模拟集成电路学习总结一二三章

模拟集成电路学习总结⼀⼆三章
虽然考察范围差不多是整本书，但我们学校只讲到了第九章⼗章的样⼦，先整理这部分，剩下的部分再看。

当然光这些东西也好难。

第⼀章模拟电路设计绪论
⼀些基础知识，⾸先是模拟电路的重要性。

虽然数字电路运算能⼒强得多，⼤的模拟电路⼜不利于设计，但某些情景下模拟电路还是必不可少的。

⽐如对⾃然信号的采集时，需要利⽤放⼤器、滤波器、ADC等，有时对性能要求很⾼，需要很专业的设计。

⽐如数字通信，为了应对电缆的损耗，需使⽤多电平信号，仍要⽤到ADC和DAC
⽐如硬盘读取时电平信号很⼩，噪声影响会很⼤，需要滤波器。

⽐如⽆线接收器，需要⾼频、低噪声的滤波器和放⼤器。

⽐如光接收器，应⽤于光纤系统。

⽐如传感器，有时需要的精度极⾼。

⽐如微处理器和存储器，应对⾼速信号、寄⽣参数等等，需要利⽤模拟电路处理。

“⾼速数字电路设计实际上是模拟电路的设计”
然后是研究CMOS电路的原因，CMOS上世纪六⼗年代问世，很快占领了数字电路市场。

它的优点在于，只需要很少的元件以及只在开关瞬间消耗功率。

此外，⼈们发现CMOS器件更容易按⽐例缩⼩，增加集成度，以及CMOS电路成本更低。

但在模拟领域，MOSFET与双极性晶体管相⽐，缺点是速度相当慢，噪声相当⼤，应⽤因此受限。

但由于其器件能够按⽐例缩⼩的优势，提⾼了MOSFET的速度，已经可以和双极性器件相⽐较了。

⽬前⼏GHz的模拟电路已经⽣产了。

鲁棒性的概念：⾳译⾃robust，强健的，坚固的，⽤来描述系统的性能时，表⽰系统在不同外界环境下（如温度、外电压）能够保持正常⼯作的能⼒。

本章结束
第⼆章 MOS器件物理基础
本章涉及到MOS器件的基本的特性、常见⼆级效应、以及MOS器件电容。

2.1 基本概念
mos结构，记住⼀些概念就可以：
衬底（bulk/body）
两个重掺杂n区形成的源端（source）和漏端（drawn）
重掺杂（⽤以导电）的多晶硅构成的栅（poly）
⼀层薄SiO2使得栅与衬底隔离
栅长、栅宽、有效沟道长度、沟道总长度、横向扩散长度、
栅氧化层厚度也是⾮常重要的参数
⼀般⽽⾔，管⼦的S、D都必须反偏，意味着NMOS的衬底要被连接到最低电压上。

通常利⽤⼀个P+欧姆区来实现。

阱的概念。

⼀般N阱与最正的电源供给相连接。

mos管的I/V特性：有⼀个物理意义上的简单推导，可以看⼀下，详细的推导要还看半导体器件物理。

我记得很难，当时没学明⽩
2.2 ⼆级效应
1、体效应（背栅效应）
VSB越⼤，阈值电压越⼤，书上的原理真的没咋看懂，（衬底电压越低，负电荷被驱赶到沟道，难道达到同等电荷密度不就需要更⼩的阈值电压了吗）
等到器件物理再仔细看看吧。

2、沟道长度调制效应
⽐较简单，具体原理没记，略
3、亚阈值导电
通常我们电路分析主要遇到上⾯两个，这个不太会遇到，只需要知道概念，即栅电压并不是在阈值电压时使沟道突然打开，⼆是在⼩于Vth 时，仍然会有微弱的电流。

影响在于此漏电流会导致较⼤的功率损耗，或是模拟信息的丢失。

4、电压限制
mos管也会有⼀系列击穿效应，但没怎么见过，看看就⾏了
5、速度饱和
书上没提，但却在其他书上常见，需要掌握。

具体的好像在数集上⾯？概念是当源漏电压⼤到⼀定程度，电⼦运动速度将不会再随电场增⼤，电流强度也就不会再随电压增⼤。

2.3 MOS器件模型
主要内容是器件的电容，这部分挺难的，要记住有哪些电容需要考虑，各⾃原理和来源，在各个⼯作区的变化。

挺⿇烦的，主要涉及到的地⽅是数集和频率特性那部分，先跳过了。

计算的话就更不想看了，这部分算是⽐较繁琐的。

其实电路涉及到电容都蛮繁琐的，⽐如信号与系统和通信电路。

第三章单机放⼤器
第三四五章，实际上是最基础的，要掌握后⾯必须要把这三章熟练掌握。

当然也挺难的，内容也很多，主要是低频的分析。

这遍总结的⽬标是总结⼀下涉及到的知识点和各种常⽤的电路模块、能够做到⽬测分析各个常⽤模块、了解各个设计的特性之间的折中。

3.1 基本概念
⼋边形法则，也就是各个性能之间的折中，⼋个分别是增益、速度、功耗、电源电压、线性度、噪声、摆幅、输⼊输出阻抗
3.2 共源级
1、电阻负载的共源级，最简单的情况，不需要考虑体效应和沟长调制，（虽然考虑沟调也很简单）
值得注意的是，增益随输⼊电平变化，由此会在⼤信号⼯作中产⽣⾮线性。

跨导随输⼊电压的变化也容易求出，输⼊较⼩时，跨导逐渐变⼤，直到管⼦进⼊线性区，跨导逐渐减⼩。

即在线性区边缘跨导最⼤。

⼀个重要问题：如何提⾼增益？可以增⼤宽长⽐、增⼤电阻上的压降、或者减⼩电流。

体现的折中关系很重要：尺⼨越⼤，电容越⼤；电阻上的电压越⼤，摆幅越⼩。

如果保持电压不变，减⼩电流，将必须使电阻增⼤，这样会导致输出节点的时间常数增⼤。

总之，其中的折中关系为增益、带宽、电压摆幅。

更低的电源电压将会导致这种关系更加显著。

2、采⽤⼆极管连接的共源级
是⾮常经典的模块，要熟练掌握。

起的作⽤是⼀个⼩信号电阻，电阻为1/（gm+gmb）
将此模块做负载时，会发现增益变为跨导的⽐值，由于电流相同，会进⼀步等于宽长⽐的⽐值，线性性很好。

但增益不易提⾼。

要达到10倍增益，需要宽长⽐的⽐值变为100倍，即需要强的输⼊器件和弱的负载器件，这样会造成器件尺⼨不均衡，从⽽引起⼤的输⼊和负载电容。

同时还有另外⼀个严重局限：电压摆幅减⼩，增益与过驱动电压的⽐值成正⽐，要求的增益越⼤，要求的负载管过驱动电压也就越⼤，摆幅就越⼩。

此处的例3.3很经典，因为当时⼀度困惑了很久，⽆法直观理解。

本质上，增益与过驱动电压的关系，是给定尺⼨下，增益与跨导的关系的体现。

同时要注意负载的那个不是受控源，⽽是⼀个⼤信号电流源。

由于电流变为四分之⼀，过驱动电压变为了1/2，同时跨导变为1/2，相当于阻抗变为⼆倍。

由此过驱动电压相对增益变化了四倍。

增益与过驱动电压的⽭盾减⼩了。

3、电流源做负载
略了，很直观。

4、带源极负反馈的共源级
这部分是⽐较难的，同时也需要熟练掌握，很多情形中会见到。

⾸先先忽略⼆级效应，计算增益，就⽐较简单，也很容易直观理解。

值得注意的是，反馈电阻很⼤时，增益近似线性，相当于⽤增益换了线性性
然后是考虑⼆级效应时，会使直观的理解变得很难。

需要借助辅助定理，先求跨导再求输出阻抗，最后得到增益。

先是得到跨导Gm，这个是通过定律推导的，需要记住，⽽且⾄今没感觉有什么直观理解的⽅式，估计其实是没有，就先记住。

输出电阻，个⼈倒是觉得⽐较直观，我⽐较喜欢把Rs放在外⾯，物理意义⽐较明显。

当然后⾯基本也是利⽤近似，只保留乘积项。

最后是两者相乘，得到增益。

依据是辅助定理，这⾥也不太懂，如同诺顿等效⼀样，不直观，记住好了。

加⼊负载后的增益也可以推出来，结果就是跨导乘以输出阻抗和负载的并联。

3.3 源跟随器
这⾥考虑的是有体效应、⽆沟长调制的情况，增益推导出的结果好像也不太直观，记住吧。

这⾥的例题⽐较特殊，利⽤了迭代的⽅法，⽤于⼿算，平时没怎么见过。

对于输出阻抗，管⼦的栅极短路，相当于⼀个⼆极管连接的mos管，结果⽐较直观，为1/（gm+gmb）
输出阻抗还有更为直观的理解⽅式，⼩信号电路可以等效为gmb与负载的并联，再与gm串联。

考虑ro时，同理，直接并联在负载上。

结论：源跟随器表现出⾼的输⼊阻抗和中等（其实已经很⼩了）的输出阻抗，代价是⾮线性和电压余度的减⼩。

折中关系可以详细讨论。

关于⾮线性：即使负载⽆穷⼤也会有⾮线性，与器件有关，⼤概在百分之⼏
电压余度：由于源跟随器会使信号直流点平发⽣平移，因此消耗电压余度，从⽽限制摆幅。

输⼊存在⼀个较⼤的最⼩值。

同时，源跟随器的驱动能⼒也⼀般，不是有效的驱动器。

缺点总结：体效应的⾮线性，电压余度，驱动能⼒差。

（后⾯还会讲，源跟随器引⼊⼤噪声）
因此应⽤很受限，⼀般⽤作点平移动。

3.4 共栅级
增益：如不考虑ro，即输⼊和输出之间不存在反馈。

增益⽐较容易考虑，Av =（gm+gmb）RD，⽐较直观。

输⼊阻抗⽐较⼩，如果没有ro，也⽐较容易分析，1/（gm+gmb），也很直观。

接下来的例题好像很关键，由于共栅级的负载不会对输⼊阻抗有影响，可以通过调节晶体管尺⼨确定输⼊阻抗。

传输线中，负载必须等于特征阻抗时，才不会有波反射，因此共栅级可以应⽤与此。

如果考虑ro，就不太直观了，只能⽼⽼实实推导。

记不住，我觉得记那个简单的就可以（模集真的好难呐）
输⼊阻抗：这个其实相对来讲⽐较直观，，但结果也要记，同时要知道，负载等于零时，相当于源跟随和⼆极管连接，负载⽆穷⼤时，输⼊阻抗也是⽆穷⼤。

例题也尽量记⼀下，如果负载是电流源，那么增益⽐较直观： Av = （gm+gmb）ro + 1
输出阻抗分析过了，也⽐较简单。

3.5 共源共栅级
最突出的特性在于输出阻抗很⾼，近似为ro1*ro2*（gm1+gm2），⽐较容易理解，也很常⽤。

层叠更多的管⼦会增⼤输出阻抗，但会减少电压余度。

⽐较增⼤增益的两种⽅法：
1、利⽤共源共栅
2、保持偏置电流不变减⼩宽长⽐
计算表明两种⽅法在增益和电压余度的折中⾥受到同样的限制。

共源共栅结构不⼀定起放⼤器的作⽤，⼀个普遍应⽤是恒定电流源，原因是输出阻抗较⾼，（虽然还是有电压余度不够的问题）
对于电压余度这个概念，⼀般来讲，套筒结构多⼀个管⼦，就相当于电压余度少⼀个过驱动电压。

屏蔽特性的概念：输出端电压变化，⼏乎不影响源级的电压。

即共源共栅晶体管屏蔽输⼊器件，不受输出节点电压变化的影响。

折叠共源共栅的概念：略
下⾯这段倒是没咋看懂：我们本章设法增⼤了输出电阻来达到⾼增益，或许看起来这会使电路的速度容易受负载电容的影响，尽管如此，如第⼋章解释，如果放⼤器⼯作在⼀个适当的反馈回路⾥，⾼输出阻抗本⾝并不会造成严重问题。

3.6 器件模型的选择
有点废话
这就是前三章了，可以说第三章是⾮常基础的了，最好能做到直观理解。