第12章模拟集成电路基础(半导体集成电路共14章)

集成电路设计基础1. 引言集成电路设计是现代电子工程领域中的重要一环。

它涉及到将多个电子元件（如晶体管、电容器和电阻器等）集成在同一个硅片上，从而实现更高级别的电子功能。

本文将介绍集成电路设计的基础知识，包括集成电路的分类、设计流程以及常用的设计工具等。

2. 集成电路的分类根据集成度的不同，集成电路可以分为三种类型：小规模集成电路（LSI）、中规模集成电路（MSI）和大规模集成电路（LSI）。

LSI通常包括10个以上的门电路，MSI则包括数十个门电路，而LSI包含了成千上万个门电路。

此外，根据功能的不同，集成电路可以分为模拟集成电路和数字集成电路。

模拟集成电路是利用模拟信号进行信息处理，而数字集成电路是利用数字信号进行信息处理。

3. 集成电路设计流程集成电路的设计通常包括以下几个步骤：3.1 需求分析在设计集成电路之前，首先需要明确设计的目标和需求。

这包括确定电路的功能、性能指标以及工作环境等。

3.2 电路设计在电路设计阶段，需要根据需求分析的结果设计出符合要求的电路结构。

这包括选择适当的电子元件、确定元件的连接方式以及设计电路的布局等。

3.3 电路模拟在电路模拟阶段，使用模拟电路仿真工具对设计的电路进行模拟。

通过模拟可以评估电路的性能指标，如增益、带宽和功耗等。

3.4 电路布局与布线在电路布局与布线阶段，需要设计电路的物理结构以及元件之间的连接方式。

这包括确定电路的尺寸、排列顺序以及设计布线的路径等。

3.5 校准与测试在校准与测试阶段，需要对设计的集成电路进行校准和测试。

这包括检查电路的功能和性能指标是否满足需求，并对电路进行调整和优化。

4. 集成电路设计工具集成电路设计通常使用专门的设计工具来辅助完成。

常用的集成电路设计工具包括：•电路设计工具：如Cadence、Mentor Graphics等，用于设计电路的原理图和逻辑图。

•电路仿真工具：如Spice、HSPICE等，用于对设计的电路进行模拟和验证。

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。

半导体集成电路部分习题答案(朱正涌)第1章 集成电路的基本制造工艺1.6 一般TTL 集成电路与集成运算放大器电路在选择外延层电阻率上有何区别?为什么?答：集成运算放大器电路的外延层电阻率比一般TTL 集成电路的外延层电阻率高。

第2章 集成电路中的晶体管及其寄生效应 复 习 思 考 题2.2 利用截锥体电阻公式，计算TTL “与非”门输出管的CS r ，其图形如图题2.2所示。

提示：先求截锥体的高度up BL epi mc jc epi T x x T T -----=- 然后利用公式： ba ab WL Tr c -•=/ln 1ρ ， 212••=--BL C E BL S C W L R rba ab WLTr c -•=/ln 3ρ 321C C C CS r r r r ++=注意：在计算W 、L 时, 应考虑横向扩散。

2.3 伴随一个横向PNP 器件产生两个寄生的PNP 晶体管，试问当横向PNP 器件在4种可能的偏置情况下，哪一种偏置会使得寄生晶体管的影响最大? 答：当横向PNP 管处于饱和状态时，会使得寄生晶体管的影响最大。

2.8 试设计一个单基极、单发射极和单集电极的输出晶体管，要求其在20mA 的电流负载下，OL V ≤0.4V ，请在坐标纸上放大500倍画出其版图。

给出设计条件如下：答： 解题思路⑴由0I 、α求有效发射区周长Eeff L ； ⑵由设计条件画图①先画发射区引线孔；②由孔四边各距A D 画出发射区扩散孔； ③由A D 先画出基区扩散孔的三边； ④由B E D -画出基区引线孔； ⑤由A D 画出基区扩散孔的另一边； ⑥由A D 先画出外延岛的三边； ⑦由C B D -画出集电极接触孔； ⑧由A D 画出外延岛的另一边； ⑨由I d 画出隔离槽的四周；⑩验证所画晶体管的CS r 是否满足V V OL 4.0≤的条件，若不满足，则要对所作的图进行修正，直至满足V V OL 4.0≤的条件。

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。

第一部分考试试题第0章绪论1.什么叫半导体集成电路？2.按照半导体集成电路的集成度来分，分为哪些类型，请同时写出它们对应的英文缩写？3.按照器件类型分，半导体集成电路分为哪几类？4.5.6.1.2.3.4.5.6.7.8.请画出CMOS反相器的版图，并标注各层掺杂类型和输入输出端子。

第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应1.简述集成双极晶体管的有源寄生效应在其各工作区能否忽略？。

2.什么是集成双极晶体管的无源寄生效应？3. 什么是MOS晶体管的有源寄生效应？4. 什么是MOS晶体管的闩锁效应，其对晶体管有什么影响?5. 消除“Latch-up”效应的方法？6.如何解决MOS器件的场区寄生MOSFET效应？7. 如何解决MOS器件中的寄生双极晶体管效应？第3章集成电路中的无源元件1.双极性集成电路中最常用的电阻器和MOS集成电路中常用的电阻都有哪些？2.集成电路中常用的电容有哪些。

3.4.5.1.流2. 分析四管标准TTL与非门（稳态时）各管的工作状态？3. 在四管标准与非门中，那个管子会对瞬态特性影响最大，并分析原因以及带来那些困难。

4. 两管与非门有哪些缺点，四管及五管与非门的结构相对于两管与非门在那些地方做了改善，并分析改善部分是如何工作的。

四管和五管与非门对静态和动态有那些方面的改进。

5. 相对于五管与非门六管与非门的结构在那些部分作了改善，分析改进部分是如何工作的。

6. 画出四管和六管单元与非门传输特性曲线。

并说明为什么有源泄放回路改善了传输特性的矩形性。

7. 四管与非门中，如果高电平过低，低电平过高，分析其原因，如与改善方法，请说出你的想法。

8.1. 2. 4. 5. 6.7.请画出晶体管的D DS I V 特性曲线，指出饱和区和非饱和区的工作条件及各自的电流方程（忽略沟道长度调制效应和短沟道效应）。

8.给出E/R 反相器的电路结构，分析其工作原理及传输特性，并计算VTC 曲线上的临界电压值。

《半导体集成电路》考试题目及参考答案(DOC)1.双极性集成电路中最常用的电阻器和MOS集成电路中常用的电阻都有哪些？2.集成电路中常用的电容有哪些。

3. 为什么基区薄层电阻需要修正。

4. 为什么新的工艺中要用铜布线取代铝布线。

5. 运用基区扩散电阻，设计一个方块电阻200欧，阻值为1K的电阻，已知耗散功率为20W/c㎡,该电阻上的压降为5V,设计此电阻。

第4章TTL电路1.名词解释电压传输特性开门/关门电平逻辑摆幅过渡区宽度输入短路电流输入漏电流静态功耗瞬态延迟时间瞬态存储时间瞬态上升时间瞬态下降时间瞬时导通时间2. 分析四管标准TTL与非门（稳态时）各管的工作状态？3. 在四管标准与非门中，那个管子会对瞬态特性影响最大，并分析原因以及带来那些困难。

4. 两管与非门有哪些缺点，四管及五管与非门的结构相对于两管与非门在那些地方做了改善，并分析改善部分是如何工作的。

四管和五管与非门对静态和动态有那些方面的改进。

5. 相对于五管与非门六管与非门的结构在那些部分作了改善，分析改进部分是如何工作的。

6. 画出四管和六管单元与非门传输特性曲线。

并说明为什么有源泄放回路改善了传输特性的矩形性。

7. 四管与非门中，如果高电平过低，低电平过高，分析其原因，如与改善方法，请说出你的想法。

8. 为什么TTL与非门不能直接并联？9. OC门在结构上作了什么改进，它为什么不会出现TTL与非门并联的问题。

第5章MOS反相器1. 请给出NMOS晶体管的阈值电压公式，并解释各项的物理含义及其对阈值大小的影响（即各项在不同情况下是提高阈值还是降低阈值）。

2. 什么是器件的亚阈值特性，对器件有什么影响？3. MOS晶体管的短沟道效应是指什么，其对晶体管有什么影响？4. 请以PMOS晶体管为例解释什么是衬偏效应，并解释其对PMOS晶体管阈值电压和漏源电流的影响。

5. 什么是沟道长度调制效应，对器件有什么影响？6. 为什么MOS晶体管会存在饱和区和非饱和区之分（不考虑沟道调制效应）？7.请画出晶体管的D DS特性曲线，指出饱和区和I V非饱和区的工作条件及各自的电流方程（忽略沟道长度调制效应和短沟道效应）。

《半导体集成电路》教学大纲Semiconductor Integrated Circuits课程编码：12A30550 学分：4 课程类别：专业基础课计划学时：64 其中讲课：64 实验或实践：0 上机：0适用专业：集成电路设计与集成系统推荐教材：余宁梅，杨媛，潘银松，《半导体集成电路》，科学出版社，2011年参考书目：朱正涌，《半导体集成电路》(第2版），清华大学出版社，2009年廖裕评，陆瑞强，《Tanner Pro集成电路设计与布局实战指导》，科学出版社，2011年课程的教学目的与任务本课程的教学目的是通过本课程的学习，学生掌握掌握常用数字集成电路和模拟集成电路的类型、基本电路结构和设计方法，为设计复杂的集成电路结构奠定基础。

本课程的教学任务主要包括介绍常用数字集成电路和模拟集成电路的电路结构和工作原理以及设计方法，学生通过本课程的学习，可以对半导体集成电路的工艺基础和设计原理有全面和系统的掌握，为从事基础研究和应用研究打下基础。

课程的基本要求1、要求学生掌握双极晶体管的基本原理、制作工艺、寄生效应及典型电路；掌握CMOS数字集成电路的基本单元、实现工艺、基本逻辑单元构成及特性、系统构成等；2、掌握MOS型及双极型的模拟电路特性，掌握基本的模拟电路结构、工作原理和各自特点；掌握半导体存储器以及D/A、A/D转换器的结构和工作原理；3、能够采用静态电路设计方法、传输门逻辑方法和动态逻辑方法对数字集成电路进行设计；对带隙基准源电路、差分放大电路进行电路设计及功能仿真，提取并分析仿真参数，明确电路性能；能够根据所学知识设计高速低功耗的SRAM存储器以及基本类型的D/A及A/D转换器。

各章节授课内容、教学方法及学时分配建议（含课内实验）第1章绪论建议学时：2 [教学目的与要求] 了解半导体集成电路的基本概念、分类、发展动态、面临问题，明确学习目的。

[教学重点与难点] 深亚微米集成电路设计、性能与工艺面临问题与挑战[授课方法] 课堂教学[授课内容]第一节半导体集成电路的概念一、半导体集成电路的基本概念二、半导体集成电路的分类第二节半导体集成电路的发展过程第三节半导体集成电路的发展规律第四节半导体集成电路面临的问题一、深亚微米集成电路设计面临的问题与挑战二、深亚微米集成电路性能面临的问题与挑战三、深亚微米集成电路工艺面临的问题与挑战第2章双极型集成电路制造工艺及EM模型建议学时：4 [教学目的与要求] 1、掌握双极型晶体管（BJT管）的结构和工作原理；2、掌握BJT管的制造工艺；3、掌握BJT管理想的EM模型[教学重点与难点] 不同结构BJT管的EM模型。

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。