模拟集成电路中的基本元器件-清华大学模拟集成电路分析与设计.

清华大学微电子学研究所Feb. 25, 2008模拟集成电路分析与设计课程概况z微电子学专业核心课程之一z3学分48学时：每周3学时X16周z目标：培养学生具有初步的模拟集成电路分析能力和设计能力，了解模拟集成电路基本模块的分析方法和设计过程z上课时间：每周一上午第二大节（9：50～12：15）z上课地点：六教6A301z习题课：四次习题课习题课z答疑时间：周三下午2：00～3：30z答疑地点：任课教师办公室答疑地点教材与参考书z教材：Behzad Razavi，“Design of Analog CMOSIntegrated Circuits”, 西安电子科技大学出版社英版中版（英文影印版或者中文版），2001年池保勇,“模拟集成电路分析与设计”,（编写中）z参考书：P R Gray“Analysis and Design of AnalogP.R. Gray, Analysis and Design of AnalogIntegrated Circuits”, Fourth Edition，高等教育出版社英文影印版或者中文版，2001年()P.E. Allen, “CMOS Analog Circuit Design”,Second Edition, 电子工业出版社，2002年,课程内容CMOS电路为主，适当介绍Bipolar电路考核z总原则：学到东西、相对公平总原则学到东西相对公平z平时表现（5％）＋作业（10％）＋课程设计（25％）＋期中考试（开卷，25％）＋期末考试（闭卷，35％）试（闭卷z作业：10次作业，每次1分z课程设计：设计思路和结果、口头报告及文档z期中考试：开卷考试(Lecture 1-7)期中考试(Lecture17)z期末考试：闭卷考试(期中考试后的内容)课程设计z课程设计全差分运算放大器的设计（第十四周前递交中期进展报告、第十六周前完成全部电路设计）z三人为一组，根据项目水平以及各人贡献给分人为组，根据项目水平以及各人贡献给分z时间：课后完成，16周习题课上作口头报告（5分钟）,期末考试后提交完整书面设计报告z提供的资源：SUE安装文件和帮助文档（画电路图）、Hspice安装文件、Hspice完整的帮助文档、Hspice的简单帮助文档（中文）、仿真工艺库文件、库文件使用说明、课程设计说明文件Hspice ToolBox明文件、Hspice ToolBox（与Matlab的接口文件）及部分数据后处理源文件模拟集成电路概要（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）放大器基础模拟信号与数字信号集成电路与分立电路SUN华硕P5K-E/WIFI-AP主板P5K E/WIFI AP集成电路与分立电路模拟集成电路概要（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）放大器基础模拟电路分析与设计z电路分析：已知电路拓扑结构和元器件尺寸的基础上应用简单、但足器件尺寸的基础上应用简单但足够精确的元器件模型来分析该电路所具有的各种性能z电路设计：根据一组给定的性能指标设计出满足指标要求的路拓标，设计出满足指标要求的电路拓扑结构并确定各种元器件的尺寸z电路分析是电路设计的前提和基础电路分析可以帮助设计者增强电路知识，了解各种拓扑结构的优势和缺点，为设计者选择合适的电路结构提供参考电路分析是进行电路设计的前提，只有对电路进行了全面的分析，设计者才能明确如何在各种设计指标之间进行权衡，明确如何在各种设计指标之间进行权衡从而确定各元器件的尺寸模拟电路的基本分析方法z基尔霍夫电压定理：任何个电路环路上基尔霍夫电压定理：任何一个电路环路上的各元器件电压降之和等于0模拟电路的基本分析方法（续）z基尔霍夫电流定理：在电路中流进某个节点各支路等点的各支路电流之和等于0模拟电路的基本分析方法（续）z欧姆定理：电阻上的压降等于电流乘以该电阻的阻值欧姆定理电阻上的压降等于电流乘以该电阻的阻值模拟电路的基本分析方法（续）z戴维营诺顿电源等效定理：如果个网络不包含非线性戴维营－诺顿电源等效定理：如果一个网络不包含非线性受控源和非线性元件，则向该网络的输出端口看过去，网络的行为都可以等效为一个电压源和一个阻抗的串联，也可以等效为该阻抗和一个电流源的并联，该阻抗等于向该网络输出端看过去的输出阻抗，电压源等于该端口上的开路电压，而电流源的大小等于该端口的短路电流路电压而电流源的大小等于该端口的短路电流模拟电路的基本分析方法（续）z电路分析基本步骤析本步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，要注意交流与画小信号等效电路（在这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）模拟电路的基本分析方法（续）z上述求解过程可能会很复杂，得到的结果可能不能揭示结果能不能揭示电路的本质特征z在课程的学习中，在课程的学习中需要培养对模拟电路的直观分析能力，只有这样，在分析较复杂电路时，才能抓住电路的主要特征，简化分析过程，而且可以更好程而且可以更好的理解电路并用以指导电路的具体设计过程模拟集成电路的设计流程模拟集成电路设计的难点z数字电路：离散信号；模拟电路：连续信号数字电路离散信号模拟电路数字电路速度与功耗；模拟电路速度z数字电路：模拟电路：速度、功耗、增益、精度、线性度、电源电压等z模拟电路对噪声、串绕、其它干扰等更敏感z模拟电路受到元器件二阶效应的影响z EDA工具支持力度不如数字电路z模拟电路的建模与仿真存在困难z现代工艺针对数字电路优化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z声音信号、图像信号、生物信号、地震信号等z特点：动态范围大，带外干扰强数字通信数字信号恢复多级信号处理¾级数与带宽磁盘驱动器头读取制信转化为信号 磁头读取二进制信息，转化为电信号 含有强噪声成分与失真无线收发机z无线接收机微弱信号、强干扰、高频微弱信号强干扰高频z无线发射机输出强信号、高频光纤通信z高速、宽带信号（10－40Gbps）传感器z传感器各种传感器感知外界信号加速度计高速数字设计z微处理器与存储器、高速数字设计时钟分布与重定时互连线延迟、封装寄生、衬底耦合存储器中的灵敏放大器z高速数字设计本质上就是模拟设计分频器/计数器⋅K+=NPS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）放大器基础直流信号z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z交流信号：随时间变化的信号电路中任何个节点的信号如果随时间会发生变化，则该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交流分析是用不同频率的正弦型信号（平均值为0）激励电路，确定电路中各节点对不同频率激励信号所发生的响应的过程由于任何一个交流信号均可等效为不同幅度、不同频率正弦型信号的加权求和，因此模拟电路中通常说的交流信号指的就是平均值为0的正弦型信号一旦采用交流分析方法确定了电路对不同频率正弦型信号的响应，采用叠加定理就可以确定该电路对不同波形信号的响应电路节点信号分析z电路中任何个节点的信号等于该节点的电路中任何一个节点的信号等于该节点的直流信号与该节点的交流信号之和z先采用直流分析方法确定电路中各节点的直流信号（直流工作点），在这一步中假设所有的交流激励信号源均等于0z再采用交流分析方法来得到电路中各节点的交流信号，在这一步中假设所有的直流将两次分析的结果加激励信号源均等于0，将两次分析的结果加在一起，就是该节点的总信号小信号分析z小信号分析：当各节点的交流信号幅度足够小，对电路直流工作点的扰动影响近似可以忽略时可以采用的一种分析方法z大信号分析：当各节点的交流信号幅度很大，对电路直流工作点的扰动影响不可忽略时要采用的分析方法a是一个只与电路的静态工作点相关的参数，它是电路传输曲线在静态工作点Q处的斜率静斜率知道了电路的静态工作点信息，就可以确定a的大小在静态工作点周围，电路的输出信号与输入信号之间的关系就由a唯一确定，这样给电路分析和设计带来很大方便小信号分析与大信号分析z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。

模拟电子技术基础知识电路的基本元件介绍模拟电子技术是电子工程中的重要分支，广泛应用于电子设备的设计与制造。

而电路作为模拟电子技术的核心，构成了各种电子设备的基础。

本文将介绍模拟电子技术中常见的电路基本元件，包括电阻、电容、电感和晶体管。

电阻是电路中最基本也是最常见的元件之一。

它的主要作用是阻碍电流的通过，将电能转化为热能。

电阻分为固定电阻和变阻器两种类型。

固定电阻的电阻值是固定的，常用颜色环标识法进行标记。

而变阻器可以通过调节电阻滑动装置改变电阻值，灵活性更强。

电容是模拟电子技术中另一个重要的基本元件。

它能够存储电荷，并根据电压的变化来释放或吸收电能。

电容分为固定电容和可调电容两种类型。

常见的固定电容有陶瓷电容、钽电容和铝电解电容等。

可调电容常用于需要频繁调整电容值的电路中，例如无线电接收器。

电感是一种能够储存磁能的元件。

它是由线圈或线圈的组合构成的。

电感的主要作用是储存电流，并抵抗电流变化。

电感常用于滤波器、振荡器和放大器等电路中。

根据线圈的结构和原理不同，电感可分为空心电感、铁芯电感和磁性存储器等类型。

晶体管是模拟电子技术中最重要的元件之一，它是电子技术发展的里程碑。

晶体管具有放大、开关和稳压等功能，广泛应用于放大器、数码电路和通信系统等领域。

根据不同的原理和结构，晶体管分为三极管、场效应晶体管和双极型晶体管等多种类型。

除了以上介绍的电路基本元件外，还有一些其他重要的元件，如二极管、功率放大器、运算放大器等。

它们在不同的电子电路中发挥着重要的作用，以满足各种不同应用的需求。

总结起来，模拟电子技术基础知识中的电路基本元件包括电阻、电容、电感和晶体管等。

这些元件各自具有独特的功能和特点，在电子设备的设计和制造中起到至关重要的作用。

熟悉和掌握这些基本元件的特性，对于理解和应用模拟电子技术至关重要。

通过不断学习和实践，我们能够深入理解电路基本元件，并能够灵活运用它们来设计和改进各种电子电路。

第三章 单管放大器的分析与设计本章首先以电阻作负载的共源放大器为例，讨论了对电路进行大信号分析与低频小信号分析的方法，说明了大信号分析与小信号分析的区别与联系，并详细介绍了频率响应的近似分析方法和噪声分析方法；在以上介绍的基础上，详细讨论了基于G m /I D 设计流程的共源放大器的设计流程，该设计流程能指导设计工程师快速地进行初始设计，对模拟电路的设计具有很重要的指导意义；然后我们讨论了其它的单管放大器结构，包括有源负载共源放大器、源简并共源放大器、共栅放大器和源极跟随器，重点讨论了每种单管放大器的基本特性（包括大信号特性、小信号特性或频率特性）。

通过本章的介绍，读者可以掌握基本的模拟电路分析方法，能够对简单电路的大信号特性、小信号特性、频率特性和噪声特性进行分析，并了解各种单管放大器的基本特点。

本章所介绍的G m /I D 设计流程是一种较好的模拟集成电路设计流程，通过本章的介绍，读者可以基本了解基于G m /I D 流程的设计方法，可以进行简单的单管放大器集成电路的设计。

3.1 电阻做负载的共源放大器图3-1给出了一个电阻作负载的共源放大器的电路图。

输入电压信号V i 输入到MOS 管的栅极，经MOS 管转化为漏端的电流信号I d ，该电流流过负载电阻R D 后在电阻上产生一个压降，输出电压信号从MOS 管的漏端取出，其值为：o DD d D V =V -I R (3.1)当输入电压信号V i 变化时，I d 跟着变化，导致输出电压V o 发生变化，完成放大功能。

下面我们来分析这个简单电路的大信号特性和小信号特性。

图 3-1电阻作负载的共源放大器的电路图 3.1.1共源放大器的大信号分析图3-1所示的电阻作负载的共源放大器，它的大信号转移曲线（即输出电压与输入电压的关系曲线）如图3-2所示。

输入电压V i 从零开始增加，只要输入电压V i 小于晶体管的阈值电自编教材试行本勿扩散压V t ，MOS 管就工作于截止区，流过晶体管漏端的电流为0，输出电压V o 等于电源电压V DD ，即i t o DD V V V V <⇒= (3.2)图3-2 共源放大器的大信号转移曲线当输入电压V i 增加到大于MOS 管的阈值电压V t 时，MOS 管开始导通，有电流流过负载电阻R D ，导致输出电压V o 开始下降。

模拟集成电路中的基本元器件提要z MOS管概述、基本工作原理、大信号特性、管概本作大信特性电容特性小信号等效模型非想效应电容特性、小信号等效模型、非理想效应、描述MOS管性能的电路参数z双极晶体管的大信号特性、小信号等效模双极晶体管的大信号特性小信号等效模型z集成电阻器z集成电容器MOS 管概述、基本工作原理、大信号特性电容特性小信号等效模型z B.Razavi,“Design of Analog CMOS 性、电容特性、小信号等效模型,g g Integrated Circuits”,§2.1、§2.2、§2.4MOS管概述耗尽型器件NMOS：B接V SSPMOS：B接V DDMOS管概述MOS管的基本工作原理MOS管的基本工作原理（续）MOS管的基本工作原理（续）MOS管的基本工作原理（续）MOS管的大信号特性MOS管的电容效应CWLMOS管的电容效应MOS管的常用小信号模型（饱和区）MOS管的完整小信号模型MOS管的非理想效应y,y gz P.R.Gray,“Analysis and Design of Analog Integrated Circuits”,§1.7、§1.8v E c≈MOS 管的电压限制z pn 结击穿：漏－衬底pn 结由于雪崩效应而击穿，非破坏性z 源漏穿通：源漏极的耗尽区相连，电流逐渐增加，非破坏性z 热载流子：由于水平或垂直电场的作用，热载流子获得足够的速度注入氧化层增加栅电流改变阈获得足够的速度注入氧化层，增加栅电流，改变阈值电压，破坏性氧化层击穿z 氧化层击穿：垂直场，破坏性，ESD 保护cm V cm V /107~/10666××描述OS管性能的电路参数MOS结果说明MOS 晶体管的特征频率11()i gs gd v i C C s=+m T g C ω=1m g =v g i ≈C +2T f C C π+()()()j j i j C C j βωωωω===+i gs gd特征频率仿真结果说明道2z 长沟道、饱和区：m o ov g r V λ=结果说明描述MOS管性能的电路参数提要z MOS管概述、基本工作原理、大信号特性、管概本作大信特性电容特性小信号等效模型非想效应电容特性、小信号等效模型、非理想效应、描述MOS管性能的电路参数z双极晶体管的大信号特性、小信号等效模型双极晶体管的大信号特性小信号等效模型z集成电阻器z集成电容器P.R. Gray, “Analysis andDesign of Analog IntegratedD i f A l I t t dCircuits”, §1.3、§1.4双极晶体管概述βnpn 管的Early 效应I CEC C V I ∂/npn 管在饱和区的大信号模型=)(on BE BE V V )3.0~05.0(~)(V V V V V V V sat CE BC BE BE CB CE =−=+=V BE双极晶体管的寄生效应集成pnp管z水平pnp管：电流增益低，电流增益随集电极电流的升而很快下降处电流能力弱电流的上升而很快下降，处理电流能力弱集成pnp管z衬底pnp管：仅限于源跟随器配置，集电极寄生电阻大')1()('2DS t GS D k V V V W k I λ=+−=22LBJT与MOS管的异同：小信号模型rπ→∞器件模型的选择z手工分析和设计的目的：直观理解电路特性，设计过手工分析和设计的目的直观理解电路特性设计过程的初始化z总原则：在保证分析结果抓住电路主要特性的前提下，器件模型越简单越好，允许手工分析结果具有10-20%的偏差z静态工作点分析（一般情况下）初始分析可以忽略沟道长度调制效应和衬偏调制效应（Early效应），了解基本特性后再考虑这些二阶效应的影响E l效应）z小信号分析（一般情况下））除非晶体管漏端（集电极）所接阻抗足够高（>100kΩ），初始分析可以忽略晶体管输出阻抗ro。

《现代模拟集成电路设计》是2024年清华大学出版社出版的图书，作者是孙楠、刘佳欣、揭路。

本书围绕先进工艺节点,基于跨导效率的设计方法介绍现代模拟集成电路的分析与设计方法。

全书大体上分为三部分: 第一部分(第1~7章)对模拟集成电路中的基本元件晶体管,以及基本的分析与设计方法进行介绍,包括晶体管的长沟道模型与小信号模型、晶体管的基本电路结构、晶体管的性能指标、基于跨导效率的模拟电路设计方法、模拟电路的带宽分析方法、模拟电路中的噪声等。

第二部分(第8~10章)介绍模拟电路设计中常见的一些问题与设计技巧,如器件偏差、差分结构、负反馈技术等,并引入模拟电路中最常见的电路结构,即运算放大器与开关电容电路。

第三部分(第11~14章)详细介绍了运算放大器的分析与设计方法,并提供完整的运算放大器设计实例作为参考。

此外,第15章和第16章还介绍了基准源电路以及集成电路的工艺演进。

模拟集成电路基本原理与分类总结模拟集成电路（Analog Integrated Circuit）是指能够处理连续变化的电信号的集成电路。

相较于数字集成电路，模拟集成电路更适用于具有连续性变化的信号处理与传输，如声音、光学信号等。

本文将对模拟集成电路的基本原理与分类进行总结。

一、基本原理模拟集成电路的基本原理涵盖了放大器、滤波器、电源稳压器等关键概念。

下面将逐一介绍。

1. 放大器放大器是模拟集成电路中最基本的元件之一，其作用是将输入信号的幅度放大到所需的程度。

根据放大器的工作方式，可以将其分为直流耦合放大器、交流耦合放大器和隔离式放大器等。

2. 滤波器滤波器用于选择性地传递或抑制特定频率的信号。

常见的滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。

滤波器的设计和应用对于模拟电子系统来说至关重要。

3. 电源稳压器电源稳压器用于稳定电源电压，确保模拟集成电路能够在恒定的电压条件下正常工作。

线性稳压器和开关稳压器是两种常见的电源稳压器。

二、分类总结模拟集成电路根据功能和结构的不同可以分为若干类别。

下面将对几种常见的模拟集成电路进行简要介绍。

1. 运算放大器（Operational Amplifier，Op-Amp）运算放大器是模拟集成电路中最基本、最常用的一种类型。

它具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的特点。

运算放大器常用于放大、滤波、积分、微分等信号处理电路中。

2. 数模转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）数模转换器将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号。

ADC广泛应用于各种数字通信、音视频处理、传感器等领域。

3. 模数转换器（Digital-to-Analog Converter，DAC）模数转换器用于将数字信号转换为模拟信号。

DAC在音频处理、通信系统等领域发挥着重要作用。

4. 时钟与定时器电路时钟与定时器电路用于产生各种精确的时序信号。

例如，计时器、闹钟、频率合成器等。