CMOS模拟集成电路设计_ch2器件物理
CMOS 模拟集成电路课件完整
VTHN VTHN0
2qsi Na Cox
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
.op .dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds) .probe
*model .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
.end
Systems
Ch13 开关电容电路
Ch14 DAC/ADC
complex Ch10 运算放大器 Ch7 频率响应
Ch11 稳定性和频 率补偿
Ch8 噪声
Ch12 比较器 Ch9 反馈
Ch3 电流源电流镜 simple Ch4 基准源 Circuits
Devices
Ch5 单级放大器 ch2 MOS器件
*Output Characteristics for NMOS M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
设计
属性/规范
系统/电路1
系统/电路2 系统/电路3
……
一般产品描述、想法 系统规范要求的定义
系统设计 电路模块规范定义
电路实现 电路仿真
否
是否满足系统规范
是 物理（版图）设计
物理（版图）验证
寄生参数提取及后仿真
否
是否满足系统规范
CMOS模拟集成电路设计_ch1_2
例：采样spice进行AC分析 例：采样spice进行AC分析
* AC analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K CL 2 0 5p Vdd 4 0 DC 5.0 Vin 1 0 DC 1.07 AC 1.0 .op .ac DEC 20 100 100MEG .plot ac VDB(2) VP(2) .probe *model .MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7 .MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8 .end
研究模拟集成电路的重要性
Eggshell Analogy of Analog IC Design (Paul Gray)
研究CMOS模拟集成电路的重要性 研究CMOS模拟集成电路的重要性
AD/DA chapter12开关电容电路 Systems chapter9运算放大器 complex chapter6频率特性
2.2.2 MOS器件的I/V特性 MOS器件的I/V特性 NMOS
截止区(V 截止区(VGS<VTH) 三极管区（线性区）（V 三极管区（线性区）（VDS<VGS-VTH）
饱和区（V 饱和区（VDS≥VGS-VT 截止区 三极管区（线性区） 饱和区
2.3 二级效应
当沟道夹断后，当VDS增大时，沟道长度逐渐减小， 当沟道夹断后，当VDS增大时，沟道长度逐渐减小， 即有效沟道长度L 即有效沟道长度L’是VDS的函数。 定义L =L-∆L， 定义L’=L-∆L， ∆L/L=λVDS
CMOS模拟集成电路设计
CMOS模拟集成电路设计CMOS模拟集成电路是一种基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术实现的集成电路，主要用于设计和制造各种模拟电路，如运放、滤波器、振荡器、功率放大器等。
本文将介绍CMOS模拟集成电路设计的原理、方法和相关技术。
CMOS模拟集成电路的设计原理是基于CMOS技术中的n型和p型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS和PMOS)。
这两种晶体管互补工作在导通和截止之间，通过改变栅极电压来控制电流的流动。
此外，CMOS技术还使用了源沟道结构和金属氧化物半导体(MOS)的结构特性，以提供可靠的电流和电压增益。
CMOS模拟集成电路设计的方法涉及到几个关键的步骤。
首先，设计师需要进行电路架构设计，确定电路所需的功能和性能指标。
然后，根据电路的需求，设计师需要选择和设计适当的基本电路单元，如差分放大器、共源共极放大器等。
接下来，设计师需要利用各种仿真工具对电路进行模拟和验证，以确保电路的稳定性和可靠性。
最后，设计师需要进行版图设计和布线，生成最终的集成电路布局。
在CMOS模拟集成电路设计过程中，设计师需要考虑到多种因素。
首先，设计师需要选择适当的工艺和器件参数，以满足电路性能和功率需求。
其次，设计师需要进行功耗和噪声分析，以优化电路的能耗和信号质量。
此外，设计师还需要考虑温度和工作条件下电路的性能稳定性。
CMOS模拟集成电路设计中的一项重要任务是电路的性能评估和优化。
设计师可以使用各种技术和工具来提高电路的性能，如电流镜设计、电源抑制技术、反相器结构优化等。
此外，设计师还可以通过器件和工艺的改进来提高电路的性能。
总结起来，CMOS模拟集成电路设计是一项复杂的任务，需要设计师具备深厚的电路和器件知识，以及熟练的仿真和设计工具的使用。
通过深入理解电路原理和方法，设计师可以设计出高性能和可靠的模拟集成电路。
在未来，随着CMOS技术的不断发展和改进，CMOS模拟集成电路将在各种应用领域发挥越来越重要的作用。
模拟CMOS集成电路设计 第1章 模拟集成电路设计绪论
模拟设计困难的原因是什么？
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。
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。 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。
模拟设计困难的原因是什么（1） ？
D. 高性能模拟电路的设计很少能自动完成，而许多 数字电路都是自动综合和布局的。
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 9
光接收机
转换为一个小电流 高速电流处理器
激光二极管
光敏二极管
光纤系统
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 10
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
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 11
为什么要学模拟CMOS集成电路设计？
组合二进制数据 DAC
传送端
多电平信号
ADC
接收端
确定所传送电平
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 7
磁盘驱动电子学的数据
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 8
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。
CMOS模拟集成电路设计课程设计
CMOS模拟集成电路设计课程设计概述本设计以CMOS工艺为基础，要求完成一个简单的模拟集成电路的设计。
本课程旨在让同学们获得实践经验，强化相关知识的掌握程度，提高实验能力。
本设计的主要内容包括：基本电路设计、实验测试以及技术文献综述。
设计目标设计一个可靠、高性能且低功耗的CMOS模拟电路。
本设计中，将以一款CMOS 芯片为基础，使用新一代技术来实现其设计方案。
该方案应考虑到多个设计要素，如速度、功耗、面积、噪声等等。
设计过程基本电路设计本设计中的基本电路为一个基本差分放大器电路，该电路的特点是它可以将平衡的差分信号转换成单端输出信号。
差分放大器有以下几个优点：•高CMRR值•提高电压增益•减少同相信号噪声此外，差分放大器也具有以下几个劣势：•增加了复杂度•增加了功耗•增加了芯片面积实验测试完成差分放大器电路设计后，应进行实验测试以验证其性能。
在本设计中需要进行以下测试：•静态电流测试•差分输入电压放大测试•CMRR测试•带宽测试技术文献综述在本设计的最后阶段，应完成技术文献综述。
在这一部分，学生需要在IEEE、ACM、IEEEXPLORE等学术平台中寻找与本设计相关的学术论文，并对其内容进行概述、分析和讨论，以进一步理解CMOS模拟集成电路设计的核心原理。
结论本设计可以让学生获得机会与机器设计专业知识方面的知识和技能，同时将其与实际工程实践相结合。
本设计可用于培养学生的分析、协作以及研究技能，以满足我们日益增长的需求。
对于这些方面的学习，不仅可以从学术上获得好处，还可以为实际工程做好准备，开发出更优秀的产品。
模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第2章MOS器件物理基础
电流近似只 于W/L和VGS 有关， 不随 VDS变化
22
I/V特性—当VDS>VGS-VTH时
用作电流源或电流沉（current sink）
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
23
I/V特性—PMOS管
定义从D流 向S为正
PMOS管电流驱动能力比NMOS管差 0.8 m nwell：p=250cm2/V-s, n=550cm2/V-s
27
本讲
基本概念
简化模型－开关 结构 符号
I/V特性
阈值电压 I-V关系式 跨导
二级效应
体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性
器件模型
版图、电容、小信号模型等
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28
二级效应
前面VTH、I/V、gm等推导都是基于最简 单假设
忽略了VDS对L的影响等二级效应
0 栅与衬底功函数差
COX
OX
TOX
常通过沟道注入把VTH0调节到合适值
工艺确定后，VTH0就固定了，设计者无法改变
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14
I/V特性－沟道随VDS的变化
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15
I/V特性—推导I(VDS,VGS)
I Qd v
Qd WCox(VGS VTH)
dx
L
VD S
IDdx WCoxn[VGS V(x) VTH]dV
x 0
V0
ID
nCox
W L
[(VGS
VTH)VDS
1 2
VDS2 ]
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模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第2章MOS器件物理基础PPT课件
Q d ( x ) W o ( V x G C V S ( x ) V T )H
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16
I/V特性—推导I(VDS,VGS)
I D W o [ V G x C V S ( x ) V T ] v H
Givv E ea nn E (x d ) d(x V ) dx d(x V )
数字电路设计师一般不需要进入器件内 部，只把它当开关用即可
AIC设计师必须进入器件内部，具备器 件物理知识
❖MOS管是AIC的基本元件 ❖MOS管的电特性与器件内部的物理机制密
切相关，设计时需将两者结合起来考虑
器件级与电路级联系的桥梁？
❖器件的电路模型
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5
本讲
基本概念
I D n C o W L ( x V G V T S ) V D H , V D S 2 S ( V G V T S )
等效为一个线性电阻
RONnCoxW L(V 1GSVTH)
在AIC设计中会用到
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
深三极管区
19
I/V特性—当VDS>VGS-VTH时？
与电源无关、与温度无关、PTAT电流、 恒Gm、速度与噪声
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2
上一讲
研究模拟电路的重要性 模拟电路设计的难点 研究AIC的重要性 研究CMOS AIC的重要性 电路设计一般概念
❖抽象级别 ❖健壮性设计 ❖符号
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3
上一讲
数字电路无法完全取代模拟电路，模拟 电路是现代电路系统中必不可少的一部 分
提供载流子的端口为源，收集载流子的端口为漏
模拟cmos集成电路设计知识点总结
模拟cmos集成电路设计知识点总结模拟CMOS集成电路设计是一个涉及多个学科领域的复杂课题，包括电子工程、物理、材料科学和计算机科学等。
以下是一些关键知识点和概念的总结：1. 基础知识：半导体物理：理解半导体的基本性质，如本征半导体、n型和p型半导体等。
MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）工作原理：理解MOSFET的基本构造和如何通过电压控制电流。
2. CMOS工艺：了解基本的CMOS工艺流程，包括晶圆准备、热氧化、扩散、光刻、刻蚀、离子注入和退火等步骤。
理解各种工艺参数对器件性能的影响。
3. CMOS电路设计：了解基本的模拟CMOS电路，如放大器、比较器、振荡器等。
理解如何使用SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）进行电路模拟。
4. 噪声：理解电子器件中的噪声来源，如热噪声、散粒噪声和闪烁噪声等。
了解如何减小这些噪声的影响。
5. 功耗：理解CMOS电路中的功耗来源，如静态功耗和动态功耗。
了解降低功耗的方法，如电源管理技术和低功耗设计技术。
6. 性能优化：理解如何优化CMOS电路的性能，如提高速度、减小失真和提高电源效率等。
7. 可靠性问题：了解CMOS电路中的可靠性问题，如闩锁效应和ESD（静电放电）等。
8. 版图设计：了解基本的版图设计规则和技巧，以及如何使用EDA（Electronic Design Automation）工具进行版图设计和验证。
9. 测试与验证：理解如何测试和验证CMOS集成电路的性能。
10. 发展趋势与挑战：随着技术的进步，模拟CMOS集成电路设计面临许多新的挑战和发展趋势，如缩小工艺尺寸、提高集成度、应对低功耗需求等。
持续关注最新的研究和技术进展是非常重要的。
以上是对模拟CMOS集成电路设计的一些关键知识点的总结，具体内容可能因实际应用需求和技术发展而有所变化。
深入学习这一领域需要广泛的知识基础和持续的研究与实践。
CMOS模拟集成电路设计ch绪论实用PPT课件
模 拟 集 成 电 路 的 设 计 开 发 流 程
8
第8页/共16页
电路 设计
版图 设计
封装 测试
电路设计
9
第9页/共16页
版图设计
10
第10页/共16页
Why CMOS？
与双极工艺(BJT)相比 • 优点
• 输入阻抗大，加工成本低，低功耗，易于按比例缩小，易于实现数模混合电 路（是SOC较佳选择），设计自由度大（小信号特性依赖于器件尺寸和直 流偏量，双极只依赖于直流偏量）
15
第15页/共16页
感谢您的欣赏！
16
第16页/共16页
— 模拟电路的重要性和应用领域
自然界信号 （模拟量）
信号太小 时需要先 放大
4
滤除信号频带外的干扰
第4页/共16页
高速度、 高精度、 低功耗的 模数转换器
模拟集成电路的应用
5
第5页/共16页
结论
• 模拟电路是现代电路系统中必不可少的部分 • 数字电路无法完全取代模拟电路 • 电子产业需要大量优秀的模拟电路设计师
6
第6页/共16页
模拟电路设计的难点
• 设计关注点多：包括速度、功耗、增益、精度、电源 电压等；数字电路主要是速度、功耗
• 高精度模拟电路对低噪声、低串扰、抗干扰等要求很 高；数字电路在这方面要求低很多
• 器件的二阶效应对电路性能影响大；对工艺参数变化 的敏感度比数字电路高很多
• 设计的自动化程度低，很多靠手工设计；数字电路设 计自动化程度高
• 缺点 • 低增益，速度慢（在改善，几十GHz），噪声大（也在改善）
11
模拟cmos集成电路设计
模拟CMOS集成电路设计1. 引言模拟CMOS集成电路设计是现代集成电路设计的重要领域之一。
随着电子技术的不断发展和进步，集成电路在各个领域都有着广泛的应用，尤其是模拟领域。
模拟CMOS集成电路设计是一门综合性学科，需要掌握深厚的电路理论知识和数理基础。
本文将介绍模拟CMOS集成电路设计的基本原理、常用工具和设计流程。
2. 模拟CMOS集成电路基本原理模拟CMOS集成电路是由大量的MOS晶体管和电阻电容等元件组成的电路。
它能够处理连续变化的电压信号，具有很高的放大和处理能力。
模拟CMOS集成电路设计的基本原理包括以下几个方面：2.1 MOSFET的基本原理模拟CMOS集成电路主要采用NMOS和PMOS两种类型的MOSFET。
NMOS晶体管工作在负电压下，电子流的导通；PMOS晶体管工作在正电压下，空穴流的导通。
MOSFET的基本原理和参数是设计模拟CMOS电路的基础。
2.2 CMOS反相放大器CMOS反相放大器是模拟CMOS电路的基本模块。
它能够将输入电压放大并反向输出。
通过设计合适的电路结构和参数，可以实现不同的放大倍数和频率响应。
2.3 模拟CMOS电路的环路增益模拟CMOS电路的环路增益是指电路反馈回路的增益。
环路增益对电路的稳定性和性能有重要影响。
通过选择合适的电路结构和控制参数，可以提高电路的稳定性和性能。
3. 模拟CMOS集成电路设计工具3.1 SPICE仿真工具SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是一种广泛使用的电路仿真工具。
它能够模拟和分析模拟CMOS电路的性能，帮助设计师进行电路参数优化和性能评估。
3.2 Cadence工具套件Cadence是一套综合性的集成电路设计工具套件。
它包括了原理图设计、布局设计、电路仿真和物理验证等模块，可以实现从概念到最终产品的全流程设计。
3.3 ADS高频仿真工具ADS（Advanced Design System）是一种专业的高频电路仿真工具。
CMOS模拟集成电路设计
《CMOS模拟集成电路设计》一书是一本非常优秀的集成电路设计著作。它不 仅全面介绍了CMOS模拟集成电路设计的原理和方法，还提供了大量的实例和案例 分析，使读者能够更好地理解和掌握这一领域的知识。本书还具有很高的实用价 值，对于从事集成电路设计的工程师和技术人员来说，是一本非常值得一读的著 作。
阅读感受
《CMOS模拟集成电路设计》这本书的目录结构合理、清晰，有助于读者理解 和掌握CMOS模拟集成电路设计的基本原理和方法。本书的作者在介绍这些原理和 方法时，也充分考虑了读者的背景和需求，使得无论是初学者还是专业人士都能 从中受益。
作者简介
这是《CMOS模拟集成电路设计》的读书笔记，暂无该书作者的介绍。
在书中，作者艾伦博士以其深厚的学术功底和丰富的实践经验，将复杂的 CMOS模拟集成电路设计问题化繁为简，使读者能够更好地理解和掌握这一领域的 知识。同时，书中还提供了大量的实例和案例分析，使读者能够更好地将理论知 识应用到实际工程中去。
本书还具有很高的实用价值。书中不仅对CMOS模拟集成电路的设计和实现进 行了全面的介绍，还对CMOS工艺、CMOS器件模型、电路仿真工具等进行了详细的 介绍。这些内容对于从事集成电路设计的工程师和技术人员来说，都是非常宝贵 的资源。
目录分析
《CMOS模拟集成电路设计》是一本由艾伦所著，于2007年8月由电子工业社 的书籍。本书主要介绍了关于CMOS模拟集成电路设计的特点、原理和方法。为了 更好地理解这本书的内容，我们可以首先通过分析其目录来了解其结构和主题。
我们可以看到这本书的目录非常清晰，分为三个主要部分：引言、主体和结 论。这种结构使得读者可以很容易地了解这本书的整体框架和主要内容。
《CMOS模拟集成电路设计》这本书是一本内容丰富、结构严谨、深入浅出的 专业书籍。无论大家是初入此领域的学子，还是已在此领域有所建树的专业人士， 我相信大家都能从中获得有价值的启示和帮助。这本书对于我来说，不仅仅是一 本书，更是一座知识的宝库，它将持续地指引我在CMOS模拟集成电路设计的道路 上不断前行。
CMOS模拟集成电路设计ch2器件物理 共42页
ID =0
6
2. 线性区 triode or linear region
当 V G S V T H ,且 V D S V G S V T H 时 MOSFET 处于线性区
7
Derivation of I/V Characteristics
I Qd v Q d W o(V x C G S V T)H Q d ( x ) W o ( V x G C V S ( x ) V T )H
1
ID
2L
25
亚阈值导电性（弱反型）
在初步分析MOSFET的时候，我们假设当VGS < VTH时， 器件会突然关断，即ID会立即减小到零；但实际上当VGS 略小于VTH 时，有一个“弱”的反型层存在，ID大小随
VGS下降存在一个“过程”，与VGS呈指数关系：
26
2.4 MOS器件电容
分析高频交流特性时 必须考虑寄生电容的影响 根据物理结构，可以把 MOSFET的寄生电容分为：
模拟CMOS集成电路设计
第 2 章 MOS器件物理基础
2.1 基本概念
漏（D: drain）、 栅（G: gate）、
G
源（S: source）、衬底（B: bulk）
S
MOSFET：一个低功耗、高效率的开关
D
2
MOS符号
模拟电路中常用符号
数字电路中常用
MOSFET是一个四端器件
3
2.2 MOS的I/V特性
2. 右图中MOSFET的过饱和电压是多少？管子处于什么工 作区？
R
Vb=1V
Vds=0.5V
40
3. 如图所示，Vin随时间线性增加。在不考虑沟调效应，需考 虑体效应的前提下，画出Vout随时间的曲线。
实验二CMOS模拟集成电路设计与仿真
实验二CMOS模拟集成电路设计与仿真实验二 CMOS 模拟集成电路设计与仿真CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）模拟集成电路（Analog Integrated Circuits）是一种基于金属-氧化物-半导体结构的集成电路技术。
在本实验中，我们将学习并实践CMOS模拟集成电路的设计和仿真，以加深对其原理和应用的理解。
通过此实验，我们将能够熟练掌握CMOS模拟集成电路设计与仿真的基本流程与方法。
一、实验目的本实验旨在通过设计和仿真CMOS模拟集成电路，加深对其工作原理的理解，掌握电路设计与仿真的基本方法。
二、实验原理CMOS模拟集成电路是一种基于n型和p型MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）的电路。
通过调节不同MOS管的工作状态，可以实现不同的电路功能。
其中，n型MOS管的主要特点是电导率高，适用于放大增益较大的部分；p型MOS管的主要特点是电导率低，适用于控制电流流动的部分。
三、实验步骤1. 电路设计：根据实际需求，确定设计所需的CMOS模拟集成电路。
在设计前，应先详细了解电路的功能、性能及工作原理，确定所需的器件数目和性能参数。
2. 电路布局：根据设计要求，将设计的各个电路模块在模拟集成电路上进行布局，合理安排电路的位置和空间，以保证电路的稳定性和性能。
3. 电路连接：按照布局图，将所需的电路模块进行连接，确保各个模块之间信号的正确传输和电路功能的正常实现。
4. 电路仿真：使用专业的仿真软件，将设计好的CMOS模拟集成电路进行仿真，验证其电路性能和功能。
在仿真过程中，应注意选择合适的仿真参数和验证方法，以保证仿真结果的准确性和可靠性。
5. 仿真分析：根据仿真结果，对电路的性能和功能进行分析和评估。
如果发现问题或改进的空间，可以根据分析结果进行相应的调整和优化。
6. 总结与展望：根据实验结果和分析，总结实验过程中的经验和教训，提出可能的改进和未来的研究方向。
模拟CMOS集成电路设计课程设计
模拟CMOS集成电路设计课程设计一、需求分析1. 需求背景在集成电路领域，模拟CMOS集成电路设计是一个非常重要的领域。
CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技术是当今集成电路制造业中最主流的技术之一。
在CMOS技术下，设计出高性能、低功耗、可靠性高的模拟电路是一个十分挑战的任务。
本课程设计旨在培养学生对模拟CMOS集成电路设计的兴趣和能力，提高他们对于模拟电路的理解和掌握。
通过本课程设计，学生将能够掌握深入了解CMOS集成电路的构造，以及掌握电路设计与仿真的能力，为未来的工程实践提供坚实的基础。
2. 需求目标在完成本课程设计后，学生应该掌握以下知识：•理解基本的模拟CMOS电路的设计原理和方法；•掌握CMOS基本电路单元的设计与仿真；•掌握模拟电路的基本设计思路和流程；•能够将所学理论知识应用到实际电路设计当中。
二、设计方案本课程设计采用以下方案：1. 设计内容本课程设计共选取了如下内容：1.理论基础：模拟电路基础知识，CMOS工艺基础知识，CMOS放大电路设计。
2.课程实践：设计CMOS基本电路单元，如MOS晶体管，CMOS反向器，两级放大器等；设计一个完整的模拟CMOS电路，并进行电路仿真。
2. 设计方法本课程设计主要采用以下方法：1.理论讲授：通过PPT等方式，讲授相关理论知识。
2.实验操作：通过仿真软件，进行实验操作。
3.实验报告：要求学生对每次实验操作进行总结和分析，撰写实验报告。
3. 设计时长课程设计时长为一学期，大约为15周。
4. 设计人员本课程设计的设计人员为教师以及学生。
1. 实验平台本课程所使用的仿真软件为Cadence Virtuoso。
2. 实验步骤步骤一：基本电路单元设计1.设计MOS晶体管：需要学生掌握MOS晶体管的基本结构和工作原理，以及P、N沟道MOS晶体管的特点，并仿真其放大特性，如增益、输出电阻、输入电导等。
cmos模拟集成电路工程实例设计
cmos模拟集成电路工程实例设计
CMOS模拟集成电路是集成电路的一种类型，它由互补金属氧化
物半导体（CMOS）技术制造而成，可以用于设计各种各样的电路，
包括放大器、滤波器、模数转换器等。
下面我将以设计一个CMOS运
算放大器为例进行说明。
首先，设计CMOS运算放大器需要确定一些基本参数，比如增益、带宽、输入阻抗和输出阻抗等。
然后根据这些参数来选择合适的电
路拓扑结构，常见的有共源共栅放大器、共模反馈放大器等。
接下来是电路的设计。
在设计过程中，需要考虑到CMOS工艺的
特点，比如电压供应范围、输入输出电压范围、工艺参数的影响等。
通过合理的电路设计，可以实现所需的增益、带宽和输入输出阻抗。
在设计过程中，需要进行大量的仿真和验证工作，可以利用SPICE软件对电路进行仿真分析，验证设计的正确性和稳定性。
同
时还需要考虑功耗、噪声、温度漂移等因素对电路性能的影响。
最后，设计完成后需要进行实际的电路布局和验证。
在布局设
计中需要考虑到电路的布线、电源线的布置、电容和电感的位置等
因素，以确保电路的性能和稳定性。
总的来说，设计CMOS模拟集成电路需要充分考虑工艺特点、电路参数和仿真验证等多个方面，通过合理的设计和验证流程，可以实现所需的电路功能和性能要求。
模拟CMOS集成电路设计
模拟CMOS集成电路设计CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）是一种常用的集成电路技术，它集成了互补式MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）晶体管。
CMOS集成电路在现代电子设备中广泛应用，包括微处理器、存储器、传感器等。
在CMOS集成电路设计中，主要包括电路设计、布局设计和物理设计三个步骤。
首先是电路设计阶段。
在这个阶段，设计师需要根据需求，设计出满足功能要求的电路。
在CMOS集成电路中，常用的电路包括放大器、逻辑门、时钟电路等。
设计师需要选择适当的元件和电阻、电容等被动元件，并根据以往的经验和电路模拟工具进行电路仿真和优化，以确保电路功能的正确性和稳定性。
接下来是布局设计阶段。
在这个阶段，设计师需要将电路的不同元件绘制在芯片的平面图上，并确定它们之间的连接。
设计师需要考虑到元件之间的距离、尺寸和位置，以最大程度地优化电路的性能和布局的紧凑性。
此外，还需要考虑到电路的供电和接地网络的布局，以确保信号的良好传输和降低噪音干扰。
布局设计要求设计师具有创造性和良好的空间意识。
最后是物理设计阶段。
在这个阶段，设计师需要将布局转化为制造可行的物理布局。
设计师需要考虑到工艺工程的要求，如晶圆的尺寸和掩膜的制造。
设计师需要通过使用CAD工具进行器件的布局、连线规划和优化，以确保电路的可制造性和可靠性。
此外，还需要考虑到电路的功耗和散热问题，以确保电路的长期稳定性。
总的来说，CMOS集成电路设计涉及多个阶段，包括电路设计、布局设计和物理设计。
设计师需要通过使用电路仿真工具和CAD工具进行电路的仿真和优化，并考虑到电路功能、布局紧凑性和制造可行性等因素，以设计出满足要求的CMOS 集成电路。
模拟CMOS集成电路设计课程设计实验报告（二级放大器的设计）
模拟CMOS集成电路设计课程设计报告--------二级运算放大器的设计信息科学技术学院电子与科学技术系一、概述：运算放大器是一个能将两个输入电压之差放大并输出的集成电路。
运算放大器是模拟电子技术中最常见的电路，在某种程度上，可以把它看成一个类似于BJT 或FET 的电子器件。
它是许多模拟系统和混合信号系统中的重要组成部分。
它的主要参数包括：开环增益、单位增益带宽、相位阈度、输入阻抗、输入偏流、失调电压、漂移、噪声、输入共模与差模范围、输出驱动能力、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等。
二、设计任务：设计一个二级运算放大器，使其满足下列设计指标：工艺Smic40nm电源电压 1.1v负载100fF电容增益20dB 至少40dB3dB带宽20MHz输入小信号幅度5uV 共模电平自己选取输出共模电平自己选取电路结构两级放大器相位裕度60~70度功耗无要求三、电路分析：1.电路结构：最基本的二级运算放大器如下图所示，主要包括四部分：第一级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。
2.电路描述：输入级放大电路由PM2、PM0、PM1和NM0、NM1组成。
PM0和PM1构成差分输入对，使用差分对可以有效地抑制共模信号干扰；NM0和NM1构成电流镜作为有源负载；PM2作为恒流源为放大器第一级提供恒定的偏置电流。
第二级放大电路由NM2和PM3构成。
NM2为共源放大器；PM3为恒流源作负载。
相位补偿电路由电阻R0和电容C0构成，跨接在第二级输入输出之间，构成RC米勒补偿。
此外从电流电压转换角度来看，PM0和PM1为第一级差分跨导级，将差分输入电压转换为差分电流。
NM0和NM1为第一级负载，将差模电流恢复为差模电压。
NM2为第二级跨导级，将差分电压信号转换为电流，而PM3再次将电流信号转换成电压信号输出。
偏置电压由V0和V2给出。
3.静态特性对第一级放大电路：构成差分对的PM0和PM1完全对称，故有G m1=g mp0=g mp1 (1)第一级输出电阻R out1=r op1||r on1 (2)则第一级电压增益A1=G m1Rout1=g mp0,1(r op1||r on1) (3) 对第二级放大电路：电压增益A2=G m2R out2= -g mn2(r on2||r op3) (4) 故总的直流开环电压增益A0=A1A2= -g mp0,1g mn2(r op1||r on1)(r on2||r op3) (5)由于所有的管子都工作在饱和区，所以对于gm 我们可以用公式 g m =D I L W )/(Cox 2μ (6) 进行计算；而电阻r o 可由下式计算 r o =DI 1λ (7)其中λ为沟道长度调制系数且λ∝1/L 。
模拟cmos集成电路设计 (2)
模拟CMOS集成电路设计引言在现代电子设备中，集成电路无处不在。
其中，CMOS （Complimentary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体）是一种常用的集成电路技术。
CMOS集成电路设计是指设计和优化各种模拟电路、数字电路和混合信号电路的过程，以满足特定的应用需求。
在本文档中，我们将介绍模拟CMOS集成电路设计的基本原理、步骤以及常见的设计技巧。
我们将从设计规范的制定开始，一直到电路验证和验证。
通过阅读本文档，读者将了解到在设计模拟CMOS集成电路时应该考虑的各种因素，并具备一定的设计能力。
设计规范在开始模拟CMOS集成电路设计前，制定明确的设计规范非常重要。
设计规范应该包括以下内容：1.电路功能：描述电路的功能和期望的输入输出特性。
2.电路性能：定义电路的性能指标，如增益、带宽、噪声等。
3.技术限制：确定电路设计的技术限制，如制造工艺和电路元件的规格。
4.耗电量：设定电路的功耗要求，包括静态功耗和动态功耗。
5.成本：估计电路设计的成本，包括制造成本和开发成本。
电路拓扑设计电路拓扑设计是指设计模拟CMOS集成电路的基本结构和连接方式，以实现所需的功能。
在设计电路拓扑时，应该考虑以下要点：1.输入输出特性：根据设计规范确定输入输出特性的要求，并选择合适的电路结构。
2.偏置电路：设计合适的偏置电路以提供所需的工作点稳定性。
3.放大电路：根据输入输出特性要求设计放大电路，确定电路的增益和带宽。
4.反馈电路：根据需要添加反馈电路以实现所需的增益、稳定性和线性度。
5.输出级：设计输出级以实现所需的输出电流和电压。
在电路拓扑设计过程中，可以使用各种常见的电路结构，如共射放大器、共基放大器、共集放大器等。
设计优化在完成电路拓扑设计后，需要对电路进行优化以满足设计规范的要求。
设计优化可以根据所需的电路性能采取以下措施：1.尺寸优化：通过调整电路中的晶体管尺寸来改变电路的增益和带宽。
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。
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第 2 章 MOS器件物理基础
2.1 基本概念
漏（D: drain）、 栅（G: gate）、 源（S: source）、衬底（B: bulk）
S
G
MOSFET：一个低功耗、高效率的开关
D
2
MOS符号
模拟电路中常用符号 MOSFET是一个四端器件
数字电路中常用
3
2.2 MOS的I/V特性
transconductance
ID gm VGS VDS cons tan t
跨导是小信号(AC)参数，用来表 征MOSFET将电压变化转换为电流 变化的能力。反映了器件的灵敏度 ——VGS对ID的控制能力。
14
ID gm VGS VDS cons tant
nC
W ox L
nCox
W L'
12
ID
nCox W
2 L'
(VGS VTH ) 2
饱和区内，电流近似只与 W/L 和过饱和电压VGS-VTH 有关，不随源漏电压VDS变化 因此在VGS不变的条件下MOSFET可以等效为恒流源
13
如果在栅极上加上信号，则 饱和区的MOSFET可以看作是 受VGS控制的电流源 利用这个特点可以实现信号的放大 引入重要的概念 跨导 gm
沟道长度调制效应
当沟道发生夹断后，如果VDS继续增大，有效沟道长 度L’会随之减小，导致漏源电流 ID 的大小略有上升， 饱和区的电流方程需要做如下修正：
其中λ为沟道长度调制系数
L越大，沟调效应越小！
24
沟调效应使饱和区的MOSFET不能再看成理想的电流源，
而具有有限大小的输出电阻ro
VDS 1 1 1 ro n C ox W ID ID / VDS ID (VGS VTH ) 2
2 L
25
亚阈值导电性（弱反型）
在初步分析MOSFET的时候，我们假设当VGS < VTH时， 器件会突然关断，即ID会立即减小到零；但实际上当VGS 略小于VTH 时，有一个“弱”的反型层存在，ID大小随 VGS下降存在一个“过程”，与VGS呈指数关系：
26
2.4 MOS器件电容
分析高频交流特性时 必须考虑寄生电容的影响 根据物理结构，可以把 MOSFET的寄生电容分为：
管子导通, 且 VDS VGS VTH 时，则管子进入线性区 相反是饱和区
对于NMOS ,管子导通,且VG相对于VD足够高， 即（VG VTH VD）,管子进入线性区
对于PMOS ,管子导通,且VG相对于VD足够低， 即（VG VTH VD）,管子进入线性区
17
思考题
图中MOS管的作用是什么？应该工作在什么工作区？
其中，γ为体效应系数，典型值0.3-0.4V1/2
21
沟道层通过Cox耦 合到栅极，通过CD 耦合到体区。
所以体区电压同样可以（通过CD的耦合作用）影响沟道中 载流子的浓度，影响导电性，或者说阈值电压的大小。
22
体效应对电路性能的影响
体效应会导致设计参量复杂化， AIC设计通常不希望有体效应
23
18
即NMOS开关不能传递最高电位，仅对低电位是比较理想的开关 相对的，PMOS开关不能传递最低电位，仅对高电位是比较理想的开关
19
20
2.3 二级效应
体效应
在前面的分析中，我们未加说明地假定衬底和源都是接 地的（for NMOS）。实际上当VB<VS时，器件仍能正常工作， 但是随着VSB的增加，阈值电压VTH会随之增加，这种体电位 （相对于源）的变化影响阈值电压的效应称为体效应，也称 为“背栅效应”。
深三极管区时，VDVS，
饱和区时，
在三极管区和饱和区，CGB通常可以被忽略。
28
大信号和小信号模型
大信号模型
用于描述器件整体的电压-电流关系，通常为非线性 如果在静态工作点（偏置）上叠加变化的信号（交流信 号），其幅度“足够小”，则可以用线性化的模型去近 似描述器件，这种线性化模型就是小信号模型。
33
NMOS VS PMOS
在大多数工艺中，NMOS管性能比PMOS管好
迁移率4：1，高电流驱动能力，高跨导
相同尺寸和偏置电流时，NMOS管rO大，更接近理想 电流源，能提供更高的电压增益 独占一个阱，可以有不同的体电位
对Nwell 工艺，用PMOS管可消除体效应
34
NMOS管与PMOS管工艺参数的比较
2. 右图中MOSFET的过饱和电压是多少？管子处于什么工 作区？
R
Vb=1V
Vds=0.5V
40
3. 如图所示，Vin随时间线性增加。在不考虑沟调效应，需考 虑体效应的前提下，画出Vout随时间的曲线。
4. 下图是MOS管的电压电流曲线，图中L1和L2的大小关系是？
41
D V 0
L
VDS
ox n
[VGS V ( x ) V TH ]dV
ID nC
W ox L
1 2 [(VGS VTH )VDS VDS ] 2
9
I/V Characteristics (cont.)
ID nC
W ox L
1 2 [(VGS VTH )VDS VDS ] 2
(VGS VTH ) 2 nC
W ox L
ID
2 ID VGS VTH
15
到此为止，我们已经学习了MOSFET的三种用途： 开关管 恒流源
放大管
分别处在什么工作区？
16
怎么判断MOSFET处在什么工作区？
方法一： 比较源漏电压 Vds和过饱和电 压Vsat的高低 方法二： （源极电压不 方便算出时） 比较栅极Vg和 漏端Vd的电压 高低
沟道的形成
4
阈值电压VTH
NMOS管的阈值电压通常定义为界面的电子浓度等于 P型衬底的多子浓度时的栅极电压。
COX
OX
TOX
在基础分析中，假定VGS大于VTH时，器件会突然导通。 通常通过沟道注入法来改变阈值电压的大小。
5
MOS器件的3个工作区
1. 截止区 cutoff
VGS<VTH
I D =0
6
2. 线性区 triode or linear region
当VGS VTH , 且VDS VGS VTH时
MOSFET 处于线性区
7
Derivation of I/V Characteristics
I Qd v
Qd WCox (V GS VTH ) Qd ( x ) WCox (VGS V ( x ) VTH )
35
长沟道器件和短沟道器件
前面的分析是针对长沟道器件（4m以上）而言
对短沟道器件而言，关系式必须修正 用简单模型手算，建立直觉；用复杂模型仿真， 得到精确结果。
36
MOS管用作电容器时
37
思考：
并联
淆管子的宽W和长L
以及串并联关系！
39
复习题：
1. 解释什么是小信号跨导，给出饱和区MOSFET小信号跨 导的三种表达形式
8
I/V Characteristics (cont.)
ID WCox[VGS V ( x ) VTH ]v
dV( x) Given v E and E( x) dx
dV( x ) ID WC ox [VGS V ( x) VTH ]n dx
x 0
I dx WC
栅和沟道之间的氧化层电容C1 衬底和沟道之间的耗尽层电容C2 多晶硅栅与源和漏交叠而产生的电容C3、C4， 每单位宽度交叠电容用Cov表示 源/漏与衬底之间的结电容C5、C6
27
在电路分析中我们关心器件各个端口的等效电容： 器件关断时，CGD=CGS=CovW， CGB由氧化层电容和耗尽区电容串连得到
10
深三极管区
ID nC
W ox L
1 2 [(VGS VTH )VDS VDS ] 2
当VDS 2(VGS VTH )时
ID nC
W ox L
(VGS VTH )VDS
线性区的MOSFET等效为一个线性电阻（导通电阻Ron）
1 RON nCox W (VGS VTH ) L
11
3. 饱和区 active or saturation region
VGS VTH , 且VDS VGS VTH时
一个重要的概念（VGS-VTH ）
ID
nCox W (VGS VTH )2
2 L'
2I D
过驱动电压 Vov 有效电压Veff 过饱和电压 Vsat
VGS VTH =
小信号模型
29
2.5 MOS小信号模型
30
小信号参数：
ro
VDS 1 ID ID
gmb gm
2 2F VSB
gm
31
MOS管的完整小信号模型
对于手算，模型不是越复杂越好。 能提供合适的精度即可
32
MOS SPICE模型
模型精度决定电路仿真精度 最简单的模型——Level 1，0.5m 适于手算