模拟集成电路设计概论
模拟集成电路设计概论2
MOS电容
G
①
关断：
C GD C GS WC C GB WLC
ox
C d / WLC
WLC
ox
ov
ox
Cd
S
CGS
CGD D
②
线性区：
C GD C GS 1 2 WC
ov
C GB 0
③
C SB
CGB
CDB
饱和区：
C GS 2 WLC
ov
C GD
3 WC
模拟集成电路的特点和应用
MOST IDS versus VGS and VDS
MOS晶体管的电流方程
截止区 线性区
V GS V TH
V DS V GS V TH
ID 0
I D n C ox W 1 2 V GS V TH V DS V DS L 2
MOS管交流小信号特性
饱和区衬底跨导：
g mb I D V BS n C ox W L
V GS
V TH
V TH V BS
V TH V BS
V TH V SB 2
2 F V SB
共源放大器
理想电流源负载
High gain ? Low VGS-VT and large L !!!
共源放大器
Gain, Bandwidth and Gain-bandwidth
共源放大器
Gain Av , BW and GBW
共源放大器
ov
MOST fT
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。
模拟集成电路设计概述
小信号分析与大信号分析
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 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。对电路线性度的要 求越高，该线性化范围越小
超出此范围时，就不能再采用小信号分析方法，电路不再是线性的了， 只能采用大信号分析方法进行分析
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
交流信号：随时间变化的信号
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
模拟电路的基本分析方法（续）
电路分析基本步骤
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
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 集 成 电 路 的 设 计 流 程
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
声音信号、图像信号、生物信号、地震信号等 特点：动态范围大，带外干扰强
模拟电路的基本分析方法
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
模拟集成电路设计
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
关键字分析思维导图
集成电路
集成电路
通过
读者
深入
大家
理论
设计
设计
模拟 能够
掌握
内容摘要
《模拟集成电路设计》是一本全面介绍模拟集成电路设计的著作，涵盖了从基础知识到高级设计 技术的各个方面。本书首先介绍了模拟集成电路的基本概念和设计流程，然后详细阐述了各种模 拟电路元件的设计和特性，包括电阻、电容、电感、二极管、晶体管等。接下来，本书深入探讨 了模拟集成电路的设计技巧，包括反馈设计、频率响应优化、噪声抑制等。本书还涵盖了模拟集 成电路的版图设计和测试方法，为读者提供了全面的设计工具。
本书的一大亮点是它的理论与实践相结合的方法。它不仅提供了大量的理论分析，还通过实例演 示了如何将理论应用到实际设计中。这种方法使得读者能够更好地理解并掌握模拟集成电路设计 的精髓。
《模拟集成电路设计》是一本非常优秀的教材，无论是对初学者还是对有一定经验的工程师来说， 都是一本极有价值的参考书籍。本书不仅介绍了模拟集成电路的基本知识和技术，还通过实例和 案例分析，使读者能够深入了解并掌握模拟集成电路设计的关键技术和实际应用。
书中另一句引人注目的话是：“在所有的电子系统中，模拟电路是心脏。” 这句话强调了模拟集成电路在电子系统中的核心地位。无论是信号的输入、放大、 处理，还是最后的输出，都离不开模拟集成电路的强大功能。
还有一句令人印象深刻的话：“模拟集成电路设计的挑战在于平衡性能、功 耗和成本。”这是对模拟集成电路设计复杂性的最好诠释。设计师需要在满足性 能要求的还要考虑功耗和成本的问题，这需要他们具备深厚的专业知识和丰富的 实践经验。
《模拟集成电路》课件
，以便对设计的电路进行全面的测试和评估。
PART 05
模拟集成电路的制造工艺
REPORTING
半导体材料
硅材料
硅是最常用的半导体材料，具有 稳定的物理和化学性质，成熟的 制造工艺以及低成本等优点。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等化合物半导 体材料，具有高电子迁移率、宽 禁带等特点，常用于高速、高频 和高温电子器件。
《模拟集成电路》课 件
REPORTING
• 模拟集成电路概述 • 模拟集成电路的基本元件 • 模拟集成电路的分析方法 • 模拟集成电路的设计流程 • 模拟集成电路的制造工艺 • 模拟集成电路的优化与改进
目录
PART 01
模拟集成电路概述
REPORTING
定义与特点
定义
模拟集成电路是指由电阻、电容、电 感、晶体管等电子元件按一定电路拓 扑连接在一起，实现模拟信号处理功 能的集成电路。
围和失真。
信号分析方法
01
02
03
04
频域分析
将时域信号转换为频域信号， 分析信号的频率成分和频谱特
性。
时域分析
研究信号的幅度、相位、频率 和时间变化特性，分析信号的
波形和特征参数。
调制解调分析
研究信号的调制与解调过程， 分析信号的调制特性、解调失
真等。
非线性分析
研究电路的非线性效应，分析 信号的非线性失真和互调失真
音频领域
模拟集成电路在音频领域中主要用于 音频信号的放大、滤波、音效处理等 功能，如音响设备、耳机等产品中的 模拟集成电路。
模拟集成电路的发展趋势
集成度不断提高
随着半导体工艺的不断发展，模 拟集成电路的集成度不断提高， 能够实现更加复杂的模拟信号处
模拟集成电路设计教学大纲
模拟集成电路设计教学大纲目录一、课程开设目的和要求2二、教学中应注意的问题2三、课程内容及学时分配2第一章模拟电路设计绪论2第二章MOS器件物理基础2第三章单级放大器3第四章差动放大器3第五章无源与有源电流镜3第六章放大器的频率特性3第八章反馈3第九章运算放大器3高级专题3四、授课学时分配4五、实践环节安排4六、教材及参考书目5课程名称：模拟集成电路设计课程编号：055515英文名称：Analog IC design课程性质：独立设课课程属性：专业限选课应开学期：第5学期学时学分：课程总学时___48,其中实验学时一-一8。
课程总学分--3学生类别：本科生适用专业：电子科学与技术专业的学生。
先修课程：电路、模拟电子技术、半导体物理、固体物理、集成电路版图设计等课程。
一、教学目的和要求CMOS模拟集成电路设计课程是电子科学与技术专业（微电子方向）的主干课程，在教学过程中可以培养学生对在先修课程中所学到的有关知识和技能的综合运用能力和CMOS模拟集成电路分析、设计能力，掌握微电子技术人员所需的基本理论和技能，为学生进一步学习硕士有关专业课程和日后从事集成电路设计工作打下基础。
二、教学中应注意的问题1、教学过程中应强调基本概念的理解，着重注意引导和培养学生的电路分析能力和设计能力2、注重使用集成电路设计工具对电路进行分析仿真设计的训练。
3、重视学生的计算能力培养。
三、教学内容第一章模拟电路设计绪论本课程讨论模拟CMOS集成电路的分析与设计，既着重基本原理，也着重于学生需要掌握的现代工业中新的范例。
掌握研究模拟电路的重要性、研究模拟集成电路以及CMOS模拟集成电路的重要性，掌握电路设计的一般概念。
第二章MOS器件物理基础重点与难点：重点在于MOS的I/V特性以及二级效应。
难点在于小信号模型和SPICE模型。
掌握MOSFET的符号和结构，MOS的I/V特性以及二级效应，掌握MOS 器件的版图、电容、小信号模型和SPICE模型，会用这些模型分析MOS电路。
《模拟集成电路设计》教学大纲
《模拟集成电路设计》课程教学大纲一、课程基本信息1、课程编码：2、课程名称（中/英文）：模拟集成电路设计/ Design of Analog integrated Circuits3、学时/学分：56学时/3.5学分4、先修课程：电路基础、信号与系统、半导体物理与器件、微电子制造工艺5、开课单位：微电子学院6、开课学期（春/秋/春、秋）：秋7、课程类别：专业核心课程8、课程简介（中/英文）：本课程为微电子专业的必修课，专业核心课程，是集成电路设计方向最核心的专业课程之一。
本课程主要介绍典型模拟CMOS集成电路的工作原理、设计方法和设计流程、仿真分析方法，以及模拟CMOS集成电路的最新研发动态。
通过该课程的学习，将为学生今后从事集成电路设计奠定坚实的理论基础。
9、教材及教学参考书：教材：《模拟集成电路设计》，魏廷存，等编著教学参考书：1）《模拟CMOS集成电路设计》（第2版）.2）《CMOS模拟集成电路设计》二、课程教学目标本课程为微电子专业的必修课，专业核心课程，是集成电路设计方向最核心的专业课程之一。
通过该课程的学习，将为学生今后从事集成电路设计奠定坚实的理论基础。
本课程主要介绍典型模拟CMOS集成电路的工作原理、设计方法和设计流程、仿真分析方法，以及模拟CMOS模拟集成电路的最新研发动态。
主要内容有：1）模拟CMOS集成电路的发展历史及趋势、功能及应用领域、设计流程以及仿真分析方法；2）CMOS元器件的工作原理及其各种等效数学模型（低频、高频、噪声等）；3）针对典型模拟电路模块，包括电流镜、各种单级放大器、运算放大器、比较器、基准电压与电流产生电路、时钟信号产生电路、ADC与DAC电路等，重点介绍其工作原理、性能分析（直流/交流/瞬态/噪声/鲁棒性等特性分析）和仿真方法以及电路设计方法；4）介绍模拟CMOS集成电路设计领域的最新研究成果，包括低功耗、低噪声、低电压模拟CMOS集成电路设计技术。
模拟集成电路设计.ppt
§3-3: 其他MOS管大信号模型的参数
17
二、MOS电容
2. 耗尽结电容：CBD, CBS
P65 上式S→D 则 CBS→ CBD
18
§3-3: 其他MOS管大信号模型的参数
3.电荷存储电容： CGD, DGS ,CGB
交叠电容： C1、C3 、C5 珊-源/漏 C1 C3 LD Weff Cox CGXO Weff
25
§3-4: MOS管的小信号模型
1. gm,gmbs , gds 在饱和区：
gm (2K'W / L) ID (1 VDS ) (2K'W / L) ID
gmbs
iD vBS
iD vSB
( iD VT
)( VT ) vSB
iD iD VT vGS
gmbs gm 2(2 F
VSB )1/ 2
（a) （b)
多个器件的表示， 从匹配角度看更好。
37
§3-7: MOS电路的SPICE模拟
三、MOS模型描述
.MODEL < 模型名> <模型类型> <模型参数>
例如： .MODEL NCH NMOS LEVEL=1 VT0=1 KP=50U GAMMA=0.5 +LAMBDA=0.01
四、分析实例
vGS
VT
n
kT q
（简化模型，适合手工计算）
第3章第7节
35
3.7 MOS电路的SPICE模拟
36
§3-7: MOS电路的SPICE模拟
一、SPICE 模拟文件的一般格式
● 标题 ● 电路描述 (器件描述和模型描述) ● 分析类型描述 ● 输出描述
《模拟集成电路设计》教学大纲
模拟集成电路设计课程教学大纲一、课程的基本信息适应对象：电子科学与技术专业本科课程代码：25E01015学时分配：64=48理论+16实践赋予学分：4先修课程：电路分析、半导体物理、模拟电子技术、信号与系统后续课程：集成电路原理与应用、集成电路工艺原理二、课程性质与任务本课程是电子科学与技术专业本科生必修的一门重要的专业课程。
通过本课程的学习，使学生掌握模拟集成电路分析与设计的基本方法，并能借助辅助设计工具对简单模拟集成电路进行仿真设计。
三、教学目的与要求通过本课程的教学，引导和帮助学生实现简单的模拟集成电路分析与设计。
本课程要求掌握模拟集成电路的分析、设计与仿真方法，内容包括集成电路器件模型、工艺与布局、镜像电流源和单级放大电路基础、噪声分析与模型分析、基本运算放大器设计、比较器、采样保持与带隙基准。
四、教学内容与安排（一）理论教学内容与安排绪论(2学时)教学内容：1、模拟集成电路设计方法、工具与流程2、模拟集成电路的工艺技术3、模拟集成电路的发展教学要求：1、本章重点了解模拟集成电路设计方法、工具与流程。
第一章集成电路器件和模型(8学时)教学内容：1、半导体和pn结2、mos晶体管3、高级mos模型4、双极结晶体管5、器件模型总结6、spice模型参数教学要求：1、本章难点在于高级mos模型的掌握；2、本章重点在于掌握spice模型参数。
第二章工艺和布局(4学时)教学内容：1、工艺和布局2、cmos工艺3、双极工艺4、cmos布局和设计准则5、模拟布局考虑教学要求：1、本章难点在于模拟布局考虑；2、本章重点在于了解cmos工艺。
第三章镜像电流源和单级放大电路基础(8学时)教学内容：1、简单cmos镜像电流源2、共源放大器3、源极跟随器或共漏放大器4、共栅放大器5、源极退化镜像电流源6、高输出阻抗镜像电流源7、共射共基增益级8、mos差动对和增益级9、双极镜像电流源10、双极增益级11、频率响应教学要求：1、本章难点在于掌握用小信号模型分析电流镜与放大器；2、本章重点在于掌握电流镜原理、COMS单管放大。
第六章模拟集成电路设计1PPT课件
T1电流放大，以减少从参考电流中分出的基极电流。 使一个参考电流较准确地控制多个电流源
2020/8/2
专用集成电路设计实验室
20
四川大学物理科学与技术学院
3、微电流恒流源（Widlar源）
V B1 E V B2 EIE2R e2
Re2
VBE1VBE2 IE2
16
四川大学物理科学与技术学院
基本型恒流源 r
1. 镜像电流源
基准电流：
IREF=Ir
VCCVBE R
V CC R
因为：VB E2=VB E1 IE2 = IE1
所以：IC2 =IC1 IREF
最后得到公式6-29
R上 r 电流I的 r T 变 管 2化 基极 I变 2 r 化
增加了双极型晶体管工作点的稳定性
四川大学物理科学与技术学院
模拟集成电路
2020/8/2
专用集成电路设计实验室
1
四川大学物理科学与技术学院
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
专用集成电路设计实验室
2
四川大学物理科学与技术学院
集成电路概述
• 模拟IC就是能对模拟量进行运算和处理的一种IC， 直接对连续可变的模拟量进行计算与处理
• 模拟集成电路的种类
– 根据输入、输出电压的变化关系分类
• 线性IC：输出信号随输入信号的变化成线性关系 • 非线性IC：具有非线性的传输特点 • 接口电路：AD/DA转换器
– 按工作频率分类
• 低频、高频、射频、微波、毫米波
cmos模拟集成电路设计_实验报告概论
北京邮电大学实验报告实验题目：cmos模拟集成电路实验姓名：何明枢班级：2013211207班内序号：19学号：2013211007指导老师：韩可日期：2016 年 1 月16 日星期六北京邮电大学电子工程学院2013211207班何明枢CMOS模拟集成电路与设计实验报告目录实验一:共源级放大器性能分析 (1)一、实验目的 (1)二、实验内容 (1)三、实验结果 (1)四、实验结果分析 (3)实验二:差分放大器设计 (4)一、实验目的 (4)二、实验要求 (4)三、实验原理 (4)四、实验结果 (5)五、思考题 (6)实验三：电流源负载差分放大器设计 (7)一、实验目的 (7)二、实验内容 (7)三、差分放大器的设计方法 (7)四、实验原理 (7)五、实验结果 (9)六、实验分析 (10)实验五：共源共栅电流镜设计 (11)一、实验目的 (11)二、实验题目及要求 (11)三、实验内容 (11)四、实验原理 (11)五、实验结果 (15)六、电路工作状态分析 (15)实验六：两级运算放大器设计 (17)一、实验目的 (17)二、实验要求 (17)三、实验内容 (17)四、实验原理 (21)五、实验结果 (23)六、思考题 (24)七、实验结果分析 (24)实验总结与体会 (26)一、实验中遇到的的问题 (26)二、实验体会 (26)三、对课程的一些建议 (27)实验一:共源级放大器性能分析一、实验目的1、掌握synopsys软件启动和电路原理图（schematic）设计输入方法；2、掌握使用synopsys电路仿真软件custom designer对原理图进行电路特性仿真；3、输入共源级放大器电路并对其进行DC、AC分析，绘制曲线；4、深入理解共源级放大器的工作原理以及mos管参数的改变对放大器性能的影响二、实验内容1、启动synopsys，建立库及Cellview文件。
2、输入共源级放大器电路图。
第一讲_模拟集成电路概述
模拟集成电路设计概述
学习模拟集成电路的正确方法
在模拟设计中，既不要过分追求精确的物理解释与计算，也不能用信号与系统 中的黑匣子方法，用纯粹的数学观点来分析。
• • • •
学习集成电路的设计，可以采用以下两种极端 的方法之一： 从量子力学开始，通晓固体物理学、半导体器 件物理学、器件模型，最后是电路设计； 把每个半导体器件都看成一个黑匣子，其行为 用它的端电压和端电流来描述，设计电路时很 少考虑器件的内部工作原理。 经验表明，这两种方法都不是最佳的。在第一 种方法中，人们看不到各种物理现象与所设计 电路之间的关系；而在第二种方法中，人们常 常对黑匣子的内容迷惑不解。
各门课程之间的联系
北京航空航天大学 电子信息工程学院
夏温博
18 69
模拟集成电路设计概述
北京航空航天大学 电子信息工程学院
夏温博
19 69
模拟集成电路设计概述
北京航空航天大学 电子信息工程学院
夏温博
20 69
模拟集成电路设计概述
北京航空航天大学 电子信息工程学院
夏温博
21 69
模拟集成电路设计概述
北京航空航天大学 电子信息工程学院
夏温博
50 69
模拟集成电路设计概述
北京航空航天大学 电子信息工程学院
夏温博
51 69
模拟集成电路设计概述
北京航空航天大学 电子信息工程学院
夏温博
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模拟集成电路设计概述
北京航空航天大学 电子信息工程学院
夏温博
53 69
模拟集成电路设计概述
北京航空航天大学 电子信息工程学院
北京航空航天大学 电子信息工程学院
模拟集成电路(课件)
−3
Φ B = Φ F (p ) − Φ F (n ) = 0.53 − (− 0.35) = 0.88V
P-N结耗尽区
耗尽区宽度：
⎤ ⎡ 2ε 0ε si Φ B NA xn = ⎢ ⎥ q N D (N A + N D )⎦ ⎣
1 2
⎤ ⎡ 2ε 0ε si Φ B ND xp = ⎢ ⎥ q N A (N A + N D )⎦ ⎣
– CAD
• 难以利用自动设计工具
模拟集成电路设计步骤
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。
层次设计
描述格式 设计 电路层次 系统 系统说明/仿真 Matlab、ADMS… 电路性能 netlist /simulation 版图布局 layout 参数化模块/单元 layout 行为模型 物理 模型
P-N结
• 讨论P-N结反偏和耗尽区电容对了解寄生电容是 十分重要的
– 假定P是重掺杂，N是轻掺杂。
E
P+
Xp Xn
N−
耗尽区
– 空穴从P扩散到N区，留下固定的负电荷。在N区同样 会留下固定的正电荷，在界面处建立了电场。 扩散电流 = 漂移电流
P-N结耗尽区
PN结内建势
kT N A N D Φ B = Φ F (p ) − Φ F (n ) = ln q n i2
半导体器件和模型
• 半导体PN结 • MOS器件
– 基本概念 – 阈值电压 – I/V特性 – 二级效应 – 器件模型
本征半导体
现代模拟集成电路技术课件
表8—1给出一些电流模运放的型号和主要参数， 供读者参考。
510 ui
510
＋ 15V
－ ＋
－ 15V
0.1μ
uo 0.1μ
(a)
GAI /NdB
12 G＝＋2
9 RL＝150Ω 6 RG＝RFB
US＝±15V
3 0 －3 －6
1M
US＝±5V
式(8—8)可改写为
1
CW
A j CW
I Cj
CCW
引入面积比系数λ，
Aj
CW
Aj
CCW
A Cj A Cj
CW
CCW
1
Aj
I Cj
(8—10) (8—11) (8—12)
8—1—2 跨导线性环——电流模电路举例
一、互补跟随输出级
互补跟随输出级电路如图8—2所示。由图可见，
X是一个由输入信号控制的系数。 该电路存在一个跨导线性环，由V1、V2、V3、V4组
成。现在我们来计算输出差模电流iod。 设各管发射区面积相同，λ=1，根据TL环原理，有
( 1－ X) ( I＋ IE ) i1
( 1＋ X) ( I＋ IE ) i2
V3
V4
( 1－ X) I
V1
V2
2IE
( 1＋ X) I
Ar
(s)
Uo(s) Ii (s)
RT 1sRTCT
若用开环差模电压增益表示，则
Au(s)
Uo(s) Ui (s)
Uo(s) Ii(s) Ri
RT Ri (1 sRTCT )
(8—33) (8—34)
8—2—2 电流模运放的典型电路 电流模运算放大器的典型电路如图8—7所示。
模拟集成电路设计
32
§3-5: 计算机仿真模型
四、几种模型跨导特性比较
第3章第6节
33
3.6 亚阈值电压区MOS模型 （特点：适合于亚阈区，即弱反型区）
§3-6:压阈值电压区MOS模型
34
亚阈值电压区MOS模型
（基于LEVEL3 模型）
指数律
平方律
VON VT fast
P79
§3-6:压阈值电压区MOS模型
en2
in2 gm2
8kT(1)
3gm
2
f
KF CoxWLK
'
f
(V 2 )
22
§3-3: 其他MOS管大信号模型的参数
三、噪声
1.均方噪声电流
2.等效输入均方电压噪声
en2
in2 gm2
8kT(1)
3gm
2
f
KF CoxWLK
'
f
(V 2 )
3.等效输入均方电压噪声简化表示
en2q
小的几何尺寸引起的二阶效应 P75
1.漏级电流
iDS
BETA vGS
VT
(1 fb 2
)vDE vDE
2.阈值电压
VT
Vbi
(
ETA 8.141022 Cox L3EFF
)vDS
GAMMA
fs (PHI vSB )1/2
fn (PHI vSB )
3.饱和电压
vsat
vgs VT 1 fb
g m
gds
g0
ID 1 VDS
ID
26
§3-4: MOS管的小信号模型
27
§3-4: MOS管的小信号模型 2.均方噪声电流
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Matching growing concern in memories Interface between two high-performance digital circuits
模拟和数字电路电子系统
数字电路核心CPU、DSP、Memory、时钟和电源管理
模拟信号处理信号调理、放大、滤波、数据转换电路
模拟集成电路与系统应用
集成传感器系统
传感器感知或探测模拟信号 声音（麦克风、超声波系统）、力（地震仪、加速度计）、热 （电子温度计）、光（数码相机）、磁（磁盘驱动） 探测器感知的信号很弱
麦克风、地震仪的电压：几毫伏~几百毫伏 视频照相机的电流：每毫秒几个电子
探测器信号处理电路
放大、滤波、数据转换、信号处理、信号传输
计算机模拟易于仿真在最坏条件下的电路性能
验证电路在各种最坏条件下的性能和功能
模拟信号带宽的关系
对模拟电路而言，不同的应用对于不同的信号带宽 模拟——射频——微波 （是否包含电感？）
集成电路工艺趋势—是为什么CMOS？
“Digital world” Bipolar MOS 射频模拟
工艺进化对模拟电路的影响
难以利用自动设计工具
CAD
模拟集成电路设计的特点
直观的设计
模拟设计的复杂性
设计参数多
速度、功耗、增益、精度、电源电压、线性度等参数 不同参数间的折中
设计难度大
高性能电路设计难点 噪声、串扰、电源电压下降等 温度对性能的影响大
器件二级效应对性能的影响大
模拟电路二级效益的建模和仿真存在难题。 仿真不能发现所有设计问题
In many applications, analog is in the critical path
Sensors and actuators (e.g., MEMS) optical communications
Digital signals have analog characteristics too…
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。
混合信号电路设计
Many building blocks involve analog and digital circuit co-design
模拟集成电路
Cost/function下降可以忽略 设计更困难
电源电压下降的太低、器件增益低、噪声大、匹配更差…
模拟集成电路会“消失”？
模拟集成电路存在的理由
The “real” or “physical” world is analog
Analog is required to interface to just about anythingADC、DAC
模拟集成电路的应用
汽车电子应用——加速度计
探测可变电容器的改变量：1% 探测单电容值的改变 探测单电容之差的改变
MEMS Accelerometer
模拟集成电路的应用
数字通信应用
数字信号经过传输后模拟信号 有线通讯——电缆传输
衰减、串扰、回波…
模拟集成电路存在的理由
可变增益放大器(VGA)：
低通滤波器(low-pass filter)：
低通滤波器的频率响应
调节Gm-C滤波器频率响应的方法
对电容值C进行数字控制——可编程 对跨导Gm进行调节：
单极点低通Gm-C滤波器 Gm由偏置电流或电压确定，易受工艺、温度和电源电压变化的影响
低通滤波器的频率响应
2 2
1 L
L L
2
假定
V DS
ID
1 2
n C ox
W L
V GS
V TH
2 1 V DS
V DS V eff V DS
, L
定义VE，VE是工艺参数
1 VA 1 VE L
短沟道效应使λ随VDS改变 ID和VDS有关，不是一个恒定电流源
V TH V DS
V GS
1
n C ox
V GS
V TH
MOS晶体管的电流方程
饱和区
I D I D , max 1 2
V DS V GS V TH
n C ox
W L
'
V GS
V TH
2
工艺跨导参数 跨导参数
k n C ox
n C ox
模拟集成电路的特点和应用
模拟集成电路的定义
什么是模拟电路？ 模拟信号
经典教材: P.R.Gray “Analysis and Design of Analog Integrated Circuits” 仅对模拟集成电路而言，特别是针对数模混合集成电路设计
ห้องสมุดไป่ตู้
模拟信号的采样信号
模拟集成电路设计
W L
过驱动电压 V eff V GS V TH
MOS晶体管的I-V特性
电流源
饱和区时，由于电流近似恒定，MOS构成电流源
MOS晶体管的工作区
VDS与工作区
沟道长度调制
L eff L L
L L
1 L
1 L eff
1 L L
L L L L
PLLs, ADCs, etc. Sometimes hard to even distinguish between analog and digital
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。
例子:
Interface between two digital chips
Is received bit a “1” or a “0”?
Analog circuits critical for receiving bits correctly
模拟集成电路的应用
采用多电平信号降低所需的带宽
解决方法：直观和经验设计
鲁棒设计
鲁棒设计
电路性能随工艺、电源电压、温度而变化
器件模型参数的改变
阈值电压、二级效应等导致参数改变 工艺角参数 TT、FF、SS、FNSP、SNFP
电源电压对器件工作区的影响
电压变化范围：20%
温度的范围
室温：25度、或50度 民品、军品
MOS晶体管
特点：
一种载流子导电，是电压控制器件 MOS器件的源和漏端在几何上是等效的
MOS晶体管
特点
MOS器件是四端器件 有NMOS、PMOS两种器件
衬底端电平使PN结反偏。 NMOS共享一个衬底端，PMOS有各自的衬底端。
MOS晶体管符号
MOS器件简图
MOS符号
MOST IDS versus VGS and VDS
测试和产品开发
测试和验证
产品生产
集成和分立模拟电路的不同之处
器件制备在同一衬底上
器件具有相似的性能参数，易于匹配。 器件参数由几何尺寸决定。
器件的品种和参数的限制
无源器件的面积大、参数的范围小、精度差。 MOS工艺中的Bipolar晶体管的品种少、性能差。
采用计算机仿真验证
无法用电路试验板验证。 计算机验证的直观性差，受仿真方法和器件参数的影响大。
高速的时钟 高速的数据传输 寄生效应对性能的影响
SRAM、DRAM
高速的数据读写 储存单元阵列造成的寄生 灵敏的读出电路
模拟信号处理
首先确定系统中的模拟和数字部分的划分
系统分成三个模块
预处理模块(接收端)：将模拟信号转变为数字信号 数字处理模块：数字信号处理（DSP） 后处理模块（发送端）：将数字信号转换为模拟信号
模拟和数字集成电路的区别
电路的不同
模拟小信号—数字大信号； 不规则的形状—规则的形状
电路级—系统级 全定制—标准单元
设计层次
设计方法
器件参数的影响
器件参数的连续性—固定； 精确的模型—时序模型； 设计优化（trade-off / robusting）— 软件编程 动态范围（Dynamic range ）受电源/噪声限制—没有限制
系统中的模拟电路
预处理模块：
输入信号：传感器输出、语音信号、射频信号等 滤波器(filter)：根据采样原理，限制输入模数转换器的信号带宽。 自动增益控制电路(AGC)：控制模数转换器的输入信号的幅度，是 一个可控增益放大器。 模数转换器(ADC或 A/D)：将模拟信号转换为数字信号。 频率综合器或锁相环(PLL)：提供信号采样的精确时钟。
磁盘驱动器中的模块电路（3）