模拟集成电路设计PDF电子书下载

译者序 1

前言 1

第1章 集成电路器件和模型 1

1.1　半导体和pn结 1

目录 1

1.1.1 二极管 2

1.1.2　反向偏置二极管 3

1.1.3　缓变结 5

1.1.4　大信号结电容 6

1.1.5　正向偏置结 8

1.1.7　正向偏置二极管的小信号模型 9

1.1.6　正向偏置二极管的结电容 9

1.1.8 肖特基二极管 10

1.2　MOS晶体管 11

1.2.1 MOS晶体管符号 12

1.2.2　基本运算 13

1.2.3　大信号模型 17

1.2.4　体效应 19

1.2.5　p沟道晶体管 19

1.2.6　工作区中的小信号模型 20

1.2.7　三极管和截止区中的小信号模型 25

1.3.1　短沟道效应 27

1.3　高级MOS模型 27

1.3.2　亚阈值作用 28

1.3.3　漏电流 29

1.4　双极结晶体管 29

1.4.1 基本运算 30

1.4.2　大信号模型 32

1.4.3 工作区中的基极电荷存储 33

1.4.4　一个饱和晶体管的基极电荷存储 33

1.4.5　小信号模型 35

1.5　器件模型总结 39

1.6 SPICE模型参数 42

1.6.2　MOS晶体管 43

1.6.1 二极管模型 43

1.6.3　双极结晶体管 45

1.7 附录 46

1.7.1　二极管指数关系 46

1.7.2　二极管扩散电容 47

1.7.3 MOS阈值电压和体效应 48

1.7.4　MOS三极管关系 50

1.7.5　双极型晶体管指数关系 52

1.7.6　一个有源BJT的基极电荷存储 54

1.8　参考文献 54

1.9 习题 54

2.1.1 硅片 57

2.1.2　光刻法和阱区定义 57

第2章 工艺和布局 57

2.1　CMOS工艺 57

2.1.3　扩散和离子注入 59

2.1.4　化学气相沉积法和定义工作区 60

2.1.5　场植入层和场氧化层 61

2.1.6　生成场氧化层 61

2.1.7　栅极氧化层和阈值电压调整 62

2.1.8　多晶硅栅极的形成 63

2.1.9　植入结、沉淀SiO2、打开接触孔 63

2.1.10　退火、沉淀和制模金属及玻璃罩沉淀 64

2.2　双极工艺 66

2.3　CMOS布局和设计准则 67

2.4.1 匹配问题 74

2.4　模拟布局考虑 74

2.4.2　晶体管布局 75

2.4.3　电容器匹配 76

2.4.4　电阻布局 79

2.4.5　噪声问题 81

2.5　锁存现象 83

2.6　参考文献 85

2.7　习题 86

第3章 镜像电流源和单级放大电路基础 89

3.1 简单CMOS镜像电流源 89

3.2　共源放大器 91

3.3　源极跟随器或共漏放大器 92

3.4　共栅放大器 93

3.5　源极退化镜像电流源 95

3.6　高输出阻抗镜像电流源 97

3.6.1　共射共基镜像电流源 97

3.6.2　威尔逊镜像电流源 98

3.7　共射共基增益级 99

3.8　MOS差动对和增益级 100

3.9　双极镜像电流源 103

3.10　双极增益级 104

3.10.1　射极跟随器 105

3.10.2　双极差动对——大信号 106

3.10.3　双极差动对——小信号 107

3.11.1　共源放大器 108

3.11　频率响应 108

3.11.2　源极跟随器放大器 110

3.11.3　共栅放大器 114

3.11.4　高输出阻抗镜像电路 114

3.11.5　共射共基增益级 114

3.12 SPICE仿真范例 118

3.12.1 例3.2的仿真 118

3.12.2　例3.3的仿真 118

3.12.3　例3.8的仿真 119

3.12.4 例3.9的仿真 120

3.12.5 例3.10的仿真 121

3.12.6　例3.11的仿真 122

3.14 习题 123

3.13　参考文献 123

第4章 噪声分析与模型建立 127

4.1 时域分析 127

4.1.1 均方根值 128

4.1.2　信噪比 128

4.1.3　单位dBm 128

4.1.4 噪声混叠 129

4.2　频域分析 130

4.2.1　噪声谱密度 130

4.2.2 白噪声 132

4.2.3 1/f噪声（或闪烁噪声） 132

4.2.4 滤波噪声 133

4.2.5　噪声带宽 134

4.2.6　噪声的分段积分 136

4.2.7　1/f噪声的不相关原理 136

4.3 电路元件的噪声模型 137

4.3.1 电阻 138

4.3.2　二极管 138

4.3.3　双极型晶体管 138

4.3.4 MOSFET 140

4.3.5　运算放大器 141

4.3.6 电容和电感 141

4.3.7　采样信号噪声 142

4.4.1 运放举例 143

4.4　噪声分析举例 143

4.4.2　双极共发射极举例 145

4.4.3 CMOS举例 147

4.4.4　光纤前置放大电路举例 148

4.5　参考文献 151

4.6 习题 151

第5章 基本运算放大器设计和补偿 155

5.1 二级CMOS运算放大器 155

5.1.1　运算放大器增益 156

5.1.2　频率响应 158

5.1.3　转换速率 159

5.1.4　系统偏移电压 160

5.1.5　n沟道或者p沟道输入级 161

5.2　反馈和运算放大器补偿 162

5.2.1 闭环放大器的一阶模型 163

5.2.2　线性建压时间 164

5.2.3　运算放大器补偿 165

5.2.4　补偿二级运算放大器 167

5.2.5　超前补偿 170

5.2.6　进行独立于工艺和温度的补偿 172

5.2.7　偏置一个运算放大器获得稳定跨导 174

5.3 SPICE仿真范例 175

5.4 参考文献 177

5.5 习题 177

6.1.1　宽幅镜像电流源 179

第6章 高级镜像电流源和运算放大器 179

6.1 高级镜像电流源 179

6.1.2　宽幅恒定跨导偏置电路 181

6.1.3　增强输出阻抗镜像电流源 182

6.1.4　带增强输出阻抗的宽幅镜像电流源 184

6.1.5　镜像电流源符号 185

6.2　折叠式共射共基运算放大器 186

6.2.1　小信号分析 188

6.2.2　转换速率 189

6.3　镜像电流源运算放大器 191

6.4　线性建压时间回顾 194

6.5　全差动运算放大器 195

6.5.1 全差动折叠式共射共基运算放大器 196

6.5.2　可选择的全差动运算放大器 197

6.6　共模反馈电路 201

6.7 电流反馈运算放大器 204

6.8　SPICE仿真范例 206

6.8.1　例6.2的仿真 206

6.8.2　例6.3的仿真 208

6.9　参考文献 210

6.10　习题 210

第7章 比较器 213

7.1 为比较器使用运算放大器 213

7.2　电荷注入误差 216

7.2.1 让电荷注入信号无关 217

7.2.2　最小化电荷注入引起的误差 218

7.2.3　多级比较器的速度 220

7.3　锁存比较器 222

7.4 CMOS和BiCMOS比较器的例子 225

7.5　双极比较器的例子 230

7.6　参考文献 232

7.7 习题 233

第8章 采样保持、电压基准和跨导线性电路 235

8.1　采样保持电路的性能 235

8.2　MOS采样保持基础 237

8.3 CMOS S/H电路举例 241

8.4　双极性和双CMOS采样保持 245

8.5　带隙电压基准基础 248

8.6　带隙基准电路 251

8.6.1　双极性带隙基准 251

8.6.2　CMOS带隙基准 253

8.7　跨导线性增益单元 256

8.8　跨导线性乘法器 257

8.9　参考文献 259

8.10　习题 260

第9章 离散时间信号 263

9.1　信号频谱概述 263

9.2　离散时间信号的拉普拉斯变换 263

9.3　z变换 266

9.4　下采样和上采样 267

9.5　离散时间滤波器 269

9.5.1 离散时间滤波器的频率响应 269

9.5.2　离散时间滤波器的稳定性 272

9.5.3 IIR和FIR滤波器 273

9.5.4　双线性变换 273

9.6　采样和保持响应 274

9.7　参考文献 276

9.8　习题 276

10.1　基本构件 279

10.1.1　运算放大器 279

第10章 开关电容器电路 279

10.1.2 电容器 280

10.1.3　开关 280

10.1.4　不相重叠的时钟 281

10.2　基本运算和分析 282

10.2.1　开关电容器的等价电阻 282

10.2.2　寄生灵敏积分器 283

10.2.3　寄生非灵敏积分器 286

10.2.4　信号流程图分析 288

10.3　一阶滤波器 289

10.3.1　开关共用 292

10.3.2　全差动滤波器 292

10.4　双四元滤波器 293

10.4.1　低Q双四元滤波器 294

10.4.2　高Q双四元滤波器 297

10.5　电荷注入 299

10.6　开关电容器增益电路 302

10.6.1 并联RC电路 302

10.6.2　可复位增益电路 303

10.6.3　可重置电容的增益电路 304

10.7　相关双采样技术 306

10.8　其他开关电容器电路 307

10.8.1 调幅器 308

10.8.2　全波整流器 308

10.8.4　压控振荡器 309

10.8.3　峰值检波器 309

10.8.5　正弦振荡器 311

10.9　参考文献 312

10.10 习题 314

第11章 数据转换器基本原理 317

11.1 理想的D/A转换器 317

11.2　理想的A/D转换器 318

11.3　量化噪声 319

11.3.1　确定性方法 319

11.3.2　随机方法 320

11.4.3　偏移二进制码 322

11.4.2　1的补码 322

11.4　有符号码 322

11.4.1　符号数值 322

11.4.4　2的补码 323

11.5　性能限度 323

11.6　参考义献 328

11.7　习题 328

第12章 奈奎斯特速率D/A转换器 329

12.1　基于译码器的转换器 329

12.1.1 电阻器串转换器 329

12.1.2　重叠电阻器串转换器 330

12.1.3　多电阻器串转换器 332

12.2.1　二进制加权电阻器转换器 333

12.1.4　有符号输出 333

12.2　二进制标度转换器 333

12.2.2　减小电阻比阶梯 334

12.2.3　基于R-2R的转换器 335

12.2.4 电荷再分配开关电容器转换器 336

12.2.5　电流模式转换器 337

12.2.6　低频干扰 337

12.3 温度计码转换器 338

12.3.1 温度计码电流模式D/A转换器 339

12.3.2　单电源正输出转换器 340

12.3.3　动态匹配电流源 341

12.4.1 电阻器—电容器混合转换器 343

12.4　混合转换器 343

12.4.2　分段转换器 344

12.5　参考文献 345

12.6 习题 345

第13章 奈奎斯特速率A/D转换器 347

13.1　集成转换器 347

13.2　逐次逼近转换器 350

13.2.1 基于DAC的逐次逼近 351

13.2.2　单极性电荷再分配A/D 352

13.2.3　有一个单独基准电压的有符号电荷再分配A/D 355

13.2.4　电阻器—电容器混合 356

13.2.5　有误差修正的电荷再分配 357

13.2.6 对电荷再分配转换器的速度估计 359

13.3　算术（或循环）A/D转换器 360

13.4　瞬时（或并联）转换器 362

13.5　两级A/D转换器 366

13.6 内插A/D转换器 369

13.7　重叠A/D转换器 371

13.8　管道A/D转换器 375

13.9 时间分解A/D转换器 377

13.10　参考文献 378

13.11 习题 379

第14章 过采样转换器 381

14.1 没有噪声频率成形的过采样 381

14.1.1　量化噪声建模 381

14.1.2 白噪声假设 382

14.1.3　过采样的优点 383

14.1.4　1位D/A转换器的优点 385

14.2　有噪声频率成形的过采样 385

14.2.1　噪声频率成形的Delta-Sigma调制器 386

14.2.2　一阶噪声频率成形 387

14.2.3　一阶A/D转换器的开关电容器实现 389

14.2.4　二阶噪声频率成形 390

14.2.5　噪声传递函数曲线 390

14.2.6 1位调制器的量化噪声功率 391

14.2.7　错误反馈结构 391

14.3.1 Delta-Sigma A/D转换器的系统结构 392

14.3　系统结构 392

14.3.2 Delta-Sigma D/A转换器的系统结构 394

14.4　数字抽取滤波器 395

14.4.1 多级 395

14.4.2　单级 398

14.5　高阶调制器 398

14.5.1 内插结构 398

14.5.2　多级噪声频率成形结构 399

14.6　带通过采样转换器 400

14.7　必须考虑的实际问题 401

14.7.1 稳定性 401

14.7.2　双电平转换器的线性 402

14.7.4　抖动 404

14.7.3 空闲音 404

14.7.5　运算放大器增益 405

14.8　多位过采样转换器 405

14.8.1 多位随机函数发生器D/A转换器 406

14.8.2　D/A转换器中的动态匹配电流源 406

14.8.3　数字校准A/D转换器 407

14.8.4　同时有多位和一位反馈的A/D 407

14.9　三阶A/D设计示例 408

14.10　参考文献 410

14.11 习题 411

15.1 Gm-C滤波器 413

15.1.1 积分器 413

第15章 时序滤波器 413

15.1.2　全差动积分器 414

15.1.3　一阶滤波器 416

15.1.4　二阶滤波器 418

15.2 双极跨导 420

15.2.1　使用电阻器的固定跨导 420

15.2.2　增益单元跨导 424

15.2.3　使用多个差动对的跨导 425

15.3　CMOS型三极管跨导值 429

15.3.1 采用固定偏压晶体三极管的跨导 429

15.3.2　采用变化偏压晶体三极管的跨导 431

15.3.3　漏源电压恒定的跨导 434

15.4.1 CMOS对 436

15.4　利用有源晶体管的CMOS跨导 436

15.4.2　栅源电压的常量和 437

15.4.3　与源极相连的差动对 437

15.4.4　基于晶体管的跨导 438

15.4.5　带浮动电压源的差动对 439

15.4.6　跨组交叉的偏差漂移差动对 441

15.5 双CMOS跨导器 442

15.5.1 三极管中的可调整MOS 442

15.5.2 带有跨导线性乘法器的固定电阻跨导器 443

15.5.3 带有跨导线性乘法器的固定值的有源MOS跨导器 444

15.6 MOSFET—C滤波器 445

15.6.1　双晶体管积分器 445

15.6.2　四晶体管积分器 447

15.6.3 R-MOSFET-C滤波器 448

15.7　调谐电路系统 449

15.7.1　调谐概述 450

15.7.2　恒定跨导 451

15.7.3　频率调谐 452

15.7.4　Q因子调谐 454

15.7.5　基于自适应滤波的调谐方法 455

15.8　动态范围性能 456

15.8.1　总谐波失真 456

15.8.2　三阶截点 457

15.8.3　无失真动态范围 460

15.9　参考文献 461

15.10　习题 463

第16章 锁相环路 465

16.1　基本的环路架构 465

16.1.1　线性小信号分析 469

16.1.2　捕捉范围 473

16.1.3　锁定范围 474

16.1.4　错误锁定 474

16.1.5　异或门相位比较器 474

16.2　充电式相位比较器的PLL 475

16.2.1 充电式PLL的小信号分析 477

16.2.2　鉴相（频）器 478

16.3　压控振荡器 480

16.3.1　双极型双发射极多谐振荡器 481

16.3.2　环形振荡器 483

16.3.3　CMOS张弛振荡器 487

16.4　PLL的计算机仿真 487

16.4.1 用差分方程描述持续时间元件 488

16.4.2 VCO的差分方程模型 490

16.4.3 环路滤波器的差分方程模拟 491

16.4.4　相位／频率比较器的仿真 493

16.4.5 完整仿真 493

16.5 附录 493

16.6　参考文献 496

16.7 习题 497