现代模拟集成电路设计

本书围绕先进工艺节点,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。

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。

第1章晶体管的长沟道模型

1.1MOS晶体管基本工作原理

1.2晶体管的电压电流关系

1.3晶体管工作区的划分

1.4晶体管本征电容

1.5晶体管寄生电容

1.5.1交叠电容

1.5.2pn结电容

1.5.3包含寄生电容的晶体管电容模型

1.5.4阱电容

1.6背栅效应

1.7本章小结

第2章放大器线性化分析

2.1基于晶体管大信号模型的放大器增益分析

2.2晶体管的小信号模型

2.2.1晶体管饱和区小信号模型

2.2.2晶体管线性区小信号模型

2.3基于晶体管小信号模型的放大器性能分析

2.4本章小结

第3章晶体管基本电路结构

3.1共源放大器

3.2共栅放大器

3.2.1输入输出特性

3.2.2输入输出阻抗

3.3共源共栅放大器

3.3.1共源共栅结构对电路增益的改善

3.3.2共源共栅结构对电路带宽的改善

3.4共漏放大器

3.4.1共漏放大器的频响特性

3.4.2共漏放大器的输入输出阻抗

3.4.3共漏极的应用

3.5电流镜

3.5.1基本电流镜

3.5.2共源共栅电流镜

3.5.3电流镜去耦

3.6本章小结

第4章晶体管的性能指标

4.1跨导效率、特征频率和本征增益的定义

4.1.1跨导效率的定义

4.1.2特征频率的定义

4.1.3本征增益的定义

4.1.4晶体管性能指标之间的联系

4.2晶体管性能指标与偏置电压之间的实际关系

4.2.1跨导效率与过驱动电压的实际关系

4.2.2特征频率与过驱动电压的关系

4.2.3本征增益与过驱动电压的关系

4.2.4漏源电压对晶体管参数的影响

4.3本章小结

第5章基于跨导效率的模拟电路设计方法

5.1传统设计方法及其弊端

5.2基于跨导效率设计方法及设计实例

5.2.1设计实例

5.2.2设计流程总结

5.3本章小结

第6章电路带宽分析方法

6.1带宽分析实例

6.2密勒近似

6.2.1密勒近似的基本原理

6.2.2密勒效应的一般情况

6.2.3密勒近似的准确性检查

6.2.4输出负载的影响

6.3零值时间常数分析

6.3.1零值时间常数分析的定义

6.3.2基于零值时间常数分析的带宽估计

6.3.3零值时间常数分析方法的原理及局限性

6.4本章小结

第7章噪声

7.1噪声的基本概念

7.2热噪声

7.2.1电阻热噪声

7.2.2晶体管热噪声

7.3闪烁噪声

7.3.1晶体管的闪烁噪声

7.3.2其他器件的闪烁噪声

7.4散粒噪声

7.5栅极电阻噪声

7.6电路中的噪声分析

7.6.1简单RC电路

7.6.2共源放大器

7.6.3共栅放大器

7.6.4共源共栅放大器

7.6.5共漏放大器

7.7能量均分原理

7.8本章小结

第8章差分电路

8.1差分概念的引入

8.2差分电路的分析方法及主要指标

8.2.1大信号分析

8.2.2小信号分析

8.2.3差分电路的共模抑制

8.2.4差分电路的电源抑制

8.2.5差分电路与单端电路的信噪比对比

8.3差分放大器分析

8.3.1电流镜负载的差分放大器

8.3.2全差分与单端输出

8.3.3全差分放大器的差模增益

8.4差分电路的常用技巧

8.4.1反相连接

8.4.2中和电容和负电阻

8.5本章小结

第9章器件偏差

9.1工艺、电压、温度偏差

9.2失配

9.2.1系统失配

9.2.2随机失配

9.3本章小结

第10章负反馈

10.1负反馈的意义和基本原理

10.1.1负反馈提高增益准确度

10.1.2负反馈提高线性度

10.1.3负反馈延展带宽

10.1.4理想反馈框图的局限性

10.2负反馈基本模式

10.2.1电压电压负反馈

10.2.2电流电压负反馈

10.2.3电流电流负反馈

10.2.4电压电流负反馈

10.2.5负反馈网络端口阻抗分析

10.3负反馈电路的稳定性判据

10.3.1BIBO稳定性判据

10.3.2巴克豪森判据

10.3.3奈奎斯特判据

10.4负反馈电路分析方法

10.4.1回路比值分析法

10.4.2Middlebrook方法

10.4.3Blackman阻抗公式及实例

10.5本章小结

第11章运算放大器基础

11.1运算放大器的基本概念

11.2运算放大器的基本指标

11.3基本单端运算跨导放大器

11.4基本全差分运算跨导放大器

11.4.1五管运算跨导放大器

11.4.2套筒式运算跨导放大器

11.4.3折叠式运算跨导放大器

11.5共模反馈

11.6本章小结

第12章开关电容电路

12.1开关电容电路的基本概念

12.2开关电容电路基础模块

12.2.1开关电容电阻

12.2.2开关电容滤波器

12.2.3飞电容

12.2.4处理连续时间信号的有源开关电容电路

12.2.5处理离散时间信号的有源开关电容电路

12.3开关电容的非理想效应与底板采样技术

12.4连续时间系统与离散时间系统的映射关系

12.5开关电容电路的噪声

12.6本章小结

第13章运算放大器进阶

13.1多级运算放大器

13.1.1单级运算放大器的局限性

13.1.2两级运算放大器

13.2小信号响应

13.2.1运算放大器的频响分析

13.2.2运算放大器的稳定性

13.2.3主极点补偿

13.2.4平行补偿

13.2.5密勒补偿

13.2.6前馈补偿

13.2.7阶跃响应

13.3大信号响应

13.3.1压摆

13.3.2大信号稳定性

13.4输出级

13.4.1输出级的分类

13.4.2推挽互补输出级

13.5本章小结

第14章运算放大器设计实践

14.1套筒式共源共栅放大器设计

14.1.1指标分析

14.1.2尺寸设计

14.1.3偏置电路及共模反馈电路设计

14.1.4电路仿真

14.2全差分两级跨导运算放大器设计

14.2.1指标分析

14.2.2尺寸设计与优化

14.2.3共模反馈电路设计

14.2.4电路仿真

14.3本章小结

第15章基准源

15.1基准源设计原理

15.1.1基于MOS管阈值电压Vt的电流偏置

15.1.2基于双极型晶体管VBE的电流偏置

15.2自偏置电流基准源

15.2.1自偏置电路的启动电路

15.2.2基于VBE的自偏置电流基准源

15.2.3基于ΔVBE的电流参考电路

15.2.4基于ΔVGS的电流参考电路

15.3带隙基准源原理

15.3.1基本带隙基准电路

15.3.2低电压的带隙基准电路

15.3.3带隙基准电路的非线性与补偿

15.3.4应力对带隙基准电路的影响

15.3.5带隙基准电路中的失调

15.4本章小结

第16章工艺演进对模拟电路的影响

16.1理解摩尔定律

16.2工艺演进下电路特性的变化

16.3从模拟电路设计看摩尔定律

16.4本章小结

附录A饱和区晶体管电容容值的推导

附录B跨容

附录C工艺演进与设计图表

C.140nm工艺仿真曲线

C.212nm FinFET工艺仿真曲线

附录D仿真方法

D.1直流分析

D.2交流分析

D.3稳定性分析

D.4噪声分析

D.5瞬态分析

参考文献

本人于2002—2006年在清华大学接受了本科教育，2006—2010年在哈佛大学和麻省理工学院接受了博士教育(研究生课程一半在哈佛大学、一半在麻省理工学院修习)，之后在得克萨斯大学奥斯汀分校(UT Austin)任教10年，直到2020年全职回到清华大学任教。

从我在美国求学和工作的经历来看，美国顶尖高校在教学过程中非常重视直觉理解。以密勒补偿技术为例，一种讲授方法是根据基尔霍夫方程推导出完整的传递函数表达式及零极点位置，并根据计算结果解释补偿原理。这种方法虽然准确严谨，但是难以理解，只能说推导的结论是这样的，学生只能被动去记忆推导过程和结论。另一种方法是讲授对电路的理解。我记得在麻省理工学院的模拟电路课上，教授三言两语就把密勒补偿的本质讲了出来，只经过几个简单近似就找到了零极点的位置，中间没有繁复的公式推导，但是给我以醍醐灌顶的感觉。

我在后来十余年的教学科研工作中，越发体会到直觉理解的重要性。第一，如果没有直觉理解，只是依赖公式推导，很快就会遗忘。第二，只有直觉理解才能达到活学活用，才能指导创新。据我所知，几乎所有重要的电路创新都不是靠推公式推出来的，而是靠直觉思考指引的。公式推导是准确描述某种技术的工具，但是引导人们发明该技术的“指南针”是直觉理解。第三，只有直觉理解，才能激发兴趣，让人感受到模拟电路的“美”。无论是学生、研究人员，还是工程师，兴趣和美感都是最重要的推动力。繁复的公式往往会掩盖电路的“美”，让人望而却步，但是如果我们能够把背后精妙的直觉理解讲出来，相信更多的人会喜欢上模拟电路设计。这一点对于我国芯片设计产业的发展尤为重要，因为我们需要培养更多一流人才选择模拟电路设计作为一生的职业。

我写作本书的目的是把美国顶级高校对模拟电路的讲授方法带回国，提供给读者一本注重直觉理解的模拟集成电路设计教材。我希望它尽可能简单易懂，而不是纷繁芜杂、故弄玄虚。我希望它是一本有温度的书，不是冰冷地给出公式和结论，而是用通俗的语言娓娓道来。我最希望的是读者因为读了这本书而体会到模拟电路的“美”，发现设计模拟电路并不复杂，其实是直观的、有趣的。

在模拟集成电路设计领域，已有两本经典的英文教材，一本是格雷教授的Analysis and Design of Analog Integrated Circuits，另一本是拉扎维教授的Design of Analog CMOS Integrated Circuits。这两本书都经过多次改版，内容丰富，也注重直觉理解，那么是否还有必要再用中文写一本新的教材呢？我觉得是需要的。国内绝大多数模拟电路设计的课程都是用中文讲授的，需要有配合中文授课的教材。另外，虽然英语在国内普及率持续提高，但是还有很多学生和工程师不习惯看英文原版教材，通过英文阅读吸收知识的效率并不高。这两本经典英文教材在国内虽然有中文翻译版，但是限于英文和中文文法以及表达方式的不同，依照英文原文直译的中文版阅读起来可能并不顺畅。国内的集成电路产业亟待发展，高水平中文教材是整个学术和产业生态系统中的重要一环。为了培养更多一流的学生和工程师，国内学者有责任、有必要坚持母语写作，给读者提供更多高质量的中文原著。

除了注重直觉理解之外，本书的另一个显著特点是主要针对先进工艺节点进行讲授。目前已出版的模拟集成电路设计教材往往采用理想模型或者长沟道工艺进行讲授，例如0.5μm CMOS工艺甚至是以BJT工艺为主。这与教材的初次创作时间有关，尤其是经典教材往往是十数年甚至数十年前创作的。在那个时间点，绝大多数模拟电路还是在微米尺寸CMOS工艺(甚至是BJT工艺)下进行设计的。时至今日，集成电路工艺得到了飞速发展，模拟集成电路也越发采用先进纳米尺寸的工艺节点进行设计。在先进工艺节点下，电路设计的方法和采用的技术与老工艺已经有明显差别，这就要求教材与时俱进。本书中绝大多数的设计实例采用了40nm CMOS工艺。选择这个工艺节点是经过深思熟虑的。一方面，我们希望工艺节点尽可能先进，充分展现出在先进工艺节点下设计模拟电路与老工艺的不同，同时能够匹配当前(2023年)主流模拟集成电路产品的工艺节点需求，保证时效性。另一方面，我们不希望这个工艺节点过于先进(如5nm FinFET工艺)，否则会不具代表性，因为目前大多数模拟产品并没有采用如此先进的节点，在FinFET工艺下适用或不适用的技术可能与体硅(Bulk CMOS)工艺刚好相反。本书虽然主要以40nm CMOS工艺作为范例，但也会讨论老工艺与FinFET工艺的特点，例如在附录中展示了FinFET工艺下的器件特性。

由于很多经典的教材是在老工艺节点的背景下写作的，因此在讲解模拟电路设计方法时，往往假设长沟道IV方程成立，并采用过驱动电压VOV作为核心参数进行设计。这种设计方法在先进纳米尺寸工艺下已不再适用。纳米尺寸器件有强烈的短沟道效应，用长沟道模型进行描述会导致很大偏差。此外，出于对高能效的追求，目前模拟电路中晶体管往往偏置在弱反型或亚阈值区，这与长沟道IV方程所假设的强反型工作区也是不相符的。为了解决这些问题，本书采用了基于跨导效率gm/ID的设计方法。这套方法约在20年前创立，目前已经发展成为先进工艺下进行模拟电路设计的主流方法。

本书还有一个特点是重实践。电路分析和设计理论固然重要，但更重要的是能够指导实践，解决实际问题。我们担心读者在阅读一本教材之后，虽然通晓各种理论，但是面对一个实际设计任务不知如何下手。因此，本书在讲解电路设计技术时尽可能结合实例，采用真实的晶体管模型，将各种非理想因素对实际电路性能的影响考虑在内。为了帮助读者理解如何使用书中提到的技术设计典型模拟电路，我们专门写作了“运放设计实践”一章，一步一步指导读者采用gm/ID设计方法在40nm工艺节点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。同时，在附录中也添加了“仿真方法”这一小节，帮助读者搭建仿真测试环境，让读者能够在阅读本书的同时真正上手进行设计和仿真。要学习模拟电路设计，只读书肯定是不够的。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”对工程实践来说，尤为如此，不动手就学不会。

感谢我的两位合著者，电子科技大学的刘佳欣教授和清华大学的揭路教授。本书最初的文字稿来自课堂讲义以及录屏，是按照给学生上课的形式组织的，很多部分的讲授方法和顺序与一本教材的要求不符。刘佳欣和揭路提出了许多宝贵的修改意见，并对本书第8~13章的初稿进行了全面的改写和补充。还要感谢我的三位助教古明阳、詹眀韬、张智帅，以及参与本书写作的我课堂上的学生王佳维、杨泽坤、罗志镪、李文颖、苏海津、牛泽霖、张奥东。同学们在三位助教的悉心组织下，花费了大量时间精力把课堂讲义和语音组织成了最初的文字稿，并按照统一的格式重绘了350余幅图表，此后又配合我们三位老师进行了多轮文字和图表的修改。没有你们的付出，我们不可能在一年半的时间内完成本书的写作。

感谢多位知名高校的老师帮助审阅本书的初稿，包括清华大学的仲易，北京大学的唐希源、沈林晓，西安电子科技大学的李登全、沈易，西安交通大学的张岩龙，西安邮电大学的辛昕。你们的建议帮助本书显著提升了质量。本书首先是作为教材在清华大学2023年秋季学期“高等模拟电路设计”课程上试用的，感谢许多同学对本书提出了宝贵的反馈意见。

此外，衷心感谢斯坦福大学的Boris Murmann教授在2011年无私分享了他

的授课PPT,我的课堂讲义是基于他的PPT框架进行组织的。虽然他没有直接参

与本书的写作,但是本书在内容编排上借鉴了很多他的智慧。还要感谢清华大

学出版社对本书的大力支持，尤其文怡编辑对本书进行了非常细致的修订，使得

本书的文字质量得到显著提升。

最后，感谢我的家人在本书写作过程中给予我的支持，没有你们提供一个温馨稳定的大后方，我不可能在繁忙的日常工作中还能抽出时间写作本书。特别感谢我的父亲，虽然我有写作本书的想法，但是由于实在太忙而多次想打退堂鼓，是您的激励让我坚持了下来。

孙楠

2023年11月