现代模拟集成电路设计

第1章晶体管的长沟道模型1
1.1MOS晶体管基本工作原理2
1.2晶体管的电压-电流关系3
1.3晶体管工作区的划分4
1.4晶体管本征电容5
1.5晶体管寄生电容7
1.5.1交叠电容8
1.5.2pn结电容8
1.5.3包含寄生电容的晶体管电容模型10
1.5.4阱电容12
1.6背栅效应12
1.7本章小结14
第2章放大器线性化分析15
2.1基于晶体管大信号模型的放大器增益分析16
2.2晶体管的小信号模型18
2.2.1晶体管饱和区小信号模型18
2.2.2晶体管线性区小信号模型21
2.3基于晶体管小信号模型的放大器性能分析22
2.4本章小结22
第3章晶体管基本电路结构24
3.1共源放大器25
3.2共栅放大器26
3.2.1输入-输出特性26
3.2.2输入-输出阻抗27
3.3共源共栅放大器28
3.3.1共源共栅结构对电路增益的改善29
3.3.2共源共栅结构对电路带宽的改善29
3.4共漏放大器31
3.4.1共漏放大器的频响特性31
3.4.2共漏放大器的输入-输出阻抗32
3.4.3共漏极的应用36
3.5电流镜38
3.5.1基本电流镜39
3.5.2共源共栅电流镜39
3.5.3电流镜去耦42
3.6本章小结42
第4章晶体管的性能指标43
4.1跨导效率、特征频率和本征增益的定义44
4.1.1跨导效率的定义44
4.1.2特征频率的定义44
4.1.3本征增益的定义46
4.1.4晶体管性能指标之间的联系46
4.2晶体管性能指标与偏置电压之间的实际关系47
4.2.1跨导效率与过驱动电压的实际关系48
4.2.2特征频率与过驱动电压的关系53
4.2.3本征增益与过驱动电压的关系55
4.2.4漏源电压对晶体管参数的影响55
4.3本章小结57
第5章基于跨导效率的模拟电路设计方法58
5.1传统设计方法及其弊端59
5.2基于跨导效率设计方法及设计实例59
5.2.1设计实例60
5.2.2设计流程总结65
5.3本章小结65
第6章电路带宽分析方法66
6.1带宽分析实例67
6.2密勒近似69
6.2.1密勒近似的基本原理70
6.2.2密勒效应的一般情况71
6.2.3密勒近似的准确性检查71
6.2.4输出负载的影响72
6.3零值时间常数分析73
6.3.1零值时间常数分析的定义73
6.3.2基于零值时间常数分析的带宽估计74
6.3.3零值时间常数分析方法的原理及局限性75
6.4本章小结76
第7章噪声78
7.1噪声的基本概念79
7.2热噪声80
7.2.1电阻热噪声80
7.2.2晶体管热噪声82
7.3闪烁噪声83
7.3.1晶体管的闪烁噪声83
7.3.2其他器件的闪烁噪声84
7.4散粒噪声85
7.5栅极电阻噪声86
7.6电路中的噪声分析88
7.6.1简单RC电路88
7.6.2共源放大器91
7.6.3共栅放大器92
7.6.4共源共栅放大器93
7.6.5共漏放大器94
7.7能量均分原理94
7.8本章小结96
第8章差分电路97
8.1差分概念的引入98
8.2差分电路的分析方法及主要指标99
8.2.1大信号分析99
8.2.2小信号分析102
8.2.3差分电路的共模抑制104
8.2.4差分电路的电源抑制106
8.2.5差分电路与单端电路的信噪比对比108
8.3差分放大器分析108
8.3.1电流镜负载的差分放大器108
8.3.2全差分与单端输出109
8.3.3全差分放大器的差模增益110
8.4差分电路的常用技巧111
8.4.1反相连接111
8.4.2中和电容和负电阻112
8.5本章小结114
第9章器件偏差115
9.1工艺、电压、温度偏差116
9.2失配117
9.2.1系统失配117
9.2.2随机失配119
9.3本章小结123
第10章负反馈124
10.1负反馈的意义和基本原理125
10.1.1负反馈提高增益准确度125
10.1.2负反馈提高线性度126
10.1.3负反馈延展带宽126
10.1.4理想反馈框图的局限性127
10.2负反馈基本模式128
10.2.1电压-电压负反馈128
10.2.2电流-电压负反馈128
10.2.3电流-电流负反馈129
10.2.4电压-电流负反馈129
10.2.5负反馈网络端口阻抗分析130
10.3负反馈电路的稳定性判据134
10.3.1BIBO稳定性判据134
10.3.2巴克豪森判据134
10.3.3奈奎斯特判据136
10.4负反馈电路分析方法139
10.4.1回路比值分析法140
10.4.2Middlebrook方法144
10.4.3Blackman阻抗公式及实例145
10.5本章小结148
第11章运算放大器基础150
11.1运算放大器的基本概念151
11.2运算放大器的基本指标152
11.3基本单端运算跨导放大器153
11.4基本全差分运算跨导放大器154
11.4.1五管运算跨导放大器155
11.4.2套筒式运算跨导放大器156
11.4.3折叠式运算跨导放大器157
11.5共模反馈159
11.6本章小结162
第12章开关电容电路163
12.1开关电容电路的基本概念164
12.2开关电容电路基础模块164
12.2.1开关电容电阻164
12.2.2开关电容滤波器165
12.2.3飞电容166
12.2.4处理连续时间信号的有源开关电容电路169
12.2.5处理离散时间信号的有源开关电容电路170
12.3开关电容的非理想效应与底板采样技术171
12.4连续时间系统与离散时间系统的映射关系172
12.5开关电容电路的噪声172
12.6本章小结174
第13章运算放大器进阶175
13.1多级运算放大器176
13.1.1单级运算放大器的局限性176
13.1.2两级运算放大器178
13.2小信号响应181
13.2.1运算放大器的频响分析181
13.2.2运算放大器的稳定性186
13.2.3主极点补偿187
13.2.4平行补偿189
13.2.5密勒补偿191
13.2.6前馈补偿197
13.2.7阶跃响应199
13.3大信号响应205
13.3.1压摆205
13.3.2大信号稳定性210
13.4输出级211
13.4.1输出级的分类211
13.4.2推挽互补输出级213
13.5本章小结215
第14章运算放大器设计实践216
14.1套筒式共源共栅放大器设计217
14.1.1指标分析218
14.1.2尺寸设计218
14.1.3偏置电路及共模反馈电路设计221
14.1.4电路仿真223
14.2全差分两级跨导运算放大器设计226
14.2.1指标分析226
14.2.2尺寸设计与优化229
14.2.3共模反馈电路设计233
14.2.4电路仿真235
14.3本章小结238
第15章基准源240
15.1基准源设计原理241
15.1.1基于MOS管阈值电压Vt的电流偏置242
15.1.2基于双极型晶体管VBE的电流偏置243
15.2自偏置电流基准源243
15.2.1自偏置电路的启动电路244
15.2.2基于VBE的自偏置电流基准源245
15.2.3基于ΔVBE的电流参考电路246
15.2.4基于ΔVGS的电流参考电路247
15.3带隙基准源原理248
15.3.1基本带隙基准电路249
15.3.2低电压的带隙基准电路250
15.3.3带隙基准电路的非线性与补偿251
15.3.4应力对带隙基准电路的影响253
15.3.5带隙基准电路中的失调253
15.4本章小结255
第16章工艺演进对模拟电路的影响256
16.1理解摩尔定律257
16.2工艺演进下电路特性的变化258
16.3从模拟电路设计看摩尔定律259
16.4本章小结261
附录A饱和区晶体管电容容值的推导262
附录B跨容263
附录C工艺演进与设计图表265
C.140nm工艺仿真曲线265
C.212nmFinFET工艺仿真曲线268
附录D仿真方法272
D.1直流分析272
D.2交流分析273
D.3稳定性分析273
D.4噪声分析274
D.5瞬态分析275
参考文献276

孙楠，清华大学教授。他2006年本科毕业于清华大学，2010博士毕业于哈佛大学。他在2011年入职美国德克萨斯大学奥斯丁分校，在2017年获得终身教职。他在2018入选国家特聘专家，于同年在清华担任特聘访问教授，并从2020年起担任长聘教授。他在2020年ISSCC会议上获得了IEEE固态电路协会首次颁发的新前沿奖，2013年获得美国自然科学基金Career Award。

"（1） 基于作者在哈佛大学和麻省理工学院的求学经历，以及在得克萨斯大学奥斯汀分校10年的授课经历，融汇世界有名高校对模拟电路设计的教学理念。 （2） 注重直觉理解，不依赖繁复公式推导，用简单语言讲解复杂原理， 提升技术理解力，激发对模拟电路的兴趣。 （3） 围绕优选工艺节点，讲解现代模拟集成电路设计方法，着重阐释基于跨导效率的设计方法，绝大多数设计实例采用40nm工艺节点，充分展现在微米尺寸老工艺和纳米尺寸新工艺下设计模拟电路的不同点。 （4） 提供350多幅图表，力求对核心电路设计思想进行形象解释，加深理解。 （5） 重视实践，提供大量贴近实际的设计案例，考虑各种非理想因素，逐步指导读者采用基于跨导效率的设计方法在40nm工艺下设计出满足实际性能指标的单级和两级跨导运算放大器。"

本书围绕优选工艺节点，基于跨导效率的设计方法介绍现代模拟集成电路的分析与设计方法。全书大体上分为三部分：第一部分(第1~7章)对模拟集成电路中的基本元件晶体管，以及基本的分析与设计方法进行介绍，包括晶体管的长沟道模型与小信号模型、晶体管的基本电路结构、晶体管的性能指标、基于跨导效率的模拟电路设计方法、模拟电路的带宽分析方法、模拟电路中的噪声等。第二部分(第8~10章)介绍模拟电路设计中常见的一些问题与设计技巧，如器件偏差、差分结构、负反馈技术等，并引入模拟电路中最常见的电路结构，即运算放大器与开关电容电路。第三部分(第11~14章)详细介绍了运算放大器的分析与设计方法，并提供完整的运算放大器设计实例作为参考。此外，第15章和第16章还介绍了基准源电路以及集成电路的工艺演进。
本书既可作为集成电路设计领域的本科生和研究生教材，也可供相关科研人员和工程技术人员参考。

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