CMOS集成电路设计手册（第3版·模拟电路篇） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

内容简介

　　《CMOS集成电路设计手册》讨论了CMOS电路设计的工艺、设计流程、EDA工具手段以及数字、模拟集成电路设计，并给出了一些相关设计实例，内容介绍由浅入深。该著作涵盖了从模型到器件，从电路到系统的全面内容，是一本专业的、综合的CMOS电路设计的工具书及参考书。
　　《CMOS集成电路设计手册》是英文原版书作者近30年教学、科研经验的结晶，是CMOS集成电路设计领域的一本力作。《CMOS集成电路设计手册》已经过两次修订，目前为第3版，内容较第2版有了改进，补充了CMOS电路设计领域的一些新知识，使得本书较前一版内容更加详实。
　　为了方便读者有选择性地学习，将《CMOS集成电路设计手册》分成3册出版，分别为基础篇、数字电路篇和模拟电路篇，本书为模拟电路篇，介绍了电流源、电压源、放大器、数据转换器等电路的设计与实现。
　　《CMOS集成电路设计手册(第3版·模拟电路篇)》可以作为CMOS模拟电路知识的重要参考书，对工程师、科研人员以及高校师生都有着较为重要的参考意义。

作者简介

R.Jacob(Jake)Baker是一位工程师、教育家以及发明家。他有超过20年的工程经验并在集成电路设计领域拥有超过200项的专利。Jake也是多本电路设计图书的作者。

内页插图

目录

目　录

第1章　电流镜　1
1．1　基本电流镜　1
1．1．1　长沟道设计　1
1．1．2　电流镜中的电流匹配　3
1．1．3　电流镜的偏置　8
1．1．4　短沟道设计　15
1．1．5　温度特性　19
1．1．6　亚阈值区的偏置　23
1．2　共源共栅电流镜　24
1．2．1　简单共源共栅　24
1．2．2　低压(宽摆幅)共源共栅　27
1．2．3　宽摆幅短沟道设计　30
1．2．4　调节漏极电流镜　33
1．3　偏置电路　35
1．3．1　长沟道偏置电路　35
1．3．2　短沟道偏置电路　38
1．3．3　小结　40

第2章　放大器　45
2．1　栅-漏短接有源负载　45
2．1．1　共源放大器　45
2．1．2　源跟随器(共漏放大器)　58
2．1．3　共栅放大器　59
2．2　电流源负载放大器　60
2．2．1　共源放大器　60
2．2．2　共源共栅放大器　75
2．2．3　共栅放大器　79
2．2．4　源跟随器(共漏放大器)　79
2．3　推挽放大器　88
2．3．1　直流工作与偏置　89
2．3．2　小信号分析　91
2．3．3　失真　93

第3章　差分放大器　101
3．1　源端耦合对　101
3．1．1　直流工作　101
3．1．2　交流工作　108
3．1．3　共模抑制比　111
3．1．4　匹配考虑　114
3．1．5　噪声　116
3．1．6　压摆率限制　　117
3．2　源端交叉耦合对　117
电流源负载　121
3．3　共源共栅负载(套简式差分放大器)　123
3．4　宽摆幅差分放大器　126
3．4．1　电流差分放大器　127
3．4．2　恒定跨导差分放大器　128

第4章　电压基准源　135
4．1　MOSFET-电阻型电压基准源　135
4．1．1　电阻-MOSFET型分压器　136
4．1．2　MOSFET型分压器　139
4．1．3　自偏置电压基准源　140
4．2　寄生二极管型基准源　147
4．2．1　长沟道BGR设计　151
4．2．2　短沟道BGR设计　158

第5章　运算放大器I　165
5．1　二级运放　165
5．2　带输出缓冲器的运算放大器　186
5．3　运算跨导放大器　190
5．4　增益提升　203
5．5　几个实例及讨论　207

第6章　动态模拟电路　225
6．1　MOSFET开关　225
6．2　全差分电路　232
全差分采样-保持　234
6．3　开关电容电路　238
开关电容积分器　240
开关电容积分器的精确频率响应　245
6．4　电路实例　249

第7章　运算放大器　II　259
7．1　基于功耗和速度的偏置选择　259
7．1．1　器件特性　260
7．1．2　偏置电路　261
7．2　基本概念　263
7．3　基本运算放大器设计　272
7．4　采用开关电容CMFB的运算放大器设计　292

第8章　非线性模拟电路　　307
8．1　基本CMOS比较器的设计　307
8．1．1　对比较器进行表征　313
8．1．2　钟控比较器　316
8．1．3　再讨论输入缓冲器　317
8．2　自适应偏置　318
8．3　模拟乘法器　321
8．3．1　四管乘子(Multiplying Quad)　322
8．3．2　采用平方电路实现乘法器　326

第9章　数据转换器基础　329
9．1　模拟信号和离散时间信号　329
9．2　模拟信号转换为数字信号　330
9．3　采样-保持的性能指标(Sample and Hold，S/H)　332
9．4　数模转换器的性能指标　335
9．5　模数转换器的性能指标　344
9．6　混合电路的版图问题　354

第10章　数据转换器结构　361
10．1　DAC的结构　361
10．1．1　数字输入编码　361
10．1．2　电阻串型DAC　362
10．1．3　R-2R梯形网络型DAC　366
10．1．4　电流导引型DAC　369
10．1．5　电荷比例型DAC　373
10．1．6　循环型DAC　377
10．1．7　流水线型DAC　378
10．2　ADC的结构　379
10．2．1　全并行型ADC　380
10．2．2　两步全并行型ADC　384
10．2．3　流水线型ADC　388
10．2．4　积分型ADC　391
10．2．5　逐次逼近型ADC　395
10．2．6　过采样型ADC　400

第11章　数据转换器实现　415
11．1　DAC的R-2R技术　415
11．1．1　电流模R-2R DAC　416
11．1．2　电压模R-2R DAC　417
11．1．3　宽摆幅电流模R-2R DAC　419
11．1．4　不采用运算放大器时的拓扑　431
11．2　数据转换器中使用运算放大器　437
11．2．1　运算放大器增益　439
11．2．2　运算放大器单位增益频率　440
11．2．3　运算放大器失调　441
11．3　ADC实现　444
11．3．1　S/H的实现　444
11．3．2　循环ADC　450
11．3．3　流水线ADC　458

第12章　反馈放大器　489
12．1　反馈方程　489
12．2　放大器设计中负反馈的特性　490
12．2．1　增益的倒灵敏度　491
12．2．2　扩展带宽　491
12．2．3　减小非线性失真　493
12．2．4　输入和输出阻抗控制　493
12．3　识别反馈拓扑结构　494
12．3．1　输入混合　495
12．3．2　输出采样　496
12．3．3　反馈网络　496
12．3．4　计算开环参数　500
12．3．5　计算闭环参数　501
12．4　电压放大器(串联-并联反馈)　502
12．5　跨阻放大器(并联-并联反馈)　508
用栅-漏电阻构成简单反馈　514
12．6　跨导放大器(串联-串联反馈)　517
12．7　电流放大器(并联-串联反馈)　521
12．8　稳定性　523
返回比　526
12．9　设计实例　529
12．9．1　电压放大器　529
12．9．2　一个跨阻放大器　532

附录　543
量纲　543
物理常量　543
平方律公式　544

前言/序言

《CMOS集成电路设计手册（第3版·模拟电路篇）》图书简介 概述 《CMOS集成电路设计手册（第3版·模拟电路篇）》是一本全面而深入地探讨CMOS模拟集成电路设计理论、技术与实践的权威指南。本书由业界资深专家倾力编著，旨在为电子工程专业学生、研究人员以及从事模拟集成电路设计和开发工作的工程师提供一套系统、实用、前沿的设计知识体系。第三版在原有基础上，紧密结合当前CMOS技术的发展趋势和市场需求，对内容进行了大幅度的更新与拓展，尤其是在高性能、低功耗、高精度等关键领域，融入了最新的设计理念、器件模型和实用技巧。 本书的独特之处在于其理论与实践的完美结合。它不仅详细阐述了CMOS模拟电路设计背后的基本原理和物理机制，更通过大量的实例分析、设计流程指导和实际工程考量，帮助读者将理论知识转化为解决实际设计问题的能力。从器件特性分析到复杂系统级设计，本书层层递进，覆盖了模拟集成电路设计的各个关键环节，为读者构建了一个扎实而全面的知识框架。 内容亮点与深度解析 本书内容极为详实，以下将从几个核心维度进行深度解析： 第一部分：CMOS器件模型与特性分析 深入理解MOSFET工作原理： 本部分将从物理层面出发，详细剖析MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）的各种工作模式，包括亚阈值区、线性区和饱和区。重点关注其电荷分布、电流-电压特性、跨导、输出电阻等关键参数如何随工艺参数（如栅长、栅宽、氧化层厚度、掺杂浓度等）以及偏置电压的变化而变化。 先进工艺下的器件模型： 随着CMOS工艺节点的不断缩小，MOSFET的短沟道效应、量子效应、热电子效应、以及各种寄生效应变得日益显著。本书将详细介绍并分析这些效应在现代工艺中的表现，并提供相应的等效电路模型和参数提取方法。特别地，会探讨BSIM等高级模型的应用，以及如何利用Spice等仿真工具进行精确建模和仿真。 噪声特性分析： 噪声是模拟电路设计中不可回避的重要挑战。本书将系统讲解CMOS器件中的主要噪声源，包括热噪声、闪烁噪声（1/f噪声）和散粒噪声。深入分析这些噪声如何影响电路的性能，并提供评估和降低噪声的各种策略，例如器件尺寸优化、偏置点选择、差分结构设计等。 匹配特性分析： 在差分电路、电流镜等模拟模块中，器件的匹配性能至关重要。本书将深入探讨导致器件失配的物理机制，如随机失配和系统性失配。重点介绍减小失配影响的设计技术，包括器件版图设计（如中心对称、共质心）、尺寸选择、以及采用对失配不敏感的电路结构。 第二部分：基本模拟电路模块设计 有源负载与电流镜： 本部分将详细讲解各种CMOS有源负载和电流镜电路的设计。从简单的二极管连接负载到更复杂的电流镜（如威尔逊电流镜、镜像电流镜），深入分析其精度、输出阻抗、动态范围和噪声性能。特别会讨论如何设计高性能的电流镜以实现精确的电流传输和高输出阻抗，这对于后续放大器、滤波器等模块的设计至关重要。 差分放大器： 差分放大器是模拟集成电路中最基础也是最重要的电路单元之一。本书将全面介绍单级和多级差分放大器的设计。详细阐述共模抑制比（CMRR）、开环增益、单位增益带宽（GBW）、压摆率（Slew Rate）、输出动态范围（ODR）等关键性能指标的计算与优化。会涵盖各种差分对的输入级设计，如NMOS输入、PMOS输入、双差分对等，并分析它们各自的优缺点。 运算放大器（Op-amp）设计： 运算放大器是模拟电路设计的“基石”。本书将深入探讨各种类型的CMOS运算放大器设计，包括两级、三级以及零级移相补偿的运算放大器。详细分析其稳定性问题，各种补偿技术（如密勒补偿、极点零点补偿）的原理和应用。重点会放在高增益、宽带宽、低功耗、高输出驱动能力等性能指标的权衡与实现。会详细介绍如何设计前馈补偿、反向跨导（GBW）提升等高级技术。 滤波器设计： 滤波器是信号处理中不可或缺的组成部分。本书将重点介绍CMOS工艺下模拟滤波器的设计，包括电阻-电容（RC）滤波器、主动RC滤波器、以及基于运算放大器和电容阵列的开关电容滤波器。详细分析各种滤波器类型（如巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔）的传递函数和设计流程。会重点介绍如何在高Q值、低功耗、可调谐性等方面进行优化。 数据转换器基本原理与基础模块： 虽然本书主要聚焦模拟电路，但会为理解数据转换器（ADC/DAC）打下基础。介绍其核心组件，如采样保持电路（S/H）、基准电压源、简单的DAC结构（如权流DAC、权衡DAC）以及ADC的基本工作原理。 第三部分：高级模拟电路与系统设计 带隙基准电压源： 稳定、精确的基准电压源对于大多数模拟电路至关重要。本书将详细讲解CMOS工艺下各种带隙基准电压源的设计，包括利用PN结的负温度系数（NTC）和MOSFET的PMOS电流的PTC特性叠加，实现温度补偿。深入分析各种实现方式的优缺点、功耗、启动电路以及噪声抑制技术。 低压差（LDO）稳压器： 随着器件电压的降低，LDO稳压器变得越来越重要。本书将详细讲解CMOS LDO稳压器的设计，包括误差放大器、参考电压、功率输出级以及补偿网络的优化。重点会放在高电源抑制比（PSRR）、瞬态响应、低输出噪声以及低压差工作模式的实现。 锁相环（PLL）与延迟锁环（DLL）基础： PLL和DLL是许多现代电子系统中实现时钟同步、频率合成和抖动抑制的关键模块。本书将介绍它们的组成原理，包括鉴相器、电荷泵、压控振荡器（VCO）/压控延迟线（VCDL）、以及环路滤波器。重点分析其锁定范围、锁定时间、相位噪声以及抖动性能。 噪声与失真分析与抑制： 在更高性能的模拟电路设计中，噪声和失真分析变得尤为重要。本书将深入探讨电路的噪声累加效应，分析各种失真成分（如谐波失真、互调失真）的产生机理，并提出有效的抑制策略，如采用差分结构、优化偏置、降低信号幅度、选择合适的器件等。 电源完整性与信号完整性考量： 在高频和高速设计中，电源和信号的完整性直接影响电路的性能和可靠性。本书将讨论在CMOS模拟电路设计中，电源退耦、寄生参数对信号的影响，以及如何进行初步的信号完整性分析。 第四部分：设计流程、工具与版图考虑 CMOS工艺介绍与器件选择： 本部分将简要介绍CMOS工艺的发展历程和关键特性，帮助读者理解不同工艺节点对模拟电路设计的制约和影响。重点在于如何根据电路性能需求，选择合适的工艺型号和器件类型，例如选择高压管、高GM管、低噪声管等。 仿真与验证： 详细介绍使用主流EDA工具（如Cadence Spectre, Synopsys HSPICE等）进行模拟电路仿真的流程和技巧。包括DC分析、AC分析、瞬态分析、噪声分析、失真分析等。强调仿真结果的解读与验证，以及如何通过仿真来优化电路设计。 版图设计与寄生效应： 版图设计是模拟集成电路实现的关键环节。本书将深入讲解版图设计中的基本原则，如器件匹配、衬底噪声隔离、寄生电容和电感的考虑、信号走线等。重点阐述版图寄生效应如何影响电路性能，以及如何通过版图技巧来减小这些影响。 可制造性设计（DFM）与可测试性设计（DFT）： 介绍在设计过程中应考虑的可制造性问题，如工艺变异的鲁棒性、避免易损坏的结构等。同时，也会触及初步的可测试性设计思路，以便于后续的测试验证。 本书特色与读者收益 权威性与前沿性： 由行业内顶尖专家审慎编写，内容基于最新的CMOS技术发展和设计实践，确保了知识的权威性和前沿性。 系统性与全面性： 涵盖了CMOS模拟集成电路设计从基础理论到高级应用的全过程，构建了一个完整、深入的学习体系。 实践性与指导性： 大量结合实际工程经验，通过实例分析和设计流程指导，帮助读者将理论知识转化为解决实际问题的能力，缩短学习周期，提高设计效率。 易读性与层次性： 内容组织逻辑清晰，循序渐进，从基础概念到复杂模块，使不同层次的读者都能从中获益。 参考价值高： 作为一本设计手册，本书提供了丰富的设计公式、性能指标计算方法、器件模型以及设计技巧，是工程师日常工作的宝贵参考资料。 目标读者 高等院校电子工程、微电子学、通信工程等专业的学生： 是学习和深入理解CMOS模拟集成电路设计的理想教材。 从事模拟集成电路设计、验证、版图实现的工程师： 能够帮助其巩固基础、拓展视野，解决实际设计中的难题。 对模拟集成电路设计感兴趣的研究人员： 为其提供深入研究的理论基础和实践指导。 产品规划和市场技术支持等相关岗位人员： 能够帮助其更好地理解产品技术原理和市场需求。 《CMOS集成电路设计手册（第3版·模拟电路篇）》将是您在CMOS模拟集成电路设计领域不断探索与进步的坚实伙伴。