放大器的小信号分析    3.1.3  共源放大器的低频小信号增益优化考虑  3.2  频率响应分析    3.2.1  波特图    3.2.2  频率响应与时域响应的关系    3.2.3  Miller定理    3.2.4  频率响应的近似分析方法    3.2.5  共源放大器的频率响应  3.3  噪声    3.3.1  噪声基础    3.3.2  噪声的统计特性    3.3.3  元器件的噪声模型    3.3.4  电路中的噪声表示    3.3.5  噪声分析方法    3.3.6  电阻作负载共源放大器的噪声分析  3.4  电阻作负载共源放大器的设计： 基于gm/ID的设计流程  3.5  有源负载共源放大器    3.5.1  MOS型二极管作负载的共源放大器    3.5.2  电流源作负载的共源放大器    3.5.3  线性区工作的MOS管作负载的共源放大器  3.6  源简并共源放大器  3.7  共栅放大器(电流缓冲器)  3.8  共漏放大器(源极跟随器)  3.9  各种单管放大器低频小信号特性的比较  习题第4章  多管单级放大器  4.1  共源共栅放大器    4.1.1  共源共栅放大器的大信号分析    4.1.2  共源共栅放大器的低频小信号分析    4.1.3  共源共栅放大器的频率响应    4.1.4  共源共栅放大器的噪声特性  4.2  差分放大器    4.2.1  差分信号与差分信号处理    4.2.2  差分对的大信号分析    4.2.3  基本差分对的小信号分析    4.2.4  非平衡差分对分析    4.2.5  基本差分对的频率响应    4.2.6  有源负载差分对    4.2.7  基本差分对的噪声分析    4.2.8  差分放大器的仿真方法  习题第5章  电流镜和参考源  5.1  电流镜    5.1.1  电流镜的基本特性    5.1.2  简单MOS型电流镜    5.1.3  Cascode电流镜    5.1.4  低压Cascode电流镜  5.2  参考源    5.2.1  Widlar电流源    5.2.2  以某一电压标准为参考的电流源    5.2.3  自偏置电流源    5.2.4  恒跨导源  5.3  能隙基准源    5.3.1  基本原理    5.3.2  电路实现    5.3.3  非理想特性    5.3.4  其他能隙基准源电路    5.3.5  能隙基准源的设计  5.4  恒温电流源  5.5  参考源的响应速度  习题第6章  反馈  6.1  负反馈的基本特性    6.1.1  PVT变化    6.1.2  负反馈    6.1.3  负反馈的基本特性  6.2  反馈放大器的稳定性    6.2.1  稳定性判据    6.2.2  反馈放大器的稳定性    6.2.3  相位裕度  6.3  两端口网络分析法    6.3.1  两端口网络分析法的分析过程    6.3.2  反馈放大器的反馈类型    6.3.3  反馈放大器分析实例  6.4  Return Ratio分析法    6.4.1  环路增益    6.4.2  闭环增益    6.4.3  端口阻抗  6.5  环路增益的HSpice仿真  习题第7章  基本OTA的分析与设计  7.1  运算跨导放大器与运算放大器  7.2  基本单级OTA    7.2.1  基本单级OTA的大信号特性    7.2.2  基本单级OTA的差模小信号特性  7.3  基本两级OTA    7.3.1  基本两级OTA的大信号特性    7.3.2  基本两级OTA的差模小信号特性  7.4  基本两级OTA的频率补偿    7.4.1  负载补偿    7.4.2  Miller补偿    7.4.3  Miller补偿中的右半平面零点    7.4.4  Miller补偿的电容型反馈放大器的噪声  7.5  基本两级OTA的设计    7.5.1  设计流程    7.5.2  设计实例  7.6  放大器的瞬态阶跃响应    7.6.1  阶跃响应的线性建立过程    7.6.2  阶跃响应的压摆过程  习题第8章  高性能OTA的分析与设计  8.1  基本两级OTA的性能限制  8.2  高性能单级OTA    8.2.1  Telescopic OTA    8.2.2  折叠Cascode OTA    8.2.3  Gain Boosting OTA    8.2.4  电流镜型OTA    8.2.5  高性能两级OTA  8.3  共模反馈环路    8.3.1  共模反馈环路的工作原理    8.3.2  共模反馈机制    8.3.3  共模反馈环路分析    8.3.4  共模反馈环路的设计考虑  8.4  线性度    8.4.1  谐波失真    8.4.2  反馈对线性度的影响    8.4.3  线性化技术  8.5  动态失调消除技术    8.5.1  AutoZeroing技术    8.5.2  Chopping技术  8.6  RailtoRail的OTA    8.6.1  3倍电流镜技术    8.6.2  电子Zener二极管技术  习题第9章  单端输出的差分型放大器  9.1  单端输出的差分型OTA    9.1.1  有源电流镜    9.1.2  OTA电路  9.2  输出级    9.2.1  工作模式    9.2.2  源极跟随器    9.2.3  B类推挽输出级    9.2.4  AB类推挽输出级  9.3  单端输出的运算放大器  习题第10章  双极型模拟集成电路  10.1  双极型晶体管特性  10.2  单管放大器  10.3  双极型复合器件  10.4  双极型差分对  10.5  双极型电流镜  10.6  双极型能隙基准源  10.7  741运算放大器  10.8  集成稳压器  习题第11章  模拟集成滤波器  11.1  滤波器的传输特性  11.2  滤波器的分类  11.3  滤波器的非理想特性  11.4  经典滤波器传递函数    11.4.1  Butterworth逼近    11.4.2  Chebyshev逼近    11.4.3  反Chebyshev逼近    11.4.4  椭圆函数逼近    11.4.5  Bessel逼近  11.5  频率变换  11.6  有源滤波器的设计    11.6.1  级联法    11.6.2  模拟电感法    11.6.3  状态变量法  11.7  有源积分器    11.7.1  有源RC积分器    11.7.2  MOSFETC积分器    11.7.3  跨导电容积分器    11.7.4  开关电容积分器  11.8  调谐电路    11.8.1  频率调谐    11.8.2  Q值调谐    11.8.3  调谐电路的装配方式  习题第12章  版图设计、ESD防护和混合信号集成  12.1  版图设计技术    12.1.1  匹配设计    12.1.2  寄生优化设计    12.1.3  可靠性设计    12.1.4  热效应    12.1.5  参考源分布  12.2  焊盘  12.3  ESD防护电路    12.3.1  ESD概述    12.3.2  ESD测试模型    12.3.3  ESD防护器件    12.3.4  ESD防护电路    12.3.5  ESD版图设计  12.4  衬底噪声耦合与混合信号集成    12.4.1  集成电路封装的寄生效应    12.4.2  衬底特性    12.4.3  衬底噪声耦合机理    12.4.4  减小衬底噪声耦合的措施    12.4.5  抗干扰设计  习题附录A  0.3 5μm CMOS工艺库文件(HSpice)附录B  “模拟集成电路与系统”课程期中考试试题附录C  “模拟集成电路与系统”课程期末考试试题参考文献

前言

　　近年来，随着CMOS工艺技术的发展和集成电路设计水平的提高，单个芯片上所集成的电路功能也越来越多、越来越复杂，集成电路向SoC（System-on-Chip）发展的趋势也越来越明显。这类高集成度的SoC芯片一般是一个复杂的数字、模拟甚至射频混合信号集成系统，虽然模拟电路所占的芯片面积一般小于整个芯片面积的10％，但由于模拟电路设计的复杂性，模拟集成电路部分的开发往往成为整个SoC系统开发的关键和瓶颈。与此趋势相对应，工业界对模拟集成电路设计人才有巨大的需求，而且随着集成电路应用范围的不断扩展，这种需求在不久的将来还会逐渐增加。　　为了加快模拟集成电路设计人才的培养，国内出版社引进了很多很好的国外教材，对提高我国模拟集成电路的教学水平起到了巨大的促进作用。目前在国内使用较为广泛的教材包括B.Razavi编著的Design of Analog CMOS Integrated Circuits、P.R.Gray等编著的Analysis and Design of Analog Integrated Circuits（Fourth Edition）和P.E.Allen等编著的CMOS Analog Cir·fuit Desig咒（Second。Edition）等，这三本教材均成书于2001年到2002年间，而从2001年至今，模拟集成电路的设计水平和教学方式都发生了巨大的变革，它们已经远远不能满足现在高等学校的教学需要。本书正是在这样的背景下完成的，它以集成放大器的分析与设计为主线，按照“元器件一单元电路一电路模块一模拟系统一后端设计与混合信号集成”的顺序，坚持理论分析与工程设计相结合的思路讨论模拟集成电路的基本概念、各种常用电路单元结构及模拟集成电路的基本分析方法和工程设计流程。书中讲述的主要概念和设计方法都尽量通过具有实际应用价值的设计实例加以解释和说明，使读者能够举一反三，独立解决模拟集成电路设计中的实际问题。通过本书的学习，读者可以进行模拟集成电路单元模块和子系统的设计，加深对模拟集成电路的分析方法和设计流程的了解和认识。　　在叙述中，本书以全面分析模拟集成电路单元和系统的工程化设计方法为最终目标，在介绍清楚基本概念和基本分析方法的基础上，着重讨论模拟集成电路设计中的各种考虑因素以及提高性能的措施，并以工业界广泛使用的Gm／In。设计流程为例介绍各种基本电路单元的设计方法。

章节摘录

　　第1章　绪论　　本章首先介绍信号的分类，分析了模拟电路所处理信号与其他类型电路所处理信号的不同；接着讨论集成电路与分立电路之间的区别和联系，明确了集成电路的优势和不足；紧接着初步介绍了模拟集成电路的基本分析与设计流程，这部分内容会在后文中详细展开；然后回顾了模拟集成电路的一些典型应用和模拟集成电路中涉及的基本概念以及模拟电路的分析方法，这些概念和分析方法是本书内容的基础；最后，借助于两端口网络等效模型，引入了描述放大器性能的几个基本参量，并对它们的求取方法进行了说明，随着本书的展开，这些内容将被逐步深化。　　1.1 信号分类　　根据信号在时间和幅度上是否连续，可以将各种电路所处理的信号分为三类：连续时间信号、离散时间信号和数字信号。　　连续时间信号在时间和幅度上都是连续的，因此信号在一定时伺段内的任何时刻均可以发生任意大小的变化，如图1—1所示。模拟电路所处理的信号绝大部分属于这种类型，这类电路在时域上一般采用微分方程来描述，并可通过拉普拉斯变换得到它的频域特性。　　离散时间信号在幅度上是连续的，但在时间上是离散的，即信号只能在某些特殊的时刻才可以发生（任意大小的）变化，在其他时刻，信号值保持不变，如图1—2所示。模拟电路中的一类特殊电路——开关电容电路——就是用来处理这类信号的。开关电容电路在时域上可以采用差分方程来描述，并可通过z变换来得到它的频域特性。

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