[工学]Chap1_CMOS模拟集成电路设计概论_OK
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– id ：小信号波动电流（小信号分析）；
– Idm ：复数电流（小信号频率分析）；
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 43
一般概念(4)
• 戴维南定理和诺顿定理
– 任何一个线性有源二端网络，对外电路说，总可以用一个电压源 与电阻相串联的支路代替。电压源电压等于有源二端网络的开路 电压Vs，其电阻等于该网络中所有独立电压源短路、独立电流源 开路时的入端等效电阻Rs。
• 我们需要
– 模/数转换（ADC, Aanlog-to-Digital Converters）
– 数/模转换（DAC, Digital-to-Aanlog Converters）
– 模拟预处理（ADC之前） – 模拟后处理（DAC之后）
• 如放大、滤波等
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 15
目录
• Why Analog ?
• 模拟设计的挑战
• Why Integrated ?
• Why CMOS ?
• 模拟IC设计（vs. 数字IC设计）
• 模拟IC设计流程
• 一般概念
• 实例
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 30
分析 vs. 设计
• 分析：从已知电路特性，解唯一
后端设计流程
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 38
版图设计书籍
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 39
目录
• Why Analog ?
• 模拟设计的挑战
• Why Integrated ?
• Why CMOS ?
• 模拟IC设计（vs. 数字IC设计）
• 模拟IC设计流程
• 数字信号处理的优点（vs. Analog）
– 稳健性（Robustness）。对工艺、电源电压、温 度变化和干扰、老化等不敏感。
– 可编程性（ Programmability ）。DSP算法
– 灵活性（Flexibility）。如数字域滤波：FIR滤波 器、IIR滤波器
为什么我们需要进行模拟信号处理（模拟IC设计）呢？
2021/8/20
八边形法则
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 19
模拟设计困难的原因是什么？(3)
B. 模拟电路对噪声、串扰和其它干扰比数字电路 要敏感得多。
C. 器件的二级效应对模拟电路的影响比数字电路 要严重得多。
– 如Mosfet的体效应、沟道长度调制效应等等
D. 高性能模拟电路的设计很少能自动完成（手工 设计），而许多数字电路都是自动综合和布局 的。
Why Analog ? (5)
物理世界
放大、滤波 及其他处理
2021/8/20
放大、滤波 及其他处理
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 16
模拟信号处理vs.数字信号处理
现在：
将来：
2# 17
目录
• Why Analog ?
• 模拟设计的挑战
• Why Integrated ?
• Why CMOS ?
• 模拟IC设计（vs. 数字IC设计）
• 模拟IC设计流程
• 一般概念
• 实例
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 36
模拟IC的设计流程：
2021/8/20
电学设计 (前端设计)
物理设计 (后端设计)
制造 测试和产品开发
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 37
– 任何一个线性有源二端网络，对外电路说，总可以用一个电流源 与电阻相并联的支路代替。电流源电流等于有源二端网络的短路 电流Is, 其电阻等于该网络中所有独立电压源短路、独立电流源 开路时的入端等效电阻Rs。
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 44
一般概念(5)
• 小信号输入阻抗计算
第一章
模拟集成电路设计绪论
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 #1
目录
• Why Analog ?
• 模拟设计的挑战
• Why Integrated ?
• Why CMOS ?
• 模拟IC设计（vs. 数字IC设计）
• 模拟IC设计流程
• 一般概念
• 实例
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 #2
芯片复杂度每 18个月翻一番！ 32nm CPU, Intel
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 27
CPU的晶体管数
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 28
Why CMOS ? (4)
CMOS已成为混合信号集成电路设计的主流工艺！
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 29
• 设计：从指标电路，解不唯一(创新性)
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 31
模拟IC设计
集成电 路工艺
功能或 应用
正确 的解
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 32
模拟IC与数字IC的比较(1)
• 数字电路
– 成本/功能以每年29%的速度下降 – 摩尔定律
模拟集成电路设计绪论Chap1 #5
自然界信号的处理
高速、高精度、低功耗ADC的设 计是模拟电路设计中的难题之一
高性能放大器和滤波器 设计也是热点研究课题
（a）自然界信号的数字化 （ b）增加放大器和滤波器以提高灵敏度
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 #6
数字通信
数字信号通过有损电缆的衰减和失真 失真信号需放大、滤波和数字化后才再处理
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 21
目录
• Why Analog ?
• 模拟设计的挑战
• Why Integrated ?
• Why CMOS ?
• 模拟IC设计（vs. 数字IC设计）
• 模拟IC设计流程
• 一般概念
• 实例
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 22
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 20
模拟设计困难的原因是什么？(3)
E. 模拟电路许多效应的建模和仿真仍然存在问题， 模拟设计需要设计者利用经验和直觉来分析仿 真结果。
F. 现代集成电路制造的主流技术是为数字电路开 发的，它不易被模拟电路设计所利用（如特征 尺寸减小导致器件迁移率下降、沟道调制效应 增大；电源电压的下降使以前的一些电路设计 技术受到限制等），为了设计高性能的模拟电 路，需不停开发新的电路和结构。
• 工艺（Process） • 电源电压（Voltage） • 温度（Temperature）
– e.g. V from 2.7V to 3V T from 0℃ to 70℃
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 42
一般概念 (3)
• 符号
– iD ：总瞬态电流；
– ID ：偏置电流；
模拟集成电路设计绪论Chap1 #9
无线接受机
无线接收天线接收到的信号(幅度只有几微伏)和噪声频谱
接收机放大低电平信号时必须具有极小噪 声、工作在高频并能抑制大的有害成分。
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 10
3G手持终端接收信号图
中心频率处接收信号功率为-115.8 dBm(约为2.63e-15 W)， 对于50欧姆系统，其信号电平约为0.36 uV。 信号非常之小！
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 #7
数字通信
1
0 11
10 01 00
使用多电平信号以减小所需的带宽
组合二进制数据 DAC 多电平信号 ADC 确定所传送电平
传送端
接收端
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 #8
磁盘驱动电子学
存储数据
恢复数据
2021/8/20
硬盘存储和读出后的数据
• 速度
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 26
Why CMOS ? (3)
• 摩尔定律（Moore law） 时间 1980 1983 1982 1989 1995 2001 2004 2010 L(μm ) 3.0 2.0 1.2 0.5 0.35 0.18 0.13 0.07
• 一般概念
• 实例
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 40
一般概念 (1)
• 抽器象件级级 别
结构级
晶体管级
系统级
我们的方法： 从器件物理 更复杂电路拓扑
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 41
一般概念 (2)
• 鲁棒性电路设计（Robust）
– 器件和电路参数随PVT变化
• 一般概念
• 实例
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 24
• 硅工艺
Why CMOS ? (1)
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 25
Why CMOS ? (2)
• 低功耗 • 高集成
– 高密度（按比例缩小） – 高兼容性（数字和模拟）
• 低制造成本
– Si材料 – 按比例缩小
• 模拟占20%的面积，而数字占80%的芯片面 积
• 模拟占80%的设计时间
• 模拟是在电路级进行设计
• 模拟电路的成本/功能基本是常数
• 成功的流片：模拟2~3次，数字1次
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 35
目录
• Why Analog ?
• 模拟设计的挑战
• Why Integrated ?
数字IC
信号在幅度和时间上均离散– 2进制信号 有2个幅度状态 系统级设计 元件有固定值 标准单元 CAD工具很成功 时序模型 软件可变成 规则模块 容易自动布图 动态范围不限
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 34
AIC设计的独特特征
• 版图是设计的一个重要部分
– 电学设计版图设计测试
• 经常是混合信号的模数电路
• 低成本 • 小体积
Why Integrated ?
《集成电路原理》
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 23
目录
• Why Analog ?
• 模拟设计的挑战
• Why Integrated ?
• Why CMOS ?
• 模拟IC设计（vs. 数字IC设计）
• 模拟IC设计流程
• 模拟电路
– 成本/功能基本保持不变 – 电压下降严重影响其性能
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 33
模拟IC与数字IC的比较(2)
模拟IC
信号在幅度上连续，在时间上连续 或离散 电路级设计 元件有连续的值 定制 CAD工具难以成功引用 要求精确的模型 性能需要优化 不规则模块 很难自动布图 动态范围受电源电压和噪声（包括 线性）限制
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 11
光接收机
转换为一个小电流 高速电流处理器
2021/8/20
激光二极管
光敏二极管
光纤系统
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 12
传感器
(a) 简单的加速度表
(b) 差动加速度表
汽车触发气囊的加速度检测原理图
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 13
微处理器和存储器
• 3GHz的CPU
数字/时钟分布和时序问题 互联线效应（如延迟） 各种寄生等
• DDR2 333MHz：5.4GB/s • DDR2 400MHz：6.4GB/s
• 高速信号电路设计实际就是模拟电路的设计
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 14
Why Analog ? (4)
• Why CMOS ?
• 模拟IC设计（vs. 数字IC设计）
• 模拟IC设计流程
• 一般概念
• 实例
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 18
模拟设计困难的原因是什么？(1)
A. 模拟设计涉及到在速度、功耗、增益、精度、 电源电压等多种因素间进行折衷，而数字电路 只需在速度和功耗之间折衷。
① 在输入端加Vtst，作小信号电路等效 ② 计算itst ③ Zin=Vtst/itst
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 45
一般概念(6)
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 #4
Why Analog ? (3)
• The real world is analog!!!
• 鸡蛋模型
– （Eggshell Analogy）
加州大学伯克利分校 Paul. R. Gray教授1986年 提出（ UC Berkeley）
2021/8/20
Why Analog ? (1)
• （电子）信号
– 任何可以检测的电压、电流或电荷。信号用来 传送信息（状态或行为）
• 模拟信号
– 连续可变的信号，如人的语音、音乐和电视图
像等信号。
时间上和幅度上
• 数字信号
– 离散的信号（量化到分散的值）。
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 #3
Why Analog ? (2)
– Idm ：复数电流（小信号频率分析）；
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 43
一般概念(4)
• 戴维南定理和诺顿定理
– 任何一个线性有源二端网络，对外电路说，总可以用一个电压源 与电阻相串联的支路代替。电压源电压等于有源二端网络的开路 电压Vs，其电阻等于该网络中所有独立电压源短路、独立电流源 开路时的入端等效电阻Rs。
• 我们需要
– 模/数转换（ADC, Aanlog-to-Digital Converters）
– 数/模转换（DAC, Digital-to-Aanlog Converters）
– 模拟预处理（ADC之前） – 模拟后处理（DAC之后）
• 如放大、滤波等
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 15
目录
• Why Analog ?
• 模拟设计的挑战
• Why Integrated ?
• Why CMOS ?
• 模拟IC设计（vs. 数字IC设计）
• 模拟IC设计流程
• 一般概念
• 实例
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 30
分析 vs. 设计
• 分析：从已知电路特性，解唯一
后端设计流程
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 38
版图设计书籍
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 39
目录
• Why Analog ?
• 模拟设计的挑战
• Why Integrated ?
• Why CMOS ?
• 模拟IC设计（vs. 数字IC设计）
• 模拟IC设计流程
• 数字信号处理的优点（vs. Analog）
– 稳健性（Robustness）。对工艺、电源电压、温 度变化和干扰、老化等不敏感。
– 可编程性（ Programmability ）。DSP算法
– 灵活性（Flexibility）。如数字域滤波：FIR滤波 器、IIR滤波器
为什么我们需要进行模拟信号处理（模拟IC设计）呢？
2021/8/20
八边形法则
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 19
模拟设计困难的原因是什么？(3)
B. 模拟电路对噪声、串扰和其它干扰比数字电路 要敏感得多。
C. 器件的二级效应对模拟电路的影响比数字电路 要严重得多。
– 如Mosfet的体效应、沟道长度调制效应等等
D. 高性能模拟电路的设计很少能自动完成（手工 设计），而许多数字电路都是自动综合和布局 的。
Why Analog ? (5)
物理世界
放大、滤波 及其他处理
2021/8/20
放大、滤波 及其他处理
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 16
模拟信号处理vs.数字信号处理
现在：
将来：
2# 17
目录
• Why Analog ?
• 模拟设计的挑战
• Why Integrated ?
• Why CMOS ?
• 模拟IC设计（vs. 数字IC设计）
• 模拟IC设计流程
• 一般概念
• 实例
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 36
模拟IC的设计流程：
2021/8/20
电学设计 (前端设计)
物理设计 (后端设计)
制造 测试和产品开发
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 37
– 任何一个线性有源二端网络，对外电路说，总可以用一个电流源 与电阻相并联的支路代替。电流源电流等于有源二端网络的短路 电流Is, 其电阻等于该网络中所有独立电压源短路、独立电流源 开路时的入端等效电阻Rs。
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 44
一般概念(5)
• 小信号输入阻抗计算
第一章
模拟集成电路设计绪论
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 #1
目录
• Why Analog ?
• 模拟设计的挑战
• Why Integrated ?
• Why CMOS ?
• 模拟IC设计（vs. 数字IC设计）
• 模拟IC设计流程
• 一般概念
• 实例
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 #2
芯片复杂度每 18个月翻一番！ 32nm CPU, Intel
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 27
CPU的晶体管数
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 28
Why CMOS ? (4)
CMOS已成为混合信号集成电路设计的主流工艺！
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 29
• 设计：从指标电路，解不唯一(创新性)
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 31
模拟IC设计
集成电 路工艺
功能或 应用
正确 的解
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 32
模拟IC与数字IC的比较(1)
• 数字电路
– 成本/功能以每年29%的速度下降 – 摩尔定律
模拟集成电路设计绪论Chap1 #5
自然界信号的处理
高速、高精度、低功耗ADC的设 计是模拟电路设计中的难题之一
高性能放大器和滤波器 设计也是热点研究课题
（a）自然界信号的数字化 （ b）增加放大器和滤波器以提高灵敏度
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 #6
数字通信
数字信号通过有损电缆的衰减和失真 失真信号需放大、滤波和数字化后才再处理
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 21
目录
• Why Analog ?
• 模拟设计的挑战
• Why Integrated ?
• Why CMOS ?
• 模拟IC设计（vs. 数字IC设计）
• 模拟IC设计流程
• 一般概念
• 实例
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 22
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 20
模拟设计困难的原因是什么？(3)
E. 模拟电路许多效应的建模和仿真仍然存在问题， 模拟设计需要设计者利用经验和直觉来分析仿 真结果。
F. 现代集成电路制造的主流技术是为数字电路开 发的，它不易被模拟电路设计所利用（如特征 尺寸减小导致器件迁移率下降、沟道调制效应 增大；电源电压的下降使以前的一些电路设计 技术受到限制等），为了设计高性能的模拟电 路，需不停开发新的电路和结构。
• 工艺（Process） • 电源电压（Voltage） • 温度（Temperature）
– e.g. V from 2.7V to 3V T from 0℃ to 70℃
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 42
一般概念 (3)
• 符号
– iD ：总瞬态电流；
– ID ：偏置电流；
模拟集成电路设计绪论Chap1 #9
无线接受机
无线接收天线接收到的信号(幅度只有几微伏)和噪声频谱
接收机放大低电平信号时必须具有极小噪 声、工作在高频并能抑制大的有害成分。
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 10
3G手持终端接收信号图
中心频率处接收信号功率为-115.8 dBm(约为2.63e-15 W)， 对于50欧姆系统，其信号电平约为0.36 uV。 信号非常之小！
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 #7
数字通信
1
0 11
10 01 00
使用多电平信号以减小所需的带宽
组合二进制数据 DAC 多电平信号 ADC 确定所传送电平
传送端
接收端
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 #8
磁盘驱动电子学
存储数据
恢复数据
2021/8/20
硬盘存储和读出后的数据
• 速度
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 26
Why CMOS ? (3)
• 摩尔定律（Moore law） 时间 1980 1983 1982 1989 1995 2001 2004 2010 L(μm ) 3.0 2.0 1.2 0.5 0.35 0.18 0.13 0.07
• 一般概念
• 实例
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 40
一般概念 (1)
• 抽器象件级级 别
结构级
晶体管级
系统级
我们的方法： 从器件物理 更复杂电路拓扑
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 41
一般概念 (2)
• 鲁棒性电路设计（Robust）
– 器件和电路参数随PVT变化
• 一般概念
• 实例
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 24
• 硅工艺
Why CMOS ? (1)
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 25
Why CMOS ? (2)
• 低功耗 • 高集成
– 高密度（按比例缩小） – 高兼容性（数字和模拟）
• 低制造成本
– Si材料 – 按比例缩小
• 模拟占20%的面积，而数字占80%的芯片面 积
• 模拟占80%的设计时间
• 模拟是在电路级进行设计
• 模拟电路的成本/功能基本是常数
• 成功的流片：模拟2~3次，数字1次
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 35
目录
• Why Analog ?
• 模拟设计的挑战
• Why Integrated ?
数字IC
信号在幅度和时间上均离散– 2进制信号 有2个幅度状态 系统级设计 元件有固定值 标准单元 CAD工具很成功 时序模型 软件可变成 规则模块 容易自动布图 动态范围不限
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 34
AIC设计的独特特征
• 版图是设计的一个重要部分
– 电学设计版图设计测试
• 经常是混合信号的模数电路
• 低成本 • 小体积
Why Integrated ?
《集成电路原理》
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 23
目录
• Why Analog ?
• 模拟设计的挑战
• Why Integrated ?
• Why CMOS ?
• 模拟IC设计（vs. 数字IC设计）
• 模拟IC设计流程
• 模拟电路
– 成本/功能基本保持不变 – 电压下降严重影响其性能
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 33
模拟IC与数字IC的比较(2)
模拟IC
信号在幅度上连续，在时间上连续 或离散 电路级设计 元件有连续的值 定制 CAD工具难以成功引用 要求精确的模型 性能需要优化 不规则模块 很难自动布图 动态范围受电源电压和噪声（包括 线性）限制
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 11
光接收机
转换为一个小电流 高速电流处理器
2021/8/20
激光二极管
光敏二极管
光纤系统
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 12
传感器
(a) 简单的加速度表
(b) 差动加速度表
汽车触发气囊的加速度检测原理图
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 13
微处理器和存储器
• 3GHz的CPU
数字/时钟分布和时序问题 互联线效应（如延迟） 各种寄生等
• DDR2 333MHz：5.4GB/s • DDR2 400MHz：6.4GB/s
• 高速信号电路设计实际就是模拟电路的设计
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 14
Why Analog ? (4)
• Why CMOS ?
• 模拟IC设计（vs. 数字IC设计）
• 模拟IC设计流程
• 一般概念
• 实例
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 18
模拟设计困难的原因是什么？(1)
A. 模拟设计涉及到在速度、功耗、增益、精度、 电源电压等多种因素间进行折衷，而数字电路 只需在速度和功耗之间折衷。
① 在输入端加Vtst，作小信号电路等效 ② 计算itst ③ Zin=Vtst/itst
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 # 45
一般概念(6)
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 #4
Why Analog ? (3)
• The real world is analog!!!
• 鸡蛋模型
– （Eggshell Analogy）
加州大学伯克利分校 Paul. R. Gray教授1986年 提出（ UC Berkeley）
2021/8/20
Why Analog ? (1)
• （电子）信号
– 任何可以检测的电压、电流或电荷。信号用来 传送信息（状态或行为）
• 模拟信号
– 连续可变的信号，如人的语音、音乐和电视图
像等信号。
时间上和幅度上
• 数字信号
– 离散的信号（量化到分散的值）。
2021/8/20
模拟集成电路设计绪论Chap1 #3
Why Analog ? (2)