模拟集成电路中的基本元器件-清华大学模拟集成电路分析与设计.
课程介绍-清华大学模拟集成电路分析与设计
清华大学微电子学研究所Feb. 25, 2008模拟集成电路分析与设计课程概况z微电子学专业核心课程之一z3学分48学时：每周3学时X16周z目标：培养学生具有初步的模拟集成电路分析能力和设计能力，了解模拟集成电路基本模块的分析方法和设计过程z上课时间：每周一上午第二大节（9：50～12：15）z上课地点：六教6A301z习题课：四次习题课习题课z答疑时间：周三下午2：00～3：30z答疑地点：任课教师办公室答疑地点教材与参考书z教材：Behzad Razavi，“Design of Analog CMOSIntegrated Circuits”, 西安电子科技大学出版社英版中版（英文影印版或者中文版），2001年池保勇,“模拟集成电路分析与设计”,（编写中）z参考书：P R Gray“Analysis and Design of AnalogP.R. Gray, Analysis and Design of AnalogIntegrated Circuits”, Fourth Edition，高等教育出版社英文影印版或者中文版，2001年()P.E. Allen, “CMOS Analog Circuit Design”,Second Edition, 电子工业出版社，2002年,课程内容CMOS电路为主，适当介绍Bipolar电路考核z总原则：学到东西、相对公平总原则学到东西相对公平z平时表现（5％）＋作业（10％）＋课程设计（25％）＋期中考试（开卷，25％）＋期末考试（闭卷，35％）试（闭卷z作业：10次作业，每次1分z课程设计：设计思路和结果、口头报告及文档z期中考试：开卷考试(Lecture 1-7)期中考试(Lecture17)z期末考试：闭卷考试(期中考试后的内容)课程设计z课程设计全差分运算放大器的设计（第十四周前递交中期进展报告、第十六周前完成全部电路设计）z三人为一组，根据项目水平以及各人贡献给分人为组，根据项目水平以及各人贡献给分z时间：课后完成，16周习题课上作口头报告（5分钟）,期末考试后提交完整书面设计报告z提供的资源：SUE安装文件和帮助文档（画电路图）、Hspice安装文件、Hspice完整的帮助文档、Hspice的简单帮助文档（中文）、仿真工艺库文件、库文件使用说明、课程设计说明文件Hspice ToolBox明文件、Hspice ToolBox（与Matlab的接口文件）及部分数据后处理源文件模拟集成电路概要（1）信号分类（2）集成电路与分立电路（3）模拟集成电路分析与设计（4）模拟集成电路在系统中的作用（5）模拟电路中的基本概念（6）放大器基础模拟信号与数字信号集成电路与分立电路SUN华硕P5K-E/WIFI-AP主板P5K E/WIFI AP集成电路与分立电路模拟集成电路概要（1）信号分类（2）集成电路与分立电路（3）模拟集成电路分析与设计（4）模拟集成电路在系统中的作用（5）模拟电路中的基本概念（6）放大器基础模拟电路分析与设计z电路分析：已知电路拓扑结构和元器件尺寸的基础上应用简单、但足器件尺寸的基础上应用简单但足够精确的元器件模型来分析该电路所具有的各种性能z电路设计：根据一组给定的性能指标设计出满足指标要求的路拓标，设计出满足指标要求的电路拓扑结构并确定各种元器件的尺寸z电路分析是电路设计的前提和基础电路分析可以帮助设计者增强电路知识，了解各种拓扑结构的优势和缺点，为设计者选择合适的电路结构提供参考电路分析是进行电路设计的前提，只有对电路进行了全面的分析，设计者才能明确如何在各种设计指标之间进行权衡，明确如何在各种设计指标之间进行权衡从而确定各元器件的尺寸模拟电路的基本分析方法z基尔霍夫电压定理：任何个电路环路上基尔霍夫电压定理：任何一个电路环路上的各元器件电压降之和等于0模拟电路的基本分析方法（续）z基尔霍夫电流定理：在电路中流进某个节点各支路等点的各支路电流之和等于0模拟电路的基本分析方法（续）z欧姆定理：电阻上的压降等于电流乘以该电阻的阻值欧姆定理电阻上的压降等于电流乘以该电阻的阻值模拟电路的基本分析方法（续）z戴维营诺顿电源等效定理：如果个网络不包含非线性戴维营－诺顿电源等效定理：如果一个网络不包含非线性受控源和非线性元件，则向该网络的输出端口看过去，网络的行为都可以等效为一个电压源和一个阻抗的串联，也可以等效为该阻抗和一个电流源的并联，该阻抗等于向该网络输出端看过去的输出阻抗，电压源等于该端口上的开路电压，而电流源的大小等于该端口的短路电流路电压而电流源的大小等于该端口的短路电流模拟电路的基本分析方法（续）z电路分析基本步骤析本步确定电路的直流工作点确定各元器件的小信号模型及其中的参数值画小信号等效电路（在这一步中，要注意交流与画小信号等效电路（在这步中要注意交流与直流的划分，直流偏置点都是交流地）应用KVL、KCL定理和欧姆定理列电路方程求解方程组得到该电路的分析结果（在这一步中通常要做简化处理）模拟电路的基本分析方法（续）z上述求解过程可能会很复杂，得到的结果可能不能揭示结果能不能揭示电路的本质特征z在课程的学习中，在课程的学习中需要培养对模拟电路的直观分析能力，只有这样，在分析较复杂电路时，才能抓住电路的主要特征，简化分析过程，而且可以更好程而且可以更好的理解电路并用以指导电路的具体设计过程模拟集成电路的设计流程模拟集成电路设计的难点z数字电路：离散信号；模拟电路：连续信号数字电路离散信号模拟电路数字电路速度与功耗；模拟电路速度z数字电路：模拟电路：速度、功耗、增益、精度、线性度、电源电压等z模拟电路对噪声、串绕、其它干扰等更敏感z模拟电路受到元器件二阶效应的影响z EDA工具支持力度不如数字电路z模拟电路的建模与仿真存在困难z现代工艺针对数字电路优化模拟集成电路设计是一门艺术，优秀的模拟电路设计工程师是一个艺术家模拟集成电路概要（1）信号分类（2）集成电路与分立电路（3）模拟集成电路分析与设计（4）模拟集成电路在系统中的作用（5）模拟电路中的基本概念（6）放大器基础自然信号处理z声音信号、图像信号、生物信号、地震信号等z特点：动态范围大，带外干扰强数字通信数字信号恢复多级信号处理¾级数与带宽磁盘驱动器头读取制信转化为信号 磁头读取二进制信息，转化为电信号 含有强噪声成分与失真无线收发机z无线接收机微弱信号、强干扰、高频微弱信号强干扰高频z无线发射机输出强信号、高频光纤通信z高速、宽带信号（10－40Gbps）传感器z传感器各种传感器感知外界信号加速度计高速数字设计z微处理器与存储器、高速数字设计时钟分布与重定时互连线延迟、封装寄生、衬底耦合存储器中的灵敏放大器z高速数字设计本质上就是模拟设计分频器/计数器⋅K+=NPS模拟集成电路概要（1）信号分类（2）集成电路与分立电路（3）模拟集成电路分析与设计（4）模拟集成电路在系统中的作用（5）模拟电路中的基本概念（6）放大器基础直流信号z直流信号：不随时间变化的信号电路中任何一个节点的信号如果不随时间变化，均可认为是直流信号直流分析就是确定电路中各节点的直流信号大小的过程，该过程通常也被称为确定电路的直流（或静态）工作点交流信号z交流信号：随时间变化的信号电路中任何个节点的信号如果随时间会发生变化，则该电路中任何一个节点的信号如果随时间会发生变化，则该信号中必定包含有交流信号成分交流分析是用不同频率的正弦型信号（平均值为0）激励电路，确定电路中各节点对不同频率激励信号所发生的响应的过程由于任何一个交流信号均可等效为不同幅度、不同频率正弦型信号的加权求和，因此模拟电路中通常说的交流信号指的就是平均值为0的正弦型信号一旦采用交流分析方法确定了电路对不同频率正弦型信号的响应，采用叠加定理就可以确定该电路对不同波形信号的响应电路节点信号分析z电路中任何个节点的信号等于该节点的电路中任何一个节点的信号等于该节点的直流信号与该节点的交流信号之和z先采用直流分析方法确定电路中各节点的直流信号（直流工作点），在这一步中假设所有的交流激励信号源均等于0z再采用交流分析方法来得到电路中各节点的交流信号，在这一步中假设所有的直流将两次分析的结果加激励信号源均等于0，将两次分析的结果加在一起，就是该节点的总信号小信号分析z小信号分析：当各节点的交流信号幅度足够小，对电路直流工作点的扰动影响近似可以忽略时可以采用的一种分析方法z大信号分析：当各节点的交流信号幅度很大，对电路直流工作点的扰动影响不可忽略时要采用的分析方法a是一个只与电路的静态工作点相关的参数，它是电路传输曲线在静态工作点Q处的斜率静斜率知道了电路的静态工作点信息，就可以确定a的大小在静态工作点周围，电路的输出信号与输入信号之间的关系就由a唯一确定，这样给电路分析和设计带来很大方便小信号分析与大信号分析z小信号分析是一种线性化的分析方法它把电路的传输特性在静态工作点进行线性化，并用来描述电路在静它把电路的传输特性在静态工作点进行线性化并用来描述电路在静态工作点一定范围内的行为，在这一小段范围内，输出信号与输入信号之间成线性关系该线性化范围的大小与对电路线性度的要求有关。
模拟电子技术基础知识电路的基本元件介绍
模拟电子技术基础知识电路的基本元件介绍模拟电子技术是电子工程中的重要分支，广泛应用于电子设备的设计与制造。
而电路作为模拟电子技术的核心，构成了各种电子设备的基础。
本文将介绍模拟电子技术中常见的电路基本元件，包括电阻、电容、电感和晶体管。
电阻是电路中最基本也是最常见的元件之一。
它的主要作用是阻碍电流的通过，将电能转化为热能。
电阻分为固定电阻和变阻器两种类型。
固定电阻的电阻值是固定的，常用颜色环标识法进行标记。
而变阻器可以通过调节电阻滑动装置改变电阻值，灵活性更强。
电容是模拟电子技术中另一个重要的基本元件。
它能够存储电荷，并根据电压的变化来释放或吸收电能。
电容分为固定电容和可调电容两种类型。
常见的固定电容有陶瓷电容、钽电容和铝电解电容等。
可调电容常用于需要频繁调整电容值的电路中，例如无线电接收器。
电感是一种能够储存磁能的元件。
它是由线圈或线圈的组合构成的。
电感的主要作用是储存电流，并抵抗电流变化。
电感常用于滤波器、振荡器和放大器等电路中。
根据线圈的结构和原理不同，电感可分为空心电感、铁芯电感和磁性存储器等类型。
晶体管是模拟电子技术中最重要的元件之一，它是电子技术发展的里程碑。
晶体管具有放大、开关和稳压等功能，广泛应用于放大器、数码电路和通信系统等领域。
根据不同的原理和结构，晶体管分为三极管、场效应晶体管和双极型晶体管等多种类型。
除了以上介绍的电路基本元件外，还有一些其他重要的元件，如二极管、功率放大器、运算放大器等。
它们在不同的电子电路中发挥着重要的作用，以满足各种不同应用的需求。
总结起来，模拟电子技术基础知识中的电路基本元件包括电阻、电容、电感和晶体管等。
这些元件各自具有独特的功能和特点，在电子设备的设计和制造中起到至关重要的作用。
熟悉和掌握这些基本元件的特性，对于理解和应用模拟电子技术至关重要。
通过不断学习和实践，我们能够深入理解电路基本元件，并能够灵活运用它们来设计和改进各种电子电路。
Chap3_a_清华大学模拟集成电路分析与设计
第三章 单管放大器的分析与设计本章首先以电阻作负载的共源放大器为例，讨论了对电路进行大信号分析与低频小信号分析的方法，说明了大信号分析与小信号分析的区别与联系，并详细介绍了频率响应的近似分析方法和噪声分析方法；在以上介绍的基础上，详细讨论了基于G m /I D 设计流程的共源放大器的设计流程，该设计流程能指导设计工程师快速地进行初始设计，对模拟电路的设计具有很重要的指导意义；然后我们讨论了其它的单管放大器结构，包括有源负载共源放大器、源简并共源放大器、共栅放大器和源极跟随器，重点讨论了每种单管放大器的基本特性（包括大信号特性、小信号特性或频率特性）。
通过本章的介绍，读者可以掌握基本的模拟电路分析方法，能够对简单电路的大信号特性、小信号特性、频率特性和噪声特性进行分析，并了解各种单管放大器的基本特点。
本章所介绍的G m /I D 设计流程是一种较好的模拟集成电路设计流程，通过本章的介绍，读者可以基本了解基于G m /I D 流程的设计方法，可以进行简单的单管放大器集成电路的设计。
3.1 电阻做负载的共源放大器图3-1给出了一个电阻作负载的共源放大器的电路图。
输入电压信号V i 输入到MOS 管的栅极，经MOS 管转化为漏端的电流信号I d ，该电流流过负载电阻R D 后在电阻上产生一个压降，输出电压信号从MOS 管的漏端取出，其值为：o DD d D V =V -I R (3.1)当输入电压信号V i 变化时，I d 跟着变化，导致输出电压V o 发生变化，完成放大功能。
下面我们来分析这个简单电路的大信号特性和小信号特性。
图 3-1电阻作负载的共源放大器的电路图 3.1.1共源放大器的大信号分析图3-1所示的电阻作负载的共源放大器，它的大信号转移曲线（即输出电压与输入电压的关系曲线）如图3-2所示。
输入电压V i 从零开始增加，只要输入电压V i 小于晶体管的阈值电自编教材试行本勿扩散压V t ，MOS 管就工作于截止区，流过晶体管漏端的电流为0，输出电压V o 等于电源电压V DD ，即i t o DD V V V V <⇒= (3.2)图3-2 共源放大器的大信号转移曲线当输入电压V i 增加到大于MOS 管的阈值电压V t 时，MOS 管开始导通，有电流流过负载电阻R D ，导致输出电压V o 开始下降。
模拟集成电路课件(清华、北大、复旦、东南、电大、西点、哈工、大连理工)复旦cmos
多晶硅 FOX P- 衬底 n阱
n+ S/D注入
N 阱CMOS 工艺步骤
多晶硅 FOX P- 衬底 n阱 n- S/D LDD注入
多晶硅
LDD扩散 FOX n阱 P- 衬底 形成n沟道LDD晶体管和p沟道LDD晶体管
N 阱CMOS 工艺步骤
n+扩散 p+扩散 FOX P- 衬底 n阱 BPSG
金属1 CVD氧化 FOX n阱 P- 衬底
利用PLL得到精确的控制电压
PLL可得到精确的频率。 PLL的频率和振荡器(VCO)的特征时间常数成反比。~C/Gm 低通滤波器中的电路和VCO的电路是匹配的。
磁盘驱动器中的模块电路（2）
模数转换器(ADC)
6位ADC， 由VCO提供采样时钟。采样频率由数字时钟恢复电路控制。 偏移控制：采集63个比较器的失调电压，反馈到输入端，抵消由 此引起的失真。
模拟信号 模拟信号的采样信号
一般概念（续）
什么是模拟集成电路设计？ 特定模拟电路、或系统 的功能和性能 设计 选择合适的集成电路 工艺 成功的设计结果
模拟集成电路设计步骤
电路设计
物理版图设计 根据工艺版图设计规则设计器件、器件之间的互联 电源和时钟线的分布 与外部的连接 电路测试 电路制备后对电路功能和性能参数的测试验证 产品开发
层次设计
结构 开关电容电路、*VCO和PLL、 *A/D D/A、
复杂电路
运算放大器、带隙基准、*比较器
简单电路
单级放大器、差动放大器、电路偏置、电流镜电路
器件
CMOS工艺、器件物理、器件Spice参数、 *版图设计、*电路模拟
模拟集成电路设计步骤
设计要求描述 设计定义 电路设计 与设计指标比较 执行设计 仿真 物理层设计 物理层设计 物理层验证 提取寄生参数 芯片设计 测试和产品开发 芯片制造 测试和验证 产品生产 与设计指标比较
模拟集成电路中的基本元器件-清华大学模拟集成电路分析与设计
模拟集成电路中的基本元器件提要z MOS管概述、基本工作原理、大信号特性、管概本作大信特性电容特性小信号等效模型非想效应电容特性、小信号等效模型、非理想效应、描述MOS管性能的电路参数z双极晶体管的大信号特性、小信号等效模双极晶体管的大信号特性小信号等效模型z集成电阻器z集成电容器MOS 管概述、基本工作原理、大信号特性电容特性小信号等效模型z B.Razavi,“Design of Analog CMOS 性、电容特性、小信号等效模型,g g Integrated Circuits”,§2.1、§2.2、§2.4MOS管概述耗尽型器件NMOS：B接V SSPMOS：B接V DDMOS管概述MOS管的基本工作原理MOS管的基本工作原理（续）MOS管的基本工作原理（续）MOS管的基本工作原理（续）MOS管的大信号特性MOS管的电容效应CWLMOS管的电容效应MOS管的常用小信号模型（饱和区）MOS管的完整小信号模型MOS管的非理想效应y,y gz P.R.Gray,“Analysis and Design of Analog Integrated Circuits”,§1.7、§1.8v E c≈MOS 管的电压限制z pn 结击穿：漏－衬底pn 结由于雪崩效应而击穿，非破坏性z 源漏穿通：源漏极的耗尽区相连，电流逐渐增加，非破坏性z 热载流子：由于水平或垂直电场的作用，热载流子获得足够的速度注入氧化层增加栅电流改变阈获得足够的速度注入氧化层，增加栅电流，改变阈值电压，破坏性氧化层击穿z 氧化层击穿：垂直场，破坏性，ESD 保护cm V cm V /107~/10666××描述OS管性能的电路参数MOS结果说明MOS 晶体管的特征频率11()i gs gd v i C C s=+m T g C ω=1m g =v g i ≈C +2T f C C π+()()()j j i j C C j βωωωω===+i gs gd特征频率仿真结果说明道2z 长沟道、饱和区：m o ov g r V λ=结果说明描述MOS管性能的电路参数提要z MOS管概述、基本工作原理、大信号特性、管概本作大信特性电容特性小信号等效模型非想效应电容特性、小信号等效模型、非理想效应、描述MOS管性能的电路参数z双极晶体管的大信号特性、小信号等效模型双极晶体管的大信号特性小信号等效模型z集成电阻器z集成电容器P.R. Gray, “Analysis andDesign of Analog IntegratedD i f A l I t t dCircuits”, §1.3、§1.4双极晶体管概述βnpn 管的Early 效应I CEC C V I ∂/npn 管在饱和区的大信号模型=)(on BE BE V V )3.0~05.0(~)(V V V V V V V sat CE BC BE BE CB CE =−=+=V BE双极晶体管的寄生效应集成pnp管z水平pnp管：电流增益低，电流增益随集电极电流的升而很快下降处电流能力弱电流的上升而很快下降，处理电流能力弱集成pnp管z衬底pnp管：仅限于源跟随器配置，集电极寄生电阻大')1()('2DS t GS D k V V V W k I λ=+−=22LBJT与MOS管的异同：小信号模型rπ→∞器件模型的选择z手工分析和设计的目的：直观理解电路特性，设计过手工分析和设计的目的直观理解电路特性设计过程的初始化z总原则：在保证分析结果抓住电路主要特性的前提下，器件模型越简单越好，允许手工分析结果具有10-20%的偏差z静态工作点分析（一般情况下）初始分析可以忽略沟道长度调制效应和衬偏调制效应（Early效应），了解基本特性后再考虑这些二阶效应的影响E l效应）z小信号分析（一般情况下））除非晶体管漏端（集电极）所接阻抗足够高（>100kΩ），初始分析可以忽略晶体管输出阻抗ro。
现代模拟集成电路设计
《现代模拟集成电路设计》是2024年清华大学出版社出版的图书，作者是孙楠、刘佳欣、揭路。
本书围绕先进工艺节点,基于跨导效率的设计方法介绍现代模拟集成电路的分析与设计方法。
全书大体上分为三部分: 第一部分(第1~7章)对模拟集成电路中的基本元件晶体管,以及基本的分析与设计方法进行介绍,包括晶体管的长沟道模型与小信号模型、晶体管的基本电路结构、晶体管的性能指标、基于跨导效率的模拟电路设计方法、模拟电路的带宽分析方法、模拟电路中的噪声等。
第二部分(第8~10章)介绍模拟电路设计中常见的一些问题与设计技巧,如器件偏差、差分结构、负反馈技术等,并引入模拟电路中最常见的电路结构,即运算放大器与开关电容电路。
第三部分(第11~14章)详细介绍了运算放大器的分析与设计方法,并提供完整的运算放大器设计实例作为参考。
此外,第15章和第16章还介绍了基准源电路以及集成电路的工艺演进。
模拟电子电路模电课件清华大学华成英4集成运算放大电路
注意集成运算放大器的散热问题，采取适当的散热措施，避免过热导致性能下降或损坏。
在电路设计时考虑噪声干扰的影响，采取措施减小噪声干扰，如使用屏蔽、远离噪声源等。
在使用过程中注意避免突然的电压或电流冲击，以免造成集成运算放大器的损坏。
谢谢
THANKS
详细描述
共模抑制比是集成运算放大器性能的重要指标之一，它影响着电路的稳定性和性能。
总结词
在实际应用中，电路中的干扰和噪声通常是共模的，因此共模抑制比的大小直接影响到电路的性能和稳定性。在选择集成运算放大器时，需要根据实际需求来选择具有较大共模抑制比的型号。
详细描述
集成运算放大器的使用注意事项
了解集成运算放大器的规格书，确保其满足电路的性能要求。
良好的线性度
集成运放的内部电路设计使得它在放大信号时产生的噪声较低。
低噪声
集成运放的输入阻抗一般都在兆欧姆级别，使得它对信号源的影响较小。
高输入阻抗
按功能
可以分为通用型和专用型两类。通用型集成运放适用于多种场合，而专用型集成运放则是针对特定应用设计的，如仪表放大器、音频放大器等。
按性能指标
可以分为低噪声、高精度、高速型等不同类型。低噪声型集成运放主要用于信号放大，高精度型用于高精度的测量和运算，高速型则用于高速信号处理和传输。
电压-频率转换
电压-电流转换
集成运算放大器的性能指标
详细描述
开环电压增益的数值越大，意味着对微弱信号的放大能力越强，因此开环电压增益是衡量集成运算放大器性能的重要参数之一。
总结词
开环电压增益是衡量集成运算放大器放大能力的重要指标。
详细描述
开环电压增益是指在无反馈情况下，输入信号经过集成运算放大器放大后的输出电压与输入电压的比值。这个比值越大，说明放大器的放大能力越强。
模拟电子技术基础,清华大学出版第4章 模拟集成电
当信号从一个输入端输入时称为单端输入；从 两个输入端之间浮地输入时称为双端输入；当信号 从一个输出端输出时称为单端输出；从两个输出端 之间浮地输出时称为双端输出。因此，差动放大电 路具有四种不同的工作状态：双端输入，双端输出； 单端输入，双端输出；双端输入，单端输出；单端 输入，单端输出。
I C1 = I C 2 = I r − 2 I B = I r − 2
IC 2
当 β >> 2 时
IC 2 U CC − U BE U CC ≈ Ir = ≈ R R
β
表明改变基准电流Ir，输出电流 IC2也就改变，Ir与IC2之间就像一面镜 子，故称为镜像电流源电路或电流镜 电路。
4.2.2 比例电流源
当uo增加到一定值后 进入了正负饱和区。正饱 和区 uo = +U om ≈ +U CC ， 负饱和区 。 uo = −U om ≈ −U EE
4.2 电流源电路 4.2.1 镜像电流源
特点是T1和T2两管的参数完全一致。尽管T1集电极和 基极被短接，集电结在零偏置情况下依靠内电场的作用下 仍具有吸引电子的能力。因此两管的集电极电流相等。
ri = 2rbe
ro = 2RC
4）共模抑制比 K CMR
对差动放大电路而言，差模信号是有用信号，共模信 号是零点漂移或干扰等原因产生的无用附加信号。为了衡 量差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，通 常把差分放大电路的差模电压放大倍数Aud与共模电压放大 倍数的Auc比值作为评价其性能优劣的主要指标，称为共模 抑制比，记作 K CMR
差模电压增益
′ uod1 − uod2 2uod1 RL Aud = = = Aud1 = Aud2 = − β ui1 − ui2 2ui1 rbe
模拟集成电路基本原理与分类总结
模拟集成电路基本原理与分类总结模拟集成电路（Analog Integrated Circuit）是指能够处理连续变化的电信号的集成电路。
相较于数字集成电路，模拟集成电路更适用于具有连续性变化的信号处理与传输，如声音、光学信号等。
本文将对模拟集成电路的基本原理与分类进行总结。
一、基本原理模拟集成电路的基本原理涵盖了放大器、滤波器、电源稳压器等关键概念。
下面将逐一介绍。
1. 放大器放大器是模拟集成电路中最基本的元件之一，其作用是将输入信号的幅度放大到所需的程度。
根据放大器的工作方式，可以将其分为直流耦合放大器、交流耦合放大器和隔离式放大器等。
2. 滤波器滤波器用于选择性地传递或抑制特定频率的信号。
常见的滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
滤波器的设计和应用对于模拟电子系统来说至关重要。
3. 电源稳压器电源稳压器用于稳定电源电压，确保模拟集成电路能够在恒定的电压条件下正常工作。
线性稳压器和开关稳压器是两种常见的电源稳压器。
二、分类总结模拟集成电路根据功能和结构的不同可以分为若干类别。
下面将对几种常见的模拟集成电路进行简要介绍。
1. 运算放大器（Operational Amplifier，Op-Amp）运算放大器是模拟集成电路中最基本、最常用的一种类型。
它具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的特点。
运算放大器常用于放大、滤波、积分、微分等信号处理电路中。
2. 数模转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）数模转换器将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号。
ADC广泛应用于各种数字通信、音视频处理、传感器等领域。
3. 模数转换器（Digital-to-Analog Converter，DAC）模数转换器用于将数字信号转换为模拟信号。
DAC在音频处理、通信系统等领域发挥着重要作用。
4. 时钟与定时器电路时钟与定时器电路用于产生各种精确的时序信号。
例如，计时器、闹钟、频率合成器等。
第七章 模拟集成电路中常用的单元电路
Io2
16
HMEC
集成电路设计原理
微电子中心
7.1.3 MOS型恒流源电路 Ir 1. 基本电流镜恒流源（续2）
Io1 M2
Io2 M3
电流源输出电阻(MOS管饱 和导通电阻)： -1 1 X rds= I = Ids V d） （L DS DS
M1
Vcc
因此，沟道长度选大一 些，还有利于提高输出电阻 。M1 另外，小电流工作时输出阻 抗更高。
18
M1
M2
Ir
HMEC
集成电路设计原理
微电子中心
7.1.3 MOS型恒流源电路 3. Wilson(威尔逊）恒流源
Ir
Io M3 M1
M1
M2
Ir
MOS管均工作在饱和区。 Vcc 该电流源的输出阻抗较高 （与级联结构相似）。 M2 该电流源具有负反馈作 用，使Io 的变化能得到补偿， M3 提高了输出电流的稳定性。 增加M3的W/L可以增强 Io 对输出电流变化的调节能力。
Io
T1 T2
因此：Ir= Ic1+ Ib1+Ib2 则:Ir =Io (AE1/AE2+AE1/AE2+1)/
Ib1 Ib2
因为： >>1， AE1/AE2值较小
所以：Ir IoAE1/AE2 即： Io / Ir = AE2/AE1
5
HMEC
集成电路设计原理
微电子中心
7.1.1 npn恒流源电路 3. 电阻比恒流源
19
HMEC
集成电路设计原理
微电子中心
7.1.3 MOS型恒流源电路 4. 改进的Wilson(威尔逊）恒流源
跨导放大器的分析与设计(1)-清华大学模拟集成电路分析与设计
单级OTA
z 输出共模电平 不稳定
依赖于上下 两个电流镜 之间的电流 匹配程度
需要共模反 馈环路来稳 定输出共模 电平
差模半电路
跨导放大器的负载
z 低负载阻抗RL会大幅降低放大器的增益
RL可能是片外负载或来自反馈网络的负载效应
z 反馈系统的高精度要求放大器有高的增益
反馈网络采用高阻值电阻
M2的过驱动电压增加，输出端摆幅减小
z 减小噪声：减小Cgg1，提高M1的特征频率
常用积分公式
单级Cascode放大器
z 减小噪声：减小gm2（减小Cascode管的跨导效率）
M2的过驱动电压增加，输出端摆幅减小 减小gm2/gm1和Cx
两级放大器
推导过程见网 络学堂中上载 的阅读材料
z 降低噪声：增加Cc z 如果CL较小，β较大，第二级对噪声有较大贡献
z 右半平面零点将减小相位裕度
除非gm2>>βgm1
消除右半平面零点的影响
z 消除补偿电容Cc所引起的前馈通路
插入源极跟随器 插入共栅放大器
z 电阻与Miller电容串联
将零点频率推高到无穷远处 将零点移到左半平面，并与非主极点相消
消除右半平面零点：插入源极跟随器
z前馈支路由CC
M3
和Cgs3串联组成：
绝大多数集成放大器都 是OTA
电压控制电流源（VCCS） 高输出阻抗
不能驱动低的电阻性负 载
采用电容性反馈（如开 关电容电路）
提要
z 跨导放大器的基本概念 z 单级跨导放大器 z 两级OTA的基本特性 z 两级OTA的频率补偿：Miller补偿 z 反馈型OTA中的噪声 z 两级OTA的设计 z 阶跃响应：线性建立过程 z 阶跃响应：放大器中的压摆问题
Chap3_c_清华大学模拟集成电路分析与设计
第三章 单管放大器的分析与设计3.4 电阻作负载共源放大器的设计：基于g m /I D 的设计流程前面我们介绍了电阻作负载共源放大器的大信号特性、低频小信号特性、频率响应特性以及噪声特性，本节将以前面各节分析的结果为基础，介绍电阻作负载共源放大器的设计方法。
每一个工程师基于不同的思路会提出不同的设计方法，因此每一个电路的设计方法是多种多样的。
我们这里介绍的是一种基于跨导效率g m /I D 的设计流程和设计方法。
由于这种设计流程和设计方法利用了晶体管的Hspice 仿真结果，从而减小了设计的迭代次数，并且从前一次迭代中很容易发现电路性能出现偏差的原因，为下一次迭代指明方向，因此这种设计流程和设计方法在模拟电路中得到广泛应用。
下面我们以电阻作负载共源放大器的设计为例来介绍基于g m /I D 的设计流程和设计方法。
图3-54给出了一电阻R L 作负载的共源放大器，这里假设信号源是理想的，内阻为0，该放大器驱动一个容性负载C L 。
下面我们先来分析这个简单放大器与设计有关的一些性能参量，然后以一个例子来讨论该放大器的设计问题。
图3-54 电阻作负载的共源放大器（驱动容性负载）该放大器的低频小信号增益为（这里假设晶体管的本征增益g m r o 远高于放大器的低频小信号增益）v m a =-g R L (3-108)由于信号源是理想的，因此晶体管栅极不会给该放大器的传输函数引入极点1，输出节点所引入的极点成为主极点。
若忽略晶体管的C db 和C gd 的影响，则该放大器的-3dB 带宽为31dB L LR C ω−=(3-109) 该放大器在输出端所产生的噪声功率谱密度为：2,(1)o tot m L L LkT kT v g R C C γα=+=⋅ (3-110) 类似于RC 网络，该放大器的输出噪声功率谱密度由负载端电容决定，α为该放大器的噪声放大器因子，它与放大器的增益有关，反应了放大器中MOS 晶体管的噪声贡献大小。
模拟版图中的典型器件--青软.
BIPOLAR PAD
DIODE
ESD
电 感
电阻
电阻（Resistance）作为集成电路模拟版图中最常见的器件，类型有多 种，版图设计要求也较高。电阻最常见的类型主要有： Metal Res ：阻值非常低
Poly Res
Diff Res Well Res
: 阻值较低
：阻值较高 ：阻值非常高
Netlist中的调用：
：利用两层金属和其之间CTM来实现 ：利用两层甚至更多层金属层来实现，有时会利用Poly跟
metal来实现
Netlist中的调用： CC1 A B 2.4p $[MP]
LVS Commandfile 中的定义：
DEVICE C(MP) pmcapdev pgate psd
电容
电容的形状一般是方形最好，但有时根据需要， 在保证有效面积不变的情况下，形状可以随意调整 （主要是根据block的形状与摆放做相应调整，保证 block为矩形）。
确每个电阻的具体Width/Length数值。如果没有明确，可以根据lvs
Commandfile中的定义算法自己算出所需数值。 二、电阻两端必须用metal引出，不能跳poly或diffusion。 三、电阻加dummy时，dummy电阻与电阻space要一致，长度也 要一致。电阻要单独围ring,与其他的device隔开。
POLY电阻
二、poly电阻 画法：两端用 poly cont接出， 有效部分是两端 cont间的部分， 有效部分加res dummylayer。 （不同的制程层 次不一样）
NWELL的应用主要是起到更好的保护隔离作用。
DIFFUSION电阻
三、diffusion电阻 画法：两端用 diffusion cont接出， 有效部分是两端cont 间的部分，有效部分 加res dummylayer。 有p/n diffusion之分 （不同的制程层次不 一样）
cmos模拟集成电路设计基础
cmos模拟集成电路设计基础CMOS模拟集成电路（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Analog Integrated Circuit）是一种基于CMOS技术的模拟电路集成化设计。
以下是CMOS模拟集成电路设计的基础知识：1.CMOS技术：CMOS是一种集成电路制造技术，其中包含两种类型的晶体管：NMOS（N型金属氧化物半导体）和PMOS（P型金属氧化物半导体）。
通过将NMOS和PMOS 晶体管结合，可以实现低功耗、高集成度和高性能的模拟集成电路设计。
2.基本元件：CMOS模拟集成电路设计中使用的基本元件包括晶体管、电容器和电阻器。
NMOS和PMOS晶体管用于实现放大和开关功能，电容器用于存储电荷和控制频率响应，电阻器用于调整电路的工作条件。
3.偏置电路：CMOS模拟集成电路中的偏置电路用于提供恒定和稳定的电流或电压。
它包括电流镜（Current Mirror）电路和电压源（Voltage Reference）电路。
这些电路通过调整电流和电压的偏置，使电路在不同工作条件下具有可靠的性能。
4.放大电路：CMOS模拟集成电路中的放大电路用于增强输入信号的幅度。
放大电路通常由差分放大器（Differential Amplifier）和级联的共尺寸（Common-Source）放大器组成。
放大电路的设计需要考虑输入电阻、增益、带宽和稳定性等因素。
5.反馈电路：CMOS模拟集成电路中的反馈电路用于控制电路的增益和稳定性。
反馈电路通过将一部分输出信号反馈到输入端，调整输入和输出之间的关系，实现精确的控制和稳定性。
6.输出级：CMOS模拟集成电路的输出级用于驱动负载并提供所需的电流或电压。
输出级通常包括驱动电路和输出级晶体管。
7.噪声和功耗：在CMOS模拟集成电路设计中，需要注意噪声和功耗的控制。
减小噪声可以通过优化偏置电路和减小环境干扰来实现。
降低功耗可以通过优化电路结构、选择合适的电源电压和电流等方式来实现。
清华大学微电子本科生培养课程设置
一、简介微纳电子系本科生一级学科名称为电子科学与技术,二级学科名称为微电子学。
二、课程设置课程编号:30260093 课程名称:固体物理学课程属性:专业核心课开课学期:09秋任课教师:王燕内容简介:固体物理学是固体材料和固体器件的基础。
该课程主要研究晶体的结构及对称性,晶体中缺陷的形成及特征,晶格动力学,能带理论的基础知识以及晶体中的载流子输运现象等。
是微纳电子专业的核心课。
课程编号:40260103 课程名称:数字集成电路分析与设计课程属性:专业核心课开课学期:09秋任课教师:吴行军内容简介:本课程从半导体器件的模型开始, 然后逐渐向上进行, 涉及到反相器, 复杂逻辑门 (NAND , NOR , XOR , 功能模块(加法器,乘法器,移位器,寄存器和系统模块(数据通路,控制器,存储器的各个抽象层次。
对于这些层次中的每一层,都确定了其最主要的设计参数,建立简化模型并除去了不重要的细节。
课程编号:40260173 课程名称:数字集成电路分析与设计(英课程属性:专业核心课开课学期:09秋任课教师:刘雷波内容简介:数字集成电路的分析与设计,包括:CMOS 反相器、组合和时序逻辑电路分析与设计、算术运算逻辑功能部件、半导体存储器的结构与实现、互连线模型与寄生效应的分析。
并介绍常用数字集成电路的设计方法和流程。
课程编号:30260072 课程名称:微电子工艺技术课程属性:专业核心课开课学期:09秋任课教师:岳瑞峰内容简介:本课程授课目的是使学生掌握微电子制造的各单项工艺技术, 以及亚微米 CMOS 集成电路的工艺集成技术。
本课程讲授微电子制造工艺各单项工艺的基本原理(包括氧化、扩散、离子注入、薄膜淀积、光刻、刻蚀、金属化工艺等,并介绍常用的工艺检测方法和 MEMS 加工技术、集成电路工艺集成技术和工艺技术的发展趋势等问题。
另通过计算机试验,可学习氧化、扩散、离子注入等工艺设备的简单操作和模拟。
课程编号:40260054 课程名称:半导体物理与器件课程属性:专业核心课开课学期:09春任课教师:许军内容介绍:主要讲授半导体材料的基本物理知识,半导体器件的工作原理以及现代半导体器件的新进展。
模拟电路的常用元器件和基本电路
模拟电路的常用元器件和基本电路以模拟电路的常用元器件和基本电路为标题，我们先来了解一下什么是模拟电路。
模拟电路是指用连续变化的电压和电流来表示和处理信息的电路，它与数字电路相对应。
在现实世界中，很多信号都是连续变化的，比如声音、光线等，这些信号需要经过模拟电路进行处理和传输。
在模拟电路中，常用的元器件有电阻、电容和电感。
电阻是模拟电路中最基本的元器件之一，它可以限制电流的流动。
电容是用来存储电荷的元器件，它可以在电路中起到滤波、分离信号等作用。
电感是由线圈组成的元器件，它可以储存和释放电磁能量。
除了这些基本的元器件之外，还有一些常用的集成电路，比如运算放大器、比较器、滤波器等。
运算放大器是一种用来放大电压信号的集成电路，它可以将输入信号放大到所需的幅度。
比较器是一种用来比较两个电压信号大小的集成电路，它常用于电压比较、开关控制等应用。
滤波器是一种用来滤除或增强某一频率信号的集成电路，它可以在电路中起到滤波和改变信号频率响应的作用。
在模拟电路中，常见的基本电路有放大电路、滤波电路和调节电路等。
放大电路是一种将输入信号放大的电路，常用的放大电路有共射放大电路、共基放大电路和共集放大电路等。
滤波电路是一种将特定频率的信号滤除或增强的电路，常用的滤波电路有低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器等。
调节电路是一种用来调节电压或电流的电路，常用的调节电路有稳压电路和稳流电路等。
除了这些基本的元器件和电路之外，还有一些其他的常用元器件和电路，比如振荡器、时钟电路、多谐振荡器等。
振荡器是一种能够产生连续周期信号的电路，它可以用于时钟信号的生成、频率标准的校准等应用。
时钟电路是一种用来产生稳定的时钟信号的电路，它常用于数字系统中的同步操作。
多谐振荡器是一种能够产生多个频率信号的电路，它常用于音频信号的合成和调制。
模拟电路中常用的元器件有电阻、电容和电感，常用的基本电路有放大电路、滤波电路和调节电路等。
此外，还有一些其他的常用元器件和电路，比如振荡器、时钟电路、多谐振荡器等。
chap2_清华大学模拟集成电路分析与设计
Qdep = 4qε 0ε Si N A Φ F
其中， ε 0 = 8.85 × 10
−12
(2-3)
F/m 是真空绝对介电常数， ε Si = 11.9 是硅衬底的相对介电常数。
Cox是单位面积的栅氧化层电容，它与栅氧化层厚度tox之间的关系为
模拟集成电路分析与设计（池保勇）
Cox =
ε 0ε ox
Φ F = VT ln
NA ni
(2-2)
VT=kT/q是热电压，T为绝对温度，q为电子电量，k为波尔兹曼常数，在室温下（T=300K）， 9 3 热电压VT =25.9mV。NA为衬底掺杂浓度，ni=9.65×10 /cm 为本征载流子浓度，Qdep为衬底耗
尽层中的体电荷面密度，它与衬底掺杂浓度有关
模拟集成电路分析与设计（池保勇）
第二章 模拟集成电路中的元器件
无论多么复杂的电路，都是由一个个基本元器件搭起来的。相对于数字电路来说，模拟电路 的性能与它们所用的元器件关系更密切， 因此在介绍具体的电路之前， 有必要介绍模拟集成 电路中所用基本元器件的基本特性。 本章对基本元器件的介绍， 将以模拟集成电路应用为背 景， 让读者了解与模拟集成电路有关的基本元器件知识， 但不过多涉及元器件本身的物理特 性和理论推导。 模拟集成电路中用到的元器件可分成三类：MOS晶体管、双极型晶体管和无源元件，因此本 章分成三部分来分别介绍这些元器件的基本特性。 随着CMOS工艺技术的发展和芯片集成度的 提高，低频模拟电路越来越广泛的使用CMOS工艺来实现，MOS晶体管是电路中使用最多的器 件。但是，由于模拟电路的特殊性，双极型晶体管和电阻、电容（甚至电感）在很多模拟集 成电路中也常遇到，因此，作为一个优秀的模拟集成电路设计工程师，除了很好的掌握MOS 晶体管的特性之外，对双极型晶体管和各无源元件的特性也应该有所了解。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
模拟集成电路中的基本元器件
提要
z MOS管概述、基本工作原理、大信号特性、管概本作大信特性电容特性小信号等效模型非想效应
电容特性、小信号等效模型、非理想效应、描述MOS管性能的电路参数
z双极晶体管的大信号特性、小信号等效模
双极晶体管的大信号特性小信号等效模
型
z集成电阻器
z集成电容器
MOS 管概述、基本工作原理、大信号特
性电容特性小信号等效模型z B.Razavi,“Design of Analog CMOS 性、电容特性、小信号等效模型,g g Integrated Circuits”,§2.1、§2.2、§2.4
MOS管概述
耗尽型器件
NMOS：B接V SS
PMOS：B接V DD
MOS管概述
MOS管的基本工作原理
MOS管的基本工作原理（续）
MOS管的基本工作原理（续）
MOS管的基本工作原理（续）
MOS管的大信号特性
MOS管的电容效应C
WL
MOS管的电容效应
MOS管的常用小信号模型（饱和区）
MOS管的完整小信号模型
MOS管的非理想效应
y,y g
z P.R.Gray,“Analysis and Design of Analog Integrated Circuits”,§1.7、§1.8
v E c≈
MOS 管的电
压限制
z pn 结击穿：漏－衬底pn 结由于雪崩效应而击穿，非破坏性
z 源漏穿通：源漏极的耗尽区相连，电流逐渐增加，非破坏性
z 热载流子：由于水平或垂直电场的作用，热载流子获得足够的速度注入氧化层增加栅电流改变阈获得足够的速度注入氧化层，增加栅电流，改变阈值电压，破坏性
氧化层击穿z 氧化层击穿：垂直场，破坏性，ESD 保护
cm V cm V /107~/10666××
描述OS管性能的电路参数MOS
结果
说明
MOS 晶体管的特征频率11()i gs gd v i C C s
=+m T g C ω=1m g =v g i ≈C +2T f C C π+
()()()j j i j C C j βωωωω
===+i gs gd
特征频率仿真
结果
说明
道2z 长沟道、饱和区：m o ov g r V λ=
结果
说明
描述MOS管性能的电路参数
提要
z MOS管概述、基本工作原理、大信号特性、管概本作大信特性电容特性小信号等效模型非想效应
电容特性、小信号等效模型、非理想效应、描述MOS管性能的电路参数
z双极晶体管的大信号特性、小信号等效模型双极晶体管的大信号特性小信号等效模型z集成电阻器
z集成电容器P.R. Gray, “Analysis and
Design of Analog Integrated
D i f A l I t t d
Circuits”, §1.3、§1.4
双极晶体管概述
β
npn 管的Early 效应
I CE
C C V I ∂/
npn 管在饱和区的大信号模型=)
(on BE BE V V )
3.0~05.0(~)(V V V V V V V sat CE BC BE BE CB CE =−=+=
V BE
双极晶体管的寄生效应
集成pnp管
z水平pnp管：电流增益低，电流增益随集电极电流的升而很快下降处电流能力弱
电流的上升而很快下降，处理电流能力弱
集成pnp管
z衬底pnp管：仅限于源跟随器配置，集电极寄生电阻大
')1()('2DS t GS D k V V V W k I λ=+−=22L
BJT与MOS管的异同：小信号模型
rπ
→
∞
器件模型的选择
z手工分析和设计的目的：直观理解电路特性，设计过手工分析和设计的目的直观理解电路特性设计过程的初始化
z总原则：在保证分析结果抓住电路主要特性的前提下，器件模型越简单越好，允许手工分析结果具有10-20%的偏差
z静态工作点分析（一般情况下）
初始分析可以忽略沟道长度调制效应和衬偏调制效应（
Early效应），了解基本特性后再考虑这些二阶效应的影响
E l效应）
z小信号分析（一般情况下）
）
除非晶体管漏端（集电极）所接阻抗足够高（>100kΩ），初始分析可以忽略晶体管输出阻抗r
o。