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(latchup)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
11半导体和pn结1
111二极管2
112反向偏置二极管3
113缓变结5
114大信号结电容6
115正向偏置结8
116正向偏置二极管的结电容9
117正向偏置二极管的小信号模型9
118肖特基二极管10
12MOS晶体管11
121MOS晶体管符号12
122基本运算13
123大信号模型17
124体效应19
125p沟道晶体管19
126工作区中的小信号模型20
127三极管和截止区中的小信号模型25
13高级MOS模型27
131短沟道效应27
132亚阈值作用28
133漏电流29
14双极结晶体管29
141基本运算30
142大信号模型32
143工作区中的基极电荷存储33
144一个饱和晶体管的基极电荷存储33
145小信号模型35
15器件模型总结39
16SPICE模型参数42
161二极管模型43
162MOS晶体管43
163双极结晶体管45
17附录46
171二极管指数关系46
172二极管扩散电容47
173MOS阈值电压和体效应48
174MOS三极管关系50
175双极型晶体管指数关系52
176一个有源BJT的基极电荷存储54
18参考文献54
19习题54
第2章工艺和布局57
21CMOS工艺57
211硅片57
212光刻法和阱区定义57
213扩散和离子注入59
214化学气相沉积法和定义工作区60
215场植入层和场氧化层61
216生成场氧化层61
217栅极氧化层和阈值电压调整62
218多晶硅栅极的形成63
219植入结、沉淀SiO2、打开接触孔63
2110退火、沉淀和制模金属及玻璃罩沉淀64
22双极工艺66
23CMOS布局和设计准则67
24模拟布局考虑74
241匹配问题74
242晶体管布局75
243电容器匹配76
244电阻布局79
245噪声问题81
25锁存现象83
26参考文献85
27习题86
第3章镜像电流源和单级放大电路基础89
31简单CMOS镜像电流源89
32共源放大器91
33源极跟随器或共漏放大器92
34共栅放大器93
35源极退化镜像电流源95
36高输出阻抗镜像电流源97
361共射共基镜像电流源97
362威尔逊镜像电流源98
37共射共基增益级99
38MOS差动对和增益级100
39双极镜像电流源103
310双极增益级104
3101射极跟随器105
3102双极差动对——大信号106
3103双极差动对——小信号107
311频率响应108
3111共源放大器108
3112源极跟随器放大器110
3113共栅放大器114
3114高输出阻抗镜像电路114
3115共射共基增益级114
312SPICE仿真范例118
3121例32的仿真118
3122例33的仿真118
3123例38的仿真119
3124例39的仿真120
3125例310的仿真121
3126例311的仿真122
313参考文献123
314习题123
第4章噪声分析与模型建立127
41时域分析127
411均方根值128
412信噪比128
413单位dBm128
414噪声混叠129
42频域分析130
421噪声谱密度130
422白噪声132
4231/f噪声(或闪烁噪声)132
424滤波噪声133
425噪声带宽134
426噪声的分段积分136
4271/f噪声的不相关原理136
43电路元件的噪声模型137
431电阻138
432二极管138
433双极型晶体管138
434MOSFET140
435运算放大器141
436电容和电感141
437采样信号噪声142
44噪声分析举例143
441运放举例143
442双极共发射极举例145
443CMOS举例147
444光纤前置放大电路举例148
45参考文献151
46习题151
第5章基本运算放大器设计和补偿155
51二级CMOS运算放大器155
511运算放大器增益156
512频率响应158
513转换速率159
514系统偏移电压160
515n沟道或者p沟道输入级161
52反馈和运算放大器补偿162
521闭环放大器的一阶模型163
522线性建压时间164
523运算放大器补偿165
524补偿二级运算放大器167
525超前补偿170
526进行独立于工艺和温度的补偿172
527偏置一个运算放大器获得稳定跨导174
53SPICE仿真范例175
54参考文献177
55习题177
第6章高级镜像电流源和运算放大器179
61高级镜像电流源179
611宽幅镜像电流源179
612宽幅恒定跨导偏置电路181
613增强输出阻抗镜像电流源182
614带增强输出阻抗的宽幅镜像电流源184
615镜像电流源符号185
62折叠式共射共基运算放大器186
621小信号分析188
622转换速率189
63镜像电流源运算放大器191
64线性建压时间回顾194
65全差动运算放大器195
651全差动折叠式共射共基运算放大器196
652可选择的全差动运算放大器197
66共模反馈电路201
67电流反馈运算放大器204
68SPICE仿真范例206
681例62的仿真206
682例63的仿真208
69参考文献210
610习题210
第7章比较器213
71为比较器使用运算放大器213
72电荷注入误差216
721让电荷注入信号无关217
722最小化电荷注入引起的误差218
723多级比较器的速度220
73锁存比较器222
74CMOS和BiCMOS比较器的例子225
75双极比较器的例子230
76参考文献232
77习题233
第8章采样保持、电压基准和跨导线性电路235
81采样保持电路的性能235
82MOS采样保持基础237
83CMOS S/H电路举例241
84双极性和双CMOS采样保持245
85带隙电压基准基础248
86带隙基准电路251
861双极性带隙基准251
862CMOS带隙基准253
87跨导线性增益单元256
88跨导线性乘法器257
89参考文献259
810习题260
第9章离散时间信号263
91信号频谱概述263
92离散时间信号的拉普拉斯变换263
93z变换266
94下采样和上采样267
95离散时间滤波器269
951离散时间滤波器的频率响应269
952离散时间滤波器的稳定性272
953IIR和FIR滤波器273
954双线性变换273
96采样和保持响应274
97参考文献276
98习题276
第10章开关电容器电路279
101基本构件279
1011运算放大器279
1012电容器280
1013开关280
1014不相重叠的时钟281
102基本运算和分析282
1021开关电容器的等价电阻282
1022寄生灵敏积分器283
1023寄生非灵敏积分器286
1024信号流程图分析288
103一阶滤波器289
1031开关共用292
1032全差动滤波器292
104双四元滤波器293
1041低Q双四元滤波器294
1042高Q双四元滤波器297
105电荷注入299
106开关电容器增益电路302
1061并联RC电路302
1062可复位增益电路303
1063可重置电容的增益电路304
107相关双采样技术306
108其他开关电容器电路307
1081调幅器308
1082全波整流器308
1083峰值检波器309
1084压控振荡器309
1085正弦振荡器311
109参考文献312
1010习题314
第11章数据转换器基本原理317
111理想的D/A转换器317
112理想的A/D转换器318
113量化噪声319
1131确定性方法319
1132随机方法320
114有符号码322
1141符号数值322
11421的补码322
1143偏移二进制码322
11442的补码323
115性能限度323
116参考文献328
117习题328
第12章奈奎斯特速率D/A转换器329
121基于译码器的转换器329
1211电阻器串转换器329
1212重叠电阻器串转换器330
1213多电阻器串转换器332
1214有符号输出333
122二进制标度转换器333
1221二进制加权电阻器转换器333
1222减小电阻比阶梯334
1223基于R2R的转换器335
1224电荷再分配开关电容器转换器336
1225电流模式转换器337
1226低频干扰337
123温度计码转换器338
1231温度计码电流模式D/A转换器339
1232单电源正输出转换器340
1233动态匹配电流源341
124混合转换器343
1241电阻器电容器混合转换器343
1242分段转换器344
125参考文献345
126习题345
第13章奈奎斯特速率A/D转换器347
131集成转换器347
132逐次逼近转换器350
1321基于DAC的逐次逼近351
1322单极性电荷再分配A/D352
1323有一个单独基准电压的有符号电荷再分配A/D355
1324电阻器电容器混合356
1325有误差修正的电荷再分配357
1326对电荷再分配转换器的速度估计359
133算术(或循环)A/D转换器360
134瞬时(或并联)转换器362
135两级A/D转换器366
136内插A/D转换器369
137重叠A/D转换器371
138管道A/D转换器375
139时间分解A/D转换器377
1310参考文献378
1311习题379
第14章过采样转换器381
141没有噪声频率成形的过采样381
1411量化噪声建模381
1412白噪声假设382
1413过采样的优点383
14141位D/A转换器的优点385
142有噪声频率成形的过采样385
1421噪声频率成形的DeltaSigma调制器386
1422一阶噪声频率成形387
1423一阶A/D转换器的开关电容器实现389
1424二阶噪声频率成形390
1425噪声传递函数曲线390
14261位调制器的量化噪声功率391
1427错误反馈结构391
143系统结构392
1431DeltaSigma A/D转换器的系统结构392
1432DeltaSigma D/A转换器的系统结构394
144数字抽取滤波器395
1441多级395
1442单级398
145高阶调制器398
1451内插结构398
1452多级噪声频率成形结构399
146带通过采样转换器400
147必须考虑的实际问题401
1471稳定性401
1472双电平转换器的线性402
1473空闲音404
1474抖动404
1475运算放大器增益405
148多位过采样转换器405
1481多位随机函数发生器D/A转换器406
1482D/A转换器中的动态匹配电流源406
1483数字校准A/D转换器407
1484同时有多位和一位反馈的A/D407
149三阶A/D设计示例408
1410参考文献410
1411习题411
第15章时序滤波器413
151GmC滤波器413
1511积分器413
1512全差动积分器414
1513一阶滤波器416
1514二阶滤波器418
152双极跨导420
1521使用电阻器的固定跨导420
1522增益单元跨导424
1523使用多个差动对的跨导425
153CMOS型三极管跨导值429
1531采用固定偏压晶体三极管的跨导429
1532采用变化偏压晶体三极管的跨导431
1533漏源电压恒定的跨导434
154利用有源晶体管的CMOS跨导436
1541CMOS对436
1542栅源电压的常量和437
1543与源极相连的差动对437
1544基于晶体管的跨导438
1545带浮动电压源的差动对439
1546跨组交叉的偏差漂移差动对441
155双CMOS跨导器442
1551三极管中的可调整MOS442
1552带有跨导线性乘法器的固定电阻跨导器443
1553带有跨导线性乘法器的固定值的有源MOS跨导器444
156MOSFET-C滤波器445
1561双晶体管积分器445
1562四晶体管积分器447
1563RMOSFETC滤波器448
157调谐电路系统449
1571调谐概述450
1572恒定跨导451
1573频率调谐452
1574Q因子调谐454
1575基于自适应滤波的调谐方法455
158动态范围性能456
1581总谐波失真456
1582三阶截点457
1583无失真动态范围460
159参考文献461
1510习题463
第16章锁相环路465
161基本的环路架构465
1611线性小信号分析469
1612捕捉范围473
1613锁定范围474
1614错误锁定474
1615异或门相位比较器474
162充电式相位比较器的PLL475
1621充电式PLL的小信号分析477
1622鉴相(频)器478
163压控振荡器480
1631双极型双发射极多谐振荡器481
1632环形振荡器483
1633CMOS张弛振荡器487
164PLL的计算机仿真487
1641用差分方程描述持续时间元件488
1642VCO的差分方程模型490
1643环路滤波器的差分方程模拟491
1644相位/频率比较器的仿真493
1645完整仿真493
165附录493
166参考文献496
167习题497