第12章模拟集成电路基础(半导体集成电路共14章)
模拟集成电路设计
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
关键字分析思维导图
集成电路
集成电路
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设计
设计
模拟 能够
掌握
内容摘要
《模拟集成电路设计》是一本全面介绍模拟集成电路设计的著作，涵盖了从基础知识到高级设计 技术的各个方面。本书首先介绍了模拟集成电路的基本概念和设计流程，然后详细阐述了各种模 拟电路元件的设计和特性，包括电阻、电容、电感、二极管、晶体管等。接下来，本书深入探讨 了模拟集成电路的设计技巧，包括反馈设计、频率响应优化、噪声抑制等。本书还涵盖了模拟集 成电路的版图设计和测试方法，为读者提供了全面的设计工具。
本书的一大亮点是它的理论与实践相结合的方法。它不仅提供了大量的理论分析，还通过实例演 示了如何将理论应用到实际设计中。这种方法使得读者能够更好地理解并掌握模拟集成电路设计 的精髓。
《模拟集成电路设计》是一本非常优秀的教材，无论是对初学者还是对有一定经验的工程师来说， 都是一本极有价值的参考书籍。本书不仅介绍了模拟集成电路的基本知识和技术，还通过实例和 案例分析，使读者能够深入了解并掌握模拟集成电路设计的关键技术和实际应用。
书中另一句引人注目的话是：“在所有的电子系统中，模拟电路是心脏。” 这句话强调了模拟集成电路在电子系统中的核心地位。无论是信号的输入、放大、 处理，还是最后的输出，都离不开模拟集成电路的强大功能。
还有一句令人印象深刻的话：“模拟集成电路设计的挑战在于平衡性能、功 耗和成本。”这是对模拟集成电路设计复杂性的最好诠释。设计师需要在满足性 能要求的还要考虑功耗和成本的问题，这需要他们具备深厚的专业知识和丰富的 实践经验。
《半导体集成电路》课件
这是一份关于半导体集成电路的PPT课件。通过本课件，您将了解到半导体 集成电路的定义、分类、制造工艺、发展和产业链等方面的内容。
什么是半导体集成电路？
半导体集成电路是一种将多个电子元件组合在一起的电路，利用半导体材料 的特性实现电子信号处理与控制功能的器件。
பைடு நூலகம்
半导体集成电路的分类
半导体集成电路的发展
1
从TTL到MOS
从传统的晶体管技术（TTL）发展到金属氧化物半导体技术（MOS），实现更 高的集成度和更低的功耗。
2
LSI、VLSI及以上集成度的发展
集成度逐步提高，从LSI（大规模集成电路）发展到VLSI（超大规模集成电路） 以及更高的集成度。
3
半导体集成电路的应用和前景
广泛应用于计算机、通信、消费电子、汽车等领域，并具有广阔的发展前景。
半导体集成电路是现代电子技 术进步的核心，深刻改变了人 类社会的各个方面。
发展趋势和未来展望
随着科技的发展，半导体集成 电路将继续向更高的集成度、 更低的功耗和更多的应用领域 发展。
个人对半导体集成电路 的理解和观点
半导体集成电路是现代科技的 基石，让我们能够享受到如此 丰富多样的高科技产品和服务。
半导体集成电路的制造工艺
1
P型和N型半导体的制作
通过控制材料的掺杂和热处理，制作出具有不同电子特性的P型和N型半导体材 料。
2
晶体管和二极管的制作
利用半导体材料的特性，通过掺杂和干涉等工艺制造晶体管和二极管等基本的电 子元器件。
3
集成电路的制作流程
包括光刻、薄膜沉积、刻蚀、离子注入、扩散、金属沉积等一系列工艺步骤。
半导体集成电路的产业链
《模拟集成电路》课件
，以便对设计的电路进行全面的测试和评估。
PART 05
模拟集成电路的制造工艺
REPORTING
半导体材料
硅材料
硅是最常用的半导体材料，具有 稳定的物理和化学性质，成熟的 制造工艺以及低成本等优点。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等化合物半导 体材料，具有高电子迁移率、宽 禁带等特点，常用于高速、高频 和高温电子器件。
《模拟集成电路》课 件
REPORTING
• 模拟集成电路概述 • 模拟集成电路的基本元件 • 模拟集成电路的分析方法 • 模拟集成电路的设计流程 • 模拟集成电路的制造工艺 • 模拟集成电路的优化与改进
目录
PART 01
模拟集成电路概述
REPORTING
定义与特点
定义
模拟集成电路是指由电阻、电容、电 感、晶体管等电子元件按一定电路拓 扑连接在一起，实现模拟信号处理功 能的集成电路。
围和失真。
信号分析方法
01
02
03
04
频域分析
将时域信号转换为频域信号， 分析信号的频率成分和频谱特
性。
时域分析
研究信号的幅度、相位、频率 和时间变化特性，分析信号的
波形和特征参数。
调制解调分析
研究信号的调制与解调过程， 分析信号的调制特性、解调失
真等。
非线性分析
研究电路的非线性效应，分析 信号的非线性失真和互调失真
音频领域
模拟集成电路在音频领域中主要用于 音频信号的放大、滤波、音效处理等 功能，如音响设备、耳机等产品中的 模拟集成电路。
模拟集成电路的发展趋势
集成度不断提高
随着半导体工艺的不断发展，模 拟集成电路的集成度不断提高， 能够实现更加复杂的模拟信号处
集成电路设计基础
集成电路设计基础1. 引言集成电路设计是现代电子工程领域中的重要一环。
它涉及到将多个电子元件（如晶体管、电容器和电阻器等）集成在同一个硅片上，从而实现更高级别的电子功能。
本文将介绍集成电路设计的基础知识，包括集成电路的分类、设计流程以及常用的设计工具等。
2. 集成电路的分类根据集成度的不同，集成电路可以分为三种类型：小规模集成电路（LSI）、中规模集成电路（MSI）和大规模集成电路（LSI）。
LSI通常包括10个以上的门电路，MSI则包括数十个门电路，而LSI包含了成千上万个门电路。
此外，根据功能的不同，集成电路可以分为模拟集成电路和数字集成电路。
模拟集成电路是利用模拟信号进行信息处理，而数字集成电路是利用数字信号进行信息处理。
3. 集成电路设计流程集成电路的设计通常包括以下几个步骤：3.1 需求分析在设计集成电路之前，首先需要明确设计的目标和需求。
这包括确定电路的功能、性能指标以及工作环境等。
3.2 电路设计在电路设计阶段，需要根据需求分析的结果设计出符合要求的电路结构。
这包括选择适当的电子元件、确定元件的连接方式以及设计电路的布局等。
3.3 电路模拟在电路模拟阶段，使用模拟电路仿真工具对设计的电路进行模拟。
通过模拟可以评估电路的性能指标，如增益、带宽和功耗等。
3.4 电路布局与布线在电路布局与布线阶段，需要设计电路的物理结构以及元件之间的连接方式。
这包括确定电路的尺寸、排列顺序以及设计布线的路径等。
3.5 校准与测试在校准与测试阶段，需要对设计的集成电路进行校准和测试。
这包括检查电路的功能和性能指标是否满足需求，并对电路进行调整和优化。
4. 集成电路设计工具集成电路设计通常使用专门的设计工具来辅助完成。
常用的集成电路设计工具包括：•电路设计工具：如Cadence、Mentor Graphics等，用于设计电路的原理图和逻辑图。
•电路仿真工具：如Spice、HSPICE等，用于对设计的电路进行模拟和验证。
模拟集成电路设计教学大纲
模拟集成电路设计教学大纲目录一、课程开设目的和要求2二、教学中应注意的问题2三、课程内容及学时分配2第一章模拟电路设计绪论2第二章MOS器件物理基础2第三章单级放大器3第四章差动放大器3第五章无源与有源电流镜3第六章放大器的频率特性3第八章反馈3第九章运算放大器3高级专题3四、授课学时分配4五、实践环节安排4六、教材及参考书目5课程名称：模拟集成电路设计课程编号：055515英文名称：Analog IC design课程性质：独立设课课程属性：专业限选课应开学期：第5学期学时学分：课程总学时___48,其中实验学时一-一8。
课程总学分--3学生类别：本科生适用专业：电子科学与技术专业的学生。
先修课程：电路、模拟电子技术、半导体物理、固体物理、集成电路版图设计等课程。
一、教学目的和要求CMOS模拟集成电路设计课程是电子科学与技术专业（微电子方向）的主干课程，在教学过程中可以培养学生对在先修课程中所学到的有关知识和技能的综合运用能力和CMOS模拟集成电路分析、设计能力，掌握微电子技术人员所需的基本理论和技能，为学生进一步学习硕士有关专业课程和日后从事集成电路设计工作打下基础。
二、教学中应注意的问题1、教学过程中应强调基本概念的理解，着重注意引导和培养学生的电路分析能力和设计能力2、注重使用集成电路设计工具对电路进行分析仿真设计的训练。
3、重视学生的计算能力培养。
三、教学内容第一章模拟电路设计绪论本课程讨论模拟CMOS集成电路的分析与设计，既着重基本原理，也着重于学生需要掌握的现代工业中新的范例。
掌握研究模拟电路的重要性、研究模拟集成电路以及CMOS模拟集成电路的重要性，掌握电路设计的一般概念。
第二章MOS器件物理基础重点与难点：重点在于MOS的I/V特性以及二级效应。
难点在于小信号模型和SPICE模型。
掌握MOSFET的符号和结构，MOS的I/V特性以及二级效应，掌握MOS 器件的版图、电容、小信号模型和SPICE模型，会用这些模型分析MOS电路。
最新半导体集成电路部分习题答案(朱正涌)
半导体集成电路部分习题答案(朱正涌)第1章 集成电路的基本制造工艺1.6 一般TTL 集成电路与集成运算放大器电路在选择外延层电阻率上有何区别?为什么?答：集成运算放大器电路的外延层电阻率比一般TTL 集成电路的外延层电阻率高。
第2章 集成电路中的晶体管及其寄生效应 复 习 思 考 题2.2 利用截锥体电阻公式，计算TTL “与非”门输出管的CS r ，其图形如图题2.2所示。
提示：先求截锥体的高度up BL epi mc jc epi T x x T T -----=- 然后利用公式： ba ab WL Tr c -•=/ln 1ρ ， 212••=--BL C E BL S C W L R rba ab WLTr c -•=/ln 3ρ 321C C C CS r r r r ++=注意：在计算W 、L 时, 应考虑横向扩散。
2.3 伴随一个横向PNP 器件产生两个寄生的PNP 晶体管，试问当横向PNP 器件在4种可能的偏置情况下，哪一种偏置会使得寄生晶体管的影响最大? 答：当横向PNP 管处于饱和状态时，会使得寄生晶体管的影响最大。
2.8 试设计一个单基极、单发射极和单集电极的输出晶体管，要求其在20mA 的电流负载下，OL V ≤0.4V ，请在坐标纸上放大500倍画出其版图。
给出设计条件如下：答： 解题思路⑴由0I 、α求有效发射区周长Eeff L ； ⑵由设计条件画图①先画发射区引线孔；②由孔四边各距A D 画出发射区扩散孔； ③由A D 先画出基区扩散孔的三边； ④由B E D -画出基区引线孔； ⑤由A D 画出基区扩散孔的另一边； ⑥由A D 先画出外延岛的三边； ⑦由C B D -画出集电极接触孔； ⑧由A D 画出外延岛的另一边； ⑨由I d 画出隔离槽的四周；⑩验证所画晶体管的CS r 是否满足V V OL 4.0≤的条件，若不满足，则要对所作的图进行修正，直至满足V V OL 4.0≤的条件。
《模拟集成电路设计》教学大纲
模拟集成电路设计课程教学大纲一、课程的基本信息适应对象：电子科学与技术专业本科课程代码：25E01015学时分配：64=48理论+16实践赋予学分：4先修课程：电路分析、半导体物理、模拟电子技术、信号与系统后续课程：集成电路原理与应用、集成电路工艺原理二、课程性质与任务本课程是电子科学与技术专业本科生必修的一门重要的专业课程。
通过本课程的学习，使学生掌握模拟集成电路分析与设计的基本方法，并能借助辅助设计工具对简单模拟集成电路进行仿真设计。
三、教学目的与要求通过本课程的教学，引导和帮助学生实现简单的模拟集成电路分析与设计。
本课程要求掌握模拟集成电路的分析、设计与仿真方法，内容包括集成电路器件模型、工艺与布局、镜像电流源和单级放大电路基础、噪声分析与模型分析、基本运算放大器设计、比较器、采样保持与带隙基准。
四、教学内容与安排（一）理论教学内容与安排绪论(2学时)教学内容：1、模拟集成电路设计方法、工具与流程2、模拟集成电路的工艺技术3、模拟集成电路的发展教学要求：1、本章重点了解模拟集成电路设计方法、工具与流程。
第一章集成电路器件和模型(8学时)教学内容：1、半导体和pn结2、mos晶体管3、高级mos模型4、双极结晶体管5、器件模型总结6、spice模型参数教学要求：1、本章难点在于高级mos模型的掌握；2、本章重点在于掌握spice模型参数。
第二章工艺和布局(4学时)教学内容：1、工艺和布局2、cmos工艺3、双极工艺4、cmos布局和设计准则5、模拟布局考虑教学要求：1、本章难点在于模拟布局考虑；2、本章重点在于了解cmos工艺。
第三章镜像电流源和单级放大电路基础(8学时)教学内容：1、简单cmos镜像电流源2、共源放大器3、源极跟随器或共漏放大器4、共栅放大器5、源极退化镜像电流源6、高输出阻抗镜像电流源7、共射共基增益级8、mos差动对和增益级9、双极镜像电流源10、双极增益级11、频率响应教学要求：1、本章难点在于掌握用小信号模型分析电流镜与放大器；2、本章重点在于掌握电流镜原理、COMS单管放大。
《半导体集成电路》考试题目及参考答案
第一部分考试试题第0章绪论1.什么叫半导体集成电路？2.按照半导体集成电路的集成度来分，分为哪些类型，请同时写出它们对应的英文缩写？3.按照器件类型分，半导体集成电路分为哪几类？4.5.6.1.2.3.4.5.6.7.8.请画出CMOS反相器的版图，并标注各层掺杂类型和输入输出端子。
第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应1.简述集成双极晶体管的有源寄生效应在其各工作区能否忽略？。
2.什么是集成双极晶体管的无源寄生效应？3. 什么是MOS晶体管的有源寄生效应？4. 什么是MOS晶体管的闩锁效应，其对晶体管有什么影响?5. 消除“Latch-up”效应的方法？6.如何解决MOS器件的场区寄生MOSFET效应？7. 如何解决MOS器件中的寄生双极晶体管效应？第3章集成电路中的无源元件1.双极性集成电路中最常用的电阻器和MOS集成电路中常用的电阻都有哪些？2.集成电路中常用的电容有哪些。
3.4.5.1.流2. 分析四管标准TTL与非门（稳态时）各管的工作状态？3. 在四管标准与非门中，那个管子会对瞬态特性影响最大，并分析原因以及带来那些困难。
4. 两管与非门有哪些缺点，四管及五管与非门的结构相对于两管与非门在那些地方做了改善，并分析改善部分是如何工作的。
四管和五管与非门对静态和动态有那些方面的改进。
5. 相对于五管与非门六管与非门的结构在那些部分作了改善，分析改进部分是如何工作的。
6. 画出四管和六管单元与非门传输特性曲线。
并说明为什么有源泄放回路改善了传输特性的矩形性。
7. 四管与非门中，如果高电平过低，低电平过高，分析其原因，如与改善方法，请说出你的想法。
8.1. 2. 4. 5. 6.7.请画出晶体管的D DS I V 特性曲线，指出饱和区和非饱和区的工作条件及各自的电流方程（忽略沟道长度调制效应和短沟道效应）。
8.给出E/R 反相器的电路结构，分析其工作原理及传输特性，并计算VTC 曲线上的临界电压值。
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使用有源器件（MOS或二极管）作负载元件 •二极管型负载元件 •电流源型负载元件
2019/6/16
二极管负载
栅漏相接，工作在饱和区
(gm gmb)Vx Vx Ix ro
（Vbs=V1=-Vx）
等效电阻:
2019/6/16
Vx 1 || ro 1
Ix gm gmb
小信号增益当Vin1=Vin2时达到最大，且随着 | Vin1-Vin2|的增大而减小
2019/6/16
常用差分对的输入输出特性
2019/6/16
VDD-RDISS
2019/6/16
差分对增益
半边等效电路增益：同共源极电路
Av1
Vout 2 Vin1
Vout1 Vin 2
gm RD
VBS
L
VBS
g 2019/6/16 mb
gm
gm
2 2F VSB
2019/6/16
二、单级放大器
MOS 反相器
Vout
AO
VOUT VIN
∆VOUT
Vin
∆VIN
在放大电路中，一般将MOS管控制在饱和区 输入阻抗、输出阻抗、增益
2019/6/16
1.
(a)电阻负载
2019/6/16
截止区 饱和区
线性区 大信号分析
共源极放大器（小信号分析）
Ri ∞
Ro=RD||ro
av
vout vin
gmv1 (ro // RD ) v1
gm (ro
// RD )
2019/6/16
结论
电阻作为负载元件的缺点： •高增益要求大阻值 •电阻值存在很大偏差，不易控制
有损耗电缆
Vin Vout
t
2019/6/16
内容提要
MOSFET的小信号模型 模拟电路中的基本单元
单极放大器 差分对放大器 电流源 运算放大器
2019/6/16
一、MOSFET的小信号模型（饱和区）
1. 不考虑沟道长度调制效应和体效应
ID 非饱和区 饱和区
VG
VD MOS管的大信号特性
MOS管的小信号模型（饱和区）
I DS
1 2
Cox
W L ' (VGS
VTH )2
2019/6/16
2. 考虑沟道长度调制效应
MOS管的小信号模型（饱和区）
I DS2019K/6/n1(6VGS VTH )2 (1 VDS )
ro
VDS ID
1
ID / VDS
nCox W
(c)电流源负载共源放大器
Av gm ro1 || ro2 （高增益）
ro ro1 || ro2
共源放大器特点：1. 输入阻抗高，输入与输出反相 2.有源负载可以获得高增益
2019/6/16
2.
2019/6/16
Vb
(g
Av
mVin
Vout Vin
g
V mb in
(gm g
3.
2019/6/16
作为作业给出求:RO、av值的过程
2019/6/16
高输入阻抗、低输出阻抗 增益接近于1，可作缓冲器 可作为电平级移电路和阻抗变换器
4.
2019/6/16
特点：M2屏蔽M1，可以削弱放大管M1的栅漏电容的影响，有利 于展宽频带；输出电阻变大，但电压摆幅减小。
2019/6/16
电流源
电流IOUT严重依赖电 源，温度和工艺！！
（忽略沟道长度调制效应）
Av (di f f )
Vout1 Vin1
Vout 2 Vin2
gm RD
Av(S.E.)
gm 2
RD
四、恒流源电路
用途：
•偏置电路 •有源负载
电流源的关键指标：
•输出电阻、电容等 •稳定性：对电源、工艺、温度的依赖性
基本形式：
镜像电流源（电流镜）
2019/6/16
放大倍数与共源极相近
三、差分对放大器
2019/6/16
三、差分对放大器
为什么使用差分对?
2019/6/16
三、差分对放大器
为什么使用差分对?
2019/6/16
消除电源干扰
消除时钟干扰
2019/6/16
消除时钟干扰
2019/6/16
消除时钟干扰
2019/6/16 信号以差分的方式传输
时钟以差分的方式传输
gm gmb
(相当于忽略沟道长度调制效应）
(b)二极管负载共源放大器
2019/6/16
大信号特性
Ro
gm2
1 gmb2
|| ro1
av
gm1( gm2
1 gmb2
||
ro1 )
g m1
gm2
1 gmb2
根据电流相等导出
输出电压摆幅： Vout（min）=Vin-VT1=Vov
Vin Vout
ro
mb
1 ro
)(ro
)
||
RD
RD
Vout（V1=Vbs=-Vin)
) (gm gmb )(ro || RD )
Rin
1 gm
||
1 gmb
(忽略沟道长度调制效应）
特201点9/6/1：6 输入阻抗低，输出阻抗高，可作电流源
输入与输出同相，高频特性好，无电容Miller效应
2019/6/16
半导体 集成电路
学校：西安理工大学 院系：自动化学院电子工程系 专业：电子、微电 时间：秋季学期
第12章 模拟电路基础
2019/6/16
自然界信号的处理
010 111 101
ADC
CPU DSP
大自然
2019/6/16
滤波器
010 ADC 111
101
计算机世界
数字通信
2019/6/16放大倍数存在非线性
Vout（max）=VDD-VT2 过驱动电压
改进：消除M2衬底调制效应
措施 二极管连接的PMOS作负载
输入输出高 线性度
特殊工艺：将M2（NMOS）放在单独的阱中
Av un (W / L)1 up (W / L)2
20高19/6增/16 益要求“强”的输入器件和“弱”的负载器件，电压摆 幅小
1
(VGS VTH )2
1
ID
2L
3. 考虑衬底偏置效应
衬底偏压VBS<0时，阈值电压增大
VTH VTH0 2F VSB 2F ,
MOS管的小信号模型（饱和区）
2qsiNsub
Cox
gmb ID nCox W (VGS VTH ) VTH
1.基本差分对
2019/6/16
电流源驱动的基本差分对
尾电流源
思考：管子的宽长比 及尾电流的大小如何 影响差分对的输入输
出特性曲线？
VDD-RDISS
2019/6/16
差分对的输入输出特性
尾电流源差分对的两个重要特性
输出端的最大电平和最小电平是完全确定的， 与输入共模电平无关
VDD~VDD-RDISS