虽然在许多应用上，数字电路确实已经取代了大量模拟电路。但是，人们在面对所处的现实世界时，仍然需要大量优秀的模拟电路设计。随着系统的合成，集成电路会越来越大，在大多数情况下现代集成电路至少有一部分需要包含连接现实世界的模拟电路。虽然这部分模拟电路只占据整个基片面积的一小部分，但它通常成为整个系统效能的制约因素和集成电路设计最困难的部分。因此，我们仍然需要模拟电路设计者。本书的目的就是为集成电路设计者提供必需的多方面的知识，帮助其成为优秀的模拟电路设计者。

无

在过去的20年里，许多人预言，这个世界很快将不需要模拟电路了，因为只需要依赖于数字电路就可以了。虽然在许多应用中，有相当一部分模拟电路确实已经被相对应的数字电路（例如数字音频）所取代，但是，目前仍然非常需要优秀的模拟电路设计。例如，将物理信号数字化时，通常需要模数转换器和数模转换器，以及与之相关的抗混叠处理和重构滤波器。此外，新的模拟电路的应用还体现在：速度和功耗需求经常要求我们使用高速的模拟前端，例如基于铜线或无线通信信道的数字通信。而且，由于系统集成，集成电路变得较大，很有可能一个现代集成电路至少有一些部分包含需要与现实世界有接口的模拟电路。虽然这部分模拟电路只占据整个基片面积的一小部分，但它通常成为整个系统效能的限制因素和集成电路设计最困难的部分。因此，工业上仍然非常需要模拟电路设计者。本书的目的就是通过简明论述一个集成电路设计者所必需的多方面知识，培养优秀的模拟电路设计者。
　　许多人把高性能模拟电路的设计和测试比作“神秘的艺术”。换句话说，相对数字设计的系统化，模拟设计似乎更易迷惑并更基于本能感觉。而且，模拟测试有时好像更加依赖于一些虚幻的东西，而不是实实在在的电气特性。这些关于模拟电路的想法通常只会发生在一个人不熟悉创造高性能模拟电路所必需的基础知识的情况下。本书的一个主要目标就是帮助去除模拟集成电路设计的神秘感。作者相信：如果熟悉了最重要的设计原则，大多数有经验的电气工程师都能够开发出良好的设计。我们试图在全书中强调这些原则。在本书中虽然叙述了许多电路和技术，但我们的论述重点是那些要实现先进的模拟电路所涉及的最重要、最基本的原理。贯穿于整本书，我们给出了物理上和直觉上的解释，而且，虽然对许多电路进行了数学上的定量分析，但我们也努力做到：既要见树木又要见森林。换句话说，本书试图阐明关键的基础概念，而不是一味纠缠在乏味且过度复杂的电路分析中。

预期读者
　　本书主要用作高等院校的研究生教材和实践工程师的参考书，但其中的部分内容对于高年级本科生的课程也是有用的。为了理解本书的内容，读者最好已经至少学习过一门模拟电路的入门课程。特别要注意的是，读者应该熟悉小信号分析的概念并了解基本的晶体管放大器电路。而且，读者应能熟练运用频率知识（即应该熟悉拉普拉斯变换）并尽可能掌握一些离散时间信号的知识。
　　在一门研究生课程里，本书可以有许多使用方式。本书的各章大都有意地相互独立，这样可以阅读一些章而跳过其他的章。而且，读者可以发现：本书的内容顺序可以轻易改变。例如，如果读者具备良好的建模背景知识，就可以跳过第1章；如果读者熟悉离散时间信号的知识，第9章就可以仅作为一次复习。我们相信这本教材的这种灵活性。
　　在多伦多大学，我们在几门课程中采用了本书中的内容。在一个高年级本科生的模拟电路课程中，讲授了第1、3、4、5章，还有第6、7章中简要介绍的基础知识和相关主题。在另一个高年级本科生的模拟滤波器课程中，在介绍滤波器基础知识后，讲述第9章和第10章的滤波器部分。在一个一年级研究生课程中，我们选用了第1~3章和第5~7章的内容；而在一个二年级研究生课程（通常和一年级课程同时进行中），我们选用了第4、8~10、16章。第9、10和15章目前用在一个单独的研究生课程里，叙述关于高级模拟滤波器的其他内容，而第11~14章（加上期刊杂志）被用于一个数据转换器课程。此外，我们经常毫不费劲地修改内容选择和顺序。需要注意的是，一些章既可用于本科生课程又可用于研究生课程，因为许多研究生并没有学习过这些大学本科课程。
　　本书的第二类读者是那些毕业不久、希望迅速提高其现代模拟电路设计技术知识的电气工程师。事实上，本书覆盖的许多内容是在工程师短期进修课程中最初讲授并经过了多年精炼的。对于这类读者，我们努力强调在设计各种各样电路时需要考虑的最重要的因素，而且我们也设法包含现代优秀设计的范例和可供深入学习的参考资料。

内容概要
　　第1章叙述三种集成器件——二极管、MOSFET晶体管和双极型晶体管——的基本物理行为和模型。在这里，引出许多模型方程，以便让读者了解模型参数以及它们如何随过程进展而受影响。并以表格形式总结这三种器件的模型，便于快速查询。
　　第2章讨论制造一个微型电路相关的问题。重点放在CMOS构造，给出了一般过程的细节，提出了关于模拟电路规划和设计的原则，其中匹配和噪声考虑是重要问题。这一章以对被称为闩锁（latchup）的破坏现象的描述结束。
　　第3章讨论模拟集成电路的基础结构单元。特别是，介绍了MOS镜像电流源和单级放大器。这里要注意的一点是，只考虑有源负载放大器，因为在集成电路中这些类型的放大器比其他类型出现得多。第3章最后一节介绍这一章中所选范例的SPICE仿真结果。
　　第4章讨论噪声分析和模型。这里，我们假设读者以前没有学习过随机信号分析，因而首先给出分析随机信号的基本概念。然后，为基本电路元件给出噪声模型。最后，从噪声的角度分析了各种电路，给读者一些噪声分析的体验。
　　第5章介绍基本运算放大器设计的基本原理。为了说明这些原理，本章详尽地讨论一种经典的两级CMOS运算放大器的设计。本章还介绍一种系统校正的方法，它也应用于许多其他运算放大器的设计。这里还讨论使补偿和跨导值很稳定的方法。最后，这一章以所选范例的SPICE仿真结果结束。
　　第6章的开始部分介绍两个可用于低功耗运行和短沟道工艺的高级的镜像电流源方法。接着，讨论两个现代高速运算放大器，其后介绍全差动设计技术和共模反馈电路。这些全差动运算放大器被用于许多现代工业应用中，其中，高速度和噪声是需要考虑的重要问题。然后，讨论电流反馈运算放大器，它们的主要优势是：当闭环增益发生改变时，它们能够维持相对不变的频带宽度。这一章再次以范例的SPICE仿真结果结束。
　　第7章讨论比较器的设计。比较器大概是仅次于运算放大器的第二常见的模拟结构单元。这里，叙述比较器的现实局限性和提高其性能的电路技术，而且还介绍现代高速比较器的范例。
　　第8章论述一些辅助模拟结构单元。特别是，首先介绍采样保持电路，然后是带隙电压基准，最后以双极型跨导线性增益和乘法器电路结束。在这一章的末尾，所有主要的模拟结构单元都已经介绍完毕，本书剩下的部分论述的是更系统级的模拟单元。
　　第9章介绍离散时间信号和滤波器的基础知识。这部分内容对于理解像开关电容滤波器和过采样转换器这样的现代模拟电路非常必要。这里采用的方法是通过说明Z变换和拉普拉斯变换之间的紧密关系，增加读者在连续时间领域的知识和经验。
　　第10章介绍开关电容器的基础知识。开关电容器技术由于其高精确度和线性度，是实现集成滤波器的最常用方法。这一章最后介绍其他开关电容器电路，例如增益级、调制解调器、压控振荡器。
　　第11章论述数据转换器的基础知识。首先讨论理想的转换器，并说明在D/A转换器中没有量化噪声，但它对A/D转换器是基本的限制。接着阐述有符号码，最后讨论性能极限。
　　第12章介绍常见的奈奎斯特速率 D/A架构，第13章讲述实现奈奎斯特速率A/D转换器的各种方法。在今天的大规模数字世界中，数据转换的重要性再怎么强调也不为过，这两章讨论许多现代方法的主要优势和设计问题。
　　第14章单独介绍过采样转换器，原因在于需要大量的信号处理概念来说明这些转换器。在这里，因为适当地设计这些类型的转换器还需要相当全面的系统知识，所以还会介绍一些数字上的问题（例如采样滤波器）。此外，还讨论实际问题和近期出现的新方法（例如多位转换的使用）。本章最后列举一个三阶A/D转换器的例子。
　　时序滤波器目前应用于许多新产品，尤其是在高速数据通信应用中，这些内容是第15章的焦点。接着，介绍双极、CMOS和BiCMOS方法，然后是一些调谐方法。最后，论述时序滤波器的动态范围测量方面的问题，例如THD、无失真动态范围、三阶截点。
　　最后，第16章讲述锁相环路。在许多数字和数据通信电路中，锁相环路是时钟恢复的必需部分。这里，介绍了这种系统的基本概念和一种仿真技术。

致谢
　　作者要感谢许多参与短期课程的同事们，本书的大部分内容就是在这些课程中最初讲解和不断精炼的。特别要感谢的是Gabor C. Temes以及Jim McCreary和Bill Black。此外，作者还要感谢的是，本书中的许多内容和概念源于许多实践工程师多年的工作经验，这在本书中每一章结尾处的参考文献中都已提到。本书尽可能引用原始概念的适当参考，但是，作者在模拟电路领域已经工作了太长时间以致于常会忘记重要概念的原始出处。因此，对于任何遗漏，作者在此诚恳地表示歉意。

曾朝阳 赵阳 方顺：暂无简介

随着信息技术及其产业的迅速发展，当今社会进入到了一个崭新的信息化时代。微电子技术是信息技术的核心技术，模拟集成电路又是微电子技术的核心技术之一，因而模拟集成电路成为信息时代的重要技术领域。
　　模拟集成电路包含纯模拟信号处理功能的电路和A/D混合信号处理功能的电路。其技术范围涉及数据转换器（如A/D、D/A转换器等）、线性和非线性放大器（如运算放大器、射频放大器、对数放大器、电压比较器、模拟乘法器等）、电子开关和多路转换器、稳压电源调节器（如线性电压调节器、开关电源控制器等）及其他模拟集成电路（如驱动器、延迟线、传感器等）。模拟集成电路主要用于对模拟信号完成采集、放大、比较、变换等功能，它和数字电路及A/D、D/A转换器电路三者之间的关系，早在1986年就由美国加州大学的Paul. R. Gray教授提出的“鸡蛋模型”做了形象描述，该模型把这三者整体上视为一个鸡蛋，而把数字电路视为蛋黄，模拟电路视为蛋壳，A/D、D/A电路视为蛋清，三者既不相同，又是统一的有机整体。现实世界中的各种模拟信息经模拟集成电路采集、放大、变换等处理后，就可以得到计算机或数字电路处理所需的信号，从而实现人们需要的信息产品。显然，模拟集成电路是模拟世界和数字化电子信息系统之间的桥梁。
　　本书介绍模拟集成电路的分析与设计，直观且严密地阐述了各种模拟电路的基本原理和概念，同时还阐述了在模拟电路设计中出现的新问题及电路技术的新发展。本书由浅入深，理论与实际结合，提供了大量现代工业中的设计实例。本书是现代模拟集成电路设计的理想教材或参考书，可供与集成电路领域有关的各电类专业的高年级本科生和研究生使用，也可供从事这一领域的工程技术人员自学和参考。
　　本书的翻译由曾朝阳组织，赵阳、方顺、李俊、张永乐、刘红娅参加了翻译工作。在翻译过程中得到了装备指挥技术学院赵继广教授和洪海丽副教授的帮助和建议，在此表示感谢。
　　模拟集成电路理论涉及的专业面很广，由于译者水平和学识有限，翻译中难免有错误和不妥之处，真诚希望老师、专家和广大读者批评指正。

第1章集成电路器件和模型1
11半导体和pn结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6正向偏置二极管的结电容9
117正向偏置二极管的小信号模型9
118肖特基二极管10
12MOS晶体管11
121MOS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5p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高级MOS模型27
131短沟道效应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6SPICE模型参数42
161二极管模型43
162MOS晶体管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3MOS阈值电压和体效应48
174MOS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

第2章工艺和布局57
21CMOS工艺57
211硅片57
212光刻法和阱区定义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3CMOS布局和设计准则67
24模拟布局考虑74
241匹配问题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8MOS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频率响应108
3111共源放大器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12SPICE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13参考文献123
314习题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dBm128
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31/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71/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4MOSFET140
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噪声分析举例143
441运放举例143
442双极共发射极举例145
443CMOS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5n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3SPICE仿真范例175
54参考文献177
55习题177

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1宽幅镜像电流源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8SPICE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4CMOS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2MOS采样保持基础237
83CMOS 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2CMOS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3z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3IIR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

第10章开关电容器电路279
101基本构件279
1011运算放大器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3峰值检波器309
1084压控振荡器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有符号码322
1141符号数值322
11421的补码322
1143偏移二进制码322
11442的补码323
115性能限度323
116参考文献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14有符号输出333
122二进制标度转换器333
1221二进制加权电阻器转换器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混合转换器343
1241电阻器电容器混合转换器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/D352
1323有一个单独基准电压的有符号电荷再分配A/D355
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41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61位调制器的量化噪声功率391
1427错误反馈结构391
143系统结构392
1431DeltaSigma A/D转换器的系统结构392
1432Delta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3空闲音404
1474抖动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2D/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/D407
149三阶A/D设计示例408
1410参考文献410
1411习题411

第15章时序滤波器413
151GmC滤波器413
1511积分器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3CMOS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利用有源晶体管的CMOS跨导436
1541CMOS对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MOS442
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6MOSFET－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3R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4Q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PLL475
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3CMOS张弛振荡器487
164PLL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2VCO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