【书】模拟CMOS集成电路设计 毕查德.拉扎维著

Rin =
RD + rO
RD
+1
1 + ( g m + g mb )rO ( g m + g mb )rO g m + g mb
R = {[1 + (g + g )r ]R + r } || R 路漫漫其修远兮,
吾将上下而求索
out
m
mb o S
o
D
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11
上一章
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5
上一章
二极管接法的MOS 管做负载的共源级
线性度好，输出摆幅小，增益不能太大（否 则摆幅小、带宽小）
Av =
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
(W / L)1 1
(W / L)2 1 +
Av =
n (W / L ) 1 p (W / L ) 2
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6
上一章
电流源做负载的共源级
增益大
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
Av = m ro1 || ro2
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7
上一章
深线性区MOS管做负载的共源级
输出摆幅大（可以为VDD）
得到精准的Ron2比较困难；受工艺、温度变 化影响比较大，产生稳定、精确的Vb比较 难
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
=
g mR D
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
1 + g mR S
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上一章
共漏级－源跟随器
Rin大，Rout小，输出摆幅 小，增益有百分之几非线性； PMOS管能消除体效应，提高 线性度，但输出阻抗大，带宽 降低；电压缓冲器、电压平移

Fig. 1.2 Attentuation（衰减） and Distortion （失真） of data through a lossy cable
Introduction to Analog Design
Why analog? (4)
Fig. 1.3 Multi-level signaling to reduce the bandwidth
Introduction to Analog Design
Level of abstraction
Fig. 1.8 Abstraction levels in circuit design
数模混合IC设计实例（1）
➢ 植入生物体的微电子电路在临床上已广泛应用于心率调节、人 工耳蜗、人工视网膜修复、泌尿控制与功能性神经－肌肉电刺激、 以及癫痫和脊柱损伤等康复医疗中。
Introduction to Analog Design
Why analog? (8)
Since the electrical current converted by a photodiode is very small, the receiver after the photodiode must process a low-level signal at a very high speed, which requires a low noise, broadband circuit design.
Fig. 1.1b Addition of amplification and filtering for higher sensitivity (灵敏度）
Introduction to Analog Design
Why analog? (3) 2. Digital communications

模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 14
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。

迎接电子产品设计的下一个高峰
System on Chip (SOC)
Analog IC Digital IC RFIC 1995
Software>>Hardware High data rate
1990’s to 20XX’s
Resemble Product (RP) 20XX’s?
(SOC) LNA Downconverter
• 1954年贝尔实 验室使用800只 晶体管组装了 世界上第一台 晶体管计算机 TRADIC。
1958年，杰克•科比（Jack Kilby）在一片硅晶体上制成了第一个微芯片，标志着集成 电路时代的到来，也标着电子技术进入了一个飞速发展的全新时代。
Robert Noyce(Intel)
Clair Kilby (TI)
OS C
(RP) D to A Servic e LNA Receiver
D to A
DeModulator
Receiver
Servic e Control I/O
OSC
Control
I/O
Transmitter
Transmitter Modulator A to D
PA
Upconverter
PA
A to D
Figure 17
Prospect of a communication system
Hardware Hardware-Software Software
• 1 MOSFET是怎样构成的？ • 2MOSFET的两个PN结和三个基本几何参数是什 么？ • 3MOSFET的阈值电压是什么？ • 4MOSFET是怎样工作的？ • 5MOSFET的工作区分别是什么怎样界定的？相 应的电压电流的关系是怎样的？ • 6MOSFET的二级效应分别是什么 • 7MOS电容有哪些？ • 8MOSFET的低频小信号模型的画法是什么？

性度
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第七页，共44页。
放大器的性能参数
参数之间互相
制约，设计时
需要在这些参
数间折衷
AIC设计的
八边形法则
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
8
第八页，共44页。
本讲
放大器基础知识
共源级—电阻做负载
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
共源级—电流源做负载
共源级－深线性区MOS管做负载 共源级－带源极负反馈
大信号特性
1
W
n COX ( )1 (Vin
2
L
VTH 1 ) 2
1
W
= C ( n OX ) 2 (VDD Vout
2
L
VTH 2 ) 2
W
W
V = ( )1 (Vin ) TH 1 ( ) 2 (VDD Vout
L
L
VTH 2 )
若VTH2随 Vout变化很 小，则有很 好线性度
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第十一页，共44页。
共源级—电阻做负载
小信号分析
饱和区时大信号关系式
小信号增益
与小信号等效电
路结果一致
增益随Vin的变化而变化，在信号摆幅较大时会引入非线性
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12
第十二页，共44页。
Av的最大化
共源级—电阻做负载
Av = m RD
Av =
2 C n ox W VRD
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第三十一页，共44页。
共源级－深线性区MOS管做负载
Vb要足够低，使M2工作在深线性区

后处理模块： – 数模转换器：将数字信号转换为模拟信号。 – 放大：功率放大，提高驱动能力。 – 滤波器：平滑输出波形。
举例—磁盘驱动器数字读/写通道
磁盘驱动器中的模块电路(1)






• 输入信号： – 信号由磁感应转换得到，经片外预放大器放大，为全差 分模拟信号。 • 可变增益放大器(VGA)： – 数字增益控制回路进行实时控制 • 低通滤波器(low-pass filter)： – Gm-C滤波器，具有2零点7极点。 – 零极点的相对位置可编程。 – 具有高频下增益提升功能。



模拟集成电路设计步骤 电路设计 电路测试 电路制备后对电路功能和性能参数的测试验证。 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、
模拟集成电路设计步骤：
层次设计
描述格式
设计
系统说明/仿真
物理
版图布局 layout
模型
行为模型
电路层次 系统
Matlab、ADMS

小结 • 讨论了什么是模拟集成电路设计。模拟集成电路 设计和分立模拟电路与数字电路设计的区别，设 计的难点。 • 设计步骤和直观的、层次的、鲁棒的设计。 • 模拟集成电路的应用、不同的信号带宽和工艺对 模拟电路的影响。 • 模拟信号处理系统设计和各种典型的模拟电路模 块 • VLSI混合模拟信号电路设计举例



参考书 1. P.R.Gray ―Analysis and Design of Analog Integrated Circuits‖ 2. Behzad Razavi ―模拟CMOS集成电路设计” 3. Phillip E. Allen ―CMOS 模拟集成电路设计”

7
第七页，共66页。
上一章
深线性区MOS管做负载的共源级
输出摆幅大（可以为VDD）
得到精准的Ron2比较困难；受工艺、温度变
化影响比较大，产生稳定、精确的Vb比较
难
R = ON 2
1
C (V W n ox
DD Vb
L2
| VTHP |)
Av = m RON2
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第二十二页，共66页。
大信号差分特性－定性分析
输出端的最大电平和最小电
平分别是VDD和VDD-RDISS， 与输入共模电平无关
Vin1=Vin2附近，增益最大，线性
度好
求(Vout1-Vout2)与(Vin1-Vin2) 的函数关系式
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第二十三页，共66页。
不合理
1
W
I D = n C OX
V in
2
L
4 I SS
W
n C OX
L
V in 2
当ΔVin=0时， out=0
当 V in =
4 I SS
时， V out = 0
W
n C OX
L
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第二十五页，共66页。
大信号差分特性－定量分析
当 Vin =
线性度好，输出摆幅小，增益不能太大（否 则摆幅小、带宽小）
Av =
(W / L)1 1
(W / L)2 1 +
Av=
n (W / L ) 1
p (W / L ) 2
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总结词
拉扎维模拟方法在CMOS比较器设计中 具有重要作用，可以预测比较器的性能 和行为。
VS
详细描述
CMOS比较器是模拟集成电路中的关键元 件，用于信号的阈值检测和整形。拉扎维 模拟方法可以准确地模拟CMOS比较器的 静态和动态特性，包括响应时间、失调电 压、比较精度等参数，有助于设计者优化 比较器的性能，提高整个电路的稳定性。
应用实例二：模拟CMOS滤波器设计
总结词
利用拉扎维模拟方法，可以高效地设计和优化CMOS滤波器的性能。
详细描述
CMOS滤波器在通信、音频处理等领域有广泛应用。通过拉扎维模拟方法，可以快速设计和优化 CMOS滤波器的性能，包括频率响应、群延迟、线性相位等参数，从而缩短设计周期并提高滤波器的 性能。
应用实例三：模拟CMOS比较器设计
拉扎维模拟方法的优缺点
优点
拉扎维模拟方法基于物理模型，能够精确模拟CMOS集成电路的性能，对于复杂电路和新型器件具有较高的预测 精度。此外，该方法还支持多物理效应和多尺度模拟，能够模拟电路在不同工艺、温度和电压条件下的性能。
缺点
由于拉扎维模拟方法基于物理模型，因此需要较长的计算时间和较大的计算资源，对于大规模电路的模拟可能会 面临性能瓶颈。此外，该方法需要手动设定电路元件的参数，对于不同工艺和不同设计需求需要进行相应的调整 和优化。
04
拉扎维模拟方法的应用实例
应用实例一：模拟CMOS放大器设计
总结词
通过拉扎维模拟方法，可以有效地模拟CMOS放大器的性能，包括增益、带宽、 噪声等参数。
详细描述
CMOS放大器是模拟集成电路中的基本元件，其性能对于整个电路的性能至关 重要。拉扎维模拟方法可以准确地模拟CMOS放大器的直流和交流特性，包括 增益、带宽、噪声等参数，为设计者提供可靠的参考依据。

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）
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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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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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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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自然界信号的处理
自然界信号是模拟量
声音、光、震动等
速度、精度、功耗 信号处理
探测器输出信号太小 时需要先 放大滤除信 号频带 外的干 扰
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数字通信
电缆数据传输
长距离、高速时
有限带宽，大衰减，不适于高速远距离传输
解决办法？
信号衰减、 失真
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数字电路的信号处理能力不断增强 再强大也无法完全取代模拟电路在电路系统中的角 色
RF、ESD、ADC、DAC、PLL
应用实例
自然界信号的处理 数字通信 磁盘驱动电路 无线接收器 光接收器 传感器 微处理器和存储器
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计 15
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微处理器和存储器
微处理器
典型的数字电路 高端CPU的设计离不开资深AIC设计师的参 与
寄生电容/电阻/电感、封装等对电路性能指标 （速度等）的影响 高速数据线、时钟线的时序正确
必须把很多数字信号当作模拟信号来考虑、 处理
存储器
存储单元、灵敏放大器等都必须由AIC设计 师设计。高速、大规模存储器更是如此
逆向电路提取
解剖照相 拼图
版图编辑
dracula DRC和LVS dracula 寄生提取LPE 后仿真 GDSII
电路提取
分析与仿真
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集成电路制造过程
集成电路设计 制版 流水加工 划片 封装
版图 layout 掩膜版 MASK 硅圆片 Wafer 裸片die
抽象级别 健壮性设计 符号
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