本书以电路为轴线,从基础到复杂,从纯粹的模拟集成电路到数模混合信号集成电路,**介绍模拟集成电路和数模混合信号集成电路中基本电路的概念、工作原理、电路分析和设计。全书共10章:第1章介绍在系统集成时代的模拟集成电路;第2章介绍模拟集成电路中的器件,包括双极型晶体管、MOS管、集成电阻、集成电容和片上电感;第3章以带隙基准源和电流镜为**,分析了参考电压源和参考电流源电路,其中对温度补偿技术进行了详细分析;第4、5章介绍了CMOS放大器的分析和设计;第6章介绍了双极型和CMOS模拟?法器电路;第7章介绍了无源、有源和开关电容滤波器电路;第8章介绍了模/数转换电路的概念、体系结构、分析和设计实例;第9章介绍了过采样ΣΔ模/数转换技术和过采样ΣΔADC分析与设计;第10章介绍了锁相环的基本概念、性能指标、分析模型及其两个应用——频率综合和数据时钟恢复(CDR)电路。 本书可作为高等院校电子信息类专业本科生和研究生的教材,也可供电子工程师参考。

1.1 我们生活在模拟世界中
当我们睁开眼睛,看见旭日从地平线冉冉升起,又从西山徐徐落下。当我们漫步深山,耳
听清泉缓缓流下,绕过山脚村庄,汇流大河,直奔大海。
当我们在公园放筝赶蝶,随着春风飘来阵阵花香。
……
我们生活在万千世界之中,哪一样不是循序渐进,继往开来。
自然界的潜移默化和瞬息万变都是通过光、电、力、磁等来影响人类,人在征服自然中,又
是充分利用光、电、力、磁等来控制和利用自然,使大自然更好地为我们服务,这些作用和控制
都是模拟过程。下面我们来看几个例子。
风力发电:矗立在甘肃河西走廊上的巨型风扇随着风不停地转动,通过变速轮的
耦合带动发动机发电。
太阳能热水器:当大平面的硅片阵?迎着太阳能吸收能量,对循环水进行加热
后,你就可以用热水来洗浴。
还有,当人造卫星放飞腾空之后,它是徐徐地进入空间,一圈一圈地环绕地球运转,并向我
们发回需要的信息和美妙的旋律……
1.2 在系统集成时代的模拟集成电路
人类文明进入高科技时代,高科技的代表产业是信息产业(IT
)、生物制药、航空航天和核
能利用。其中信息产业又是*近30
年发展*快的产业。信息产业的代表是网络技术、计算机
和通信。网络技术、计算机技术和通信业的发展又促进了半导体集成电路的发展,?高
科技产业的金字塔,半导体集成电路处于发展中的金字塔顶,而它的应用又处于塔基。
现在来看一看信息产业三大领军技术
的发展和系统集成。
网络技术:互联网缩短了全球的距离,
改变了人类的生活习惯。原来匆匆去邮局
取邮件的奔走已经由打开电子信箱收发电
子邮件替代,许多拆开信时的心跳已经转移
到打开电子邮件之时的激动。网络的速度
已经由10Mbps、100Mbps到千兆位以太网
已经普及,网络已经进入千家万户。网络的
发展和普及方兴未艾,正在高速发展。
计算机以个人计算机(PC)为代表,Intel Pentium IV
的芯片是主机芯片,速度*快达到
3GHz,多核处理器性能更加**。决定PC
速度快慢的另一个重要因素是磁盘读出速度。磁
盘以每分钟5400或7200
转速度旋转,由磁盘驱动电路发出命令,将磁头移动到对应的扇、段
和区中,然后执行读或写,数据经控制电路
中缓冲后通过读写通道写入,又通过低噪声
放大器、读写通道和缓冲区读出,整个系统
的方框图。
通信产业领��IT
产业,特别是在发展
中**,通信事业的发展可以称得上日新月
异。在中国西部,电话正在普及,而在东
部,无线通信在城乡几乎普及。采用无线
传输的系统主要有移动电话、卫星通信、无
线局域网和近距离的蓝牙技术。
蓝牙发送/接收电路
由上述例子可以看到,随着深亚微米工艺技术的发
展,MOS的特征频率达到几十吉赫兹(GHz),
其速度完全可以和双极工艺媲美。又随着设计工具的发展,特别
是数模混合集成设计工具的发展,系统单片集成更加现
实可行。在系统集成中,模拟集成电路是不可缺少的模
块,它的性能直接影响到单片整个性能。
一个单片集成射频发接电路的实例,时钟综
合电路、低噪声放大电路、混频电路、功率放大电路、IF
滤
波电路等都集成在一个芯片上[6]。
1.3 模拟集成电路设计工具、设计方法和设计流程
模拟集成电路设计:时至**,手工设计深亚微米模拟集成电路已经不可能。必须采用先
进的EDA工具来进行设计,国际上***的模拟集成电路设
计工具是Cadence的Artist和用于RF设计的安捷伦ADS。
说到模拟集成电路设计工具,我们必须说一说SPICE
和它的创始人,SPICE是**套模拟集成电?设计仿真工具,诞生于
20世纪70年代美国加州大学伯克利分校,几乎所有现代的模
拟集成电路设计仿真工具都基于SPICE,SPICE的创始人是
该校的Pederson教授。IEEE Spectrum
杂志在2000年将Pederson
教授誉为SPICE之父。当年杂志的封面,
封面正是Pederson教授的照片。
1.2节叙述了在系统集成时代的模拟集成电路起着必不
可少的重要作用。那么,如何去实现这些模拟作用呢?
与数字电路一样,模拟集成电路由全
定制和半定制两种设计方法。首先,看一下数字集成电路的设计方法。数字
集成电路实现的方法不是完全一样的。对于批量要求大的品种,采用全定制设计。全定制设
计可以减小芯片面积和提高合格率,降低成本,但设计周期长。
对于批量要求少的品种,一般采用半定制设
计。半定制设计周期短,但芯片面积大。模拟集
成电路设计方法与数字集成电路的设计方法有区
别,模拟集成电路普遍采用模块化设计,即将基本
单元(如放大器等)设计验证后进行复用。由于电
路性能不同,关键单元都需要重新设计,模拟集成
电路是全定制设计。
模拟集成电路与数字集成
电路设计的三大差别在于模拟集成电路从电路
图输入开始、手工版图设计和必须做的后仿真。
在当代系统集成芯片中,即使是全数字电路也需
要后仿真,只是后仿真工作量没有模拟集成电路
后仿真的工作量那么大。在数模混合集成系统
中,是数字和模拟模块*终综合集成。
由于数字集成电路的发展,数字VLSI实现的
功能非常强,模拟集成电路在芯片上实现更多的
数字智能就是采用新的算法和新的电路结构,使
得数字技术应用到模拟电路中去。例如,文献[1]
报道了一种采用90nm CMOS
工艺技术实现的带后台数字校准的A/D转换器(ADC),
它包含动态器件匹配编码器(dynamic-element-matchingen-
coder)和低频数字信号处理器(low frequency DSP)。在100MHz
的采样频率下,它实现了11位精度(89dB信号与噪声失调比),功耗为
130mW,芯片面积是2.15mm×3.35mm。
1.4 模拟集成电路的工艺技术
目前制造模拟集成电路的工艺技术主要是双极型工艺、CMOS
工艺和砷化镓工艺,*近
开发出来的锗硅技术更适用于射频集成电路,而BiCMOS
是双极和CMOS两种工艺的集合,
既能制造双极器件,又能制造MOS
器件,同时具有两者的优点,但工艺步骤增加的同时,成本
自然增加。
1.5 模拟集成电路的发展方向:高速、高精度、低电源和低功耗
随着电子工业的发展,各行各业对集成电路的需求量越来越多,同时,随着工艺技术的
发展和设计水平的提高,拓宽了集成电路的应用市场。总的来说,今后模拟集成电路器件的发
展朝着高速、高精度、多功能和低功耗的方向发展。
由于工艺技术的发展,稳定的模拟单元库已经逐渐建立,采用模拟单元库设计不仅减少
设计周期,而且能?证设计的质量。
薄膜技术、激光修正技术的发展为高精度器件的制备创造了条件,短沟道器件的发展有
利于高速器件的发展,BiCMOS
工艺的发展使模拟集成电路不仅速度上有保证,而且为与数
字电路集成在一起的高性能模拟器件开辟了新的前程。以后的一个芯片中,既有数字电路,
又有模拟单元,是名副其实的将一个系统集成在一个不大于手指甲的芯片上。
学习和设计模拟集成电路已经有很多参考书籍和文献,P.R.Gray
等的《模拟集成分析和设计》[2]
第四版是学习分析和设计模拟集成电路很好的教材,对于初学者来说,可以从Razavi
的《模拟CMOS集成电路》中学习CMOS放大器,进入模拟集成电路的大门[3]。Allen
和Holberg合著的《CMOS模拟电路设计》[4]
第二版不仅可以学习放大器的设计,而且还介绍了A/D、D/A
转换电路的设计,而2004年版ADI的《A/D变换器设计手册》则是一部A/D、
D/A设计者的**手册[5]。
展示当代模拟集成电路发展的国际会议很多,其中**的有一年一度的固态电路国际年
会(ISSCC)、欧洲固态电路年会(ESSCC)、消费电子学年会(CICC)、VLSI
研讨会。报道集成?路的期刊更多,***的有固体电路杂志(JSSCC)、
电路和系统杂志、用户电子学杂志等。
工艺技术的发展证明CMOS
更利于单片系统集成,单片集成CMOS系统甚至改变了系统的体系结构,文献[6]
报道了直接转换的无线通信射频体系结构,用于WCDMA移动电话系
统。系统集成是当代集成电路的发展趋势,而人类追求的是一机多用,多模系统集成,这时模
拟集成电路要符合多系统标准的需要,文献[7]
报道了有线通信前端和无线通信射频芯片。
手持设备越来越多,电池供电的便携式电子设备需要低功耗?成电路,文献[8]、[9]就是
为低功耗、超低功耗设计的模拟集成电路。文献[8]
中,一个11位的ΣΔADC的功耗只有2.2mW,而它的带宽达到1MHz。文献[10]~[12]
报道了超低功耗的ADC,其优值(FOM)达到了每次转换几十甚至几飞焦(fJ,10-15J)。
人类对于视觉的感觉要求更加清晰,需要的数据传输速度越来越快,这就需要高速的模拟
集成电路和接口电路,文献[13]和[14]报道了1.3GHz的闪烁ADC和300MHz转换速度的14
位DAC。锗硅跨阻放大器的带宽可以达到50GHz[15]。文献[16]、[17]报道了高?的ADC
和DAC,文献[16]报道了采样速率为3.5GS/s的6位闪烁ADC,文献[17]
报道了采样速率为320MS/s的12位DAC。
随着纳米微电子技术的到来,低电源模拟集成电路设计技术又成为纳米微电子设计的一
个瓶颈,低电源模拟电路的设计已有不少报道,在文献[18]、[19]中,电源电压低于1V的参考电压源和ADC已经得以实现。
工艺技术的发展采用CMOS
更利于单片系统集成,单片集成CMOS
系统甚至改变系统
的体系结构,文献[20]
报道了直接转换的体系结构,用于WCDMA
移动电话系统。系统集
成是当代集成电路的发展趋势,而人类追求的是一机多用,多系统集成,这时模拟集成电路
要符合多系统标准的需要,文献[21]、[22]报道了3G
前端和多模射频芯片。
Die guten Leutchen wissen nicht ,was es einen für Zeit und Mühe gekostet ,um Lesen zu lernen .Ich habe achtzig Jahre dazu gebraucht und kann noch jetzt nicht sagen ,dass ich am Ziel w*re.
—Goethe
没有人能够说,用多少时间和多少代价能够学会学习。我用了80年的时间,我还不能说我已经学会了学习。
-歌德
参考文献
[1]PanigadaA ,GaltonI .A 130mW 100MS/spipelined ADC with 69dB SNDR enabled by digital harmonic distortion correc -tion .ISSCC Dig Tech Papers ,2009 :162-163 .
[2]Gray PR ,et al .Analysis and Design of Analog Integrated Circuits .4th ed .John Wiley&Sons ,2001.
[3]RazaviB .Design of Analog CMOS Integrated Circuits .McGraw -Hill Companies ,2002.
[4]AllenPE,HolbergDR .CMOS Analog Circuit Design .2nd ed .Oxford University Press ,2002.
[5]KesterW .A Data Conversion Handbook .Elsevier ,2004.
[6]洪志良.CMOS射频集成电路发展趋势.电子器件,2004(8).
[7]HenricksonL,et al.Low -power fully integrated 10-Gb/s SONET /SDH transceiver in0.13-μm CMOS.JSSC ,2003,38(10):1595-1601.
[8]KappesMS.A2.2-mW CMOS bandpass continuous -time multibit ΣΔADC with 68 dB of dynamic range and 1-M Hz bandwidth for wireless applications .JSSC ,2003,38(7):1098-1104.
[9]NguyenK ,et al.A 108 dB SNR ,1.1mW oversampling audio DAC witha three -level DEM technique.JSSC 2008,43 (12):2592-2600.JSSC,2003,38(9):1955-1960.

丛书序
第二版前言
**版前言
第1章 在系统集成时代的模拟集成电路
1.1 我们生活在模拟世界中
1.2 在系统集成时代的模拟集成电路
1.3 模拟集成电路设计工具、设计方法和设计流程
1.4 模拟集成电路的工艺技术
1.5 模拟集成电路的发展方向:高速、高精度、低电源和低功耗
参考文献
思考题与习题
第2章 模拟集成电路中的器件
2.1 双极型晶体管
2.2 横向PNP晶体管
2.3 MOS管
2.4 集成电阻
2.4.1 扩散电阻
2.4.2 扩散致窄电阻
2.4.3 外延电阻
2.4.4 离子注入电阻
2.4.5 薄膜电阻
2.4.6 电阻的修正
2.4.7 CMOS工艺中的电阻
2.4.8 电阻的版图设计
2.5 集成电容
2.5.1 结电容
2.5.2 MOS电容
2.5.3 MMC电容
2.5.4 电容的版图设计
2.6 片上电感
参考文献
思考题与习题
第3章 参考电压源和参考电流源
3.1 电流镜
3.2 基准
3.2.1 用齐纳二极管作参考电压
3.2.2 采用VBE实际偏置
3.2.3 利用带隙基准源作基准
3.2.4 与温度成正比的(PTAT)参考电压源
3.3 参考电源的温度补偿
3.4 在CMOS工艺中实用化的带隙基准源
3.5 带有高阶温度补偿的带隙基准源
参考文献
思考题与习题
第4章 CMOS单级放大器
4.1 CMOS共源放大器
4.1.1 带电阻负载的共源放大器
4.1.2 用恒流源作负载的CMOS共源放大器
4.1.3 用栅漏短接的MOS管作负载的共源放大器
4.1.4 带负反馈的共源放大器
4.2 共栅极放大器
4.2.1 输入输出特性曲线
4.2.2 交流小信号参数
4.2.3 频率特性
4.2.4 噪声特性
4.3 共源共栅放大器
4.3.1 输入输出特性曲线
4.3.2 交流小信号参数
4.3.3 频率特性
4.3.4 噪声特性
4.4 源极跟随器
4.4.1 输入输出特性曲线
4.4.2 交流小信号参数
4.4.3 频率特性
4.4.4 噪声特性
4.5 CMOS差分放大器
4.5.1 差分放大器的工作原理
4.5.2 差分放大器的交流小信号参数
4.5.3 CMOS差分放大器性能分析
4.5.4 CMOS差分放大器的性能参数
4.5.5 差分放大器的特性
参考文献
思考题与习题
第5章 CMOS运算放大器
5.1 运算放大器?应用及基本性能参数
5.1.1 运算放大器的应用
5.1.2 运算放大器的基本性能参数
5.2 两级电压放大器的分析和设计
5.2.1 负反馈系统的稳定性判据
5.2.2 常用的频率补偿方法
5.2.3 两级电压放大器的设计
5.2.4 运放的性能仿真
5.3 共源共栅型放大器
5.3.1 基本共源共栅型放大器的分析
5.3.2 几种增益提高方法
5.3.3 一种增益自举型OTA的设计实例
5.4 电流镜型放大器
5.4.1 电流镜型放大器的基本性能参数分析
5.4.2 建立时间和稳定状态的分析
5.4.3 高速运算放大器的实例
5.5 其他类型的运算放大器
5.5.1 轨到轨放大器的输入级
5.5.2 轨到轨放大器的输出级
参考文献
思考题与习题
第6章 模拟乘法器
6.1 双极型模拟乘法器
6.1.1 双极型模拟乘法器?工作原理
6.1.2 双极型模拟乘除器电路分析和设计
6.2 CMOS模拟乘法器
6.3 乘除器的性能参数
参考文献
思考题与习题
第7章 滤波器
7.1 滤波器的基本概念
7.2 几种常用滤波器的传输函数和特性
7.2.1 巴特沃思低通滤波器
7.2.2 切比雪夫低通滤波器
7.2.3 椭圆低通滤波器
7.3 无源滤波器
7.4 连续时间滤波器
7.5 开关电容滤波器
7.5.1 用开关电容来逼近电阻
7.5.2 电容的制备
7.5.3 积分器
7.5.4 利用积分器设计滤波器分析
参考文献
考题与习题
第8章 奈奎斯特型数据转换器
8.1 奈奎斯特型数据转换器的基本原理及概念
8.1.1 数据转换器的发展历史
8.1.2 数据转换器的基本原理和性能指标
8.1.3 数据转换器设计的基本原则
8.2 数/模转换器
8.2.1 D/A转换器的基本类型
8.2.2 D/A转换器的设计基础
8.2.3 D/A转换器的设计实例
8.3 模/数转换器
8.3.1 快闪结构A/D转换器
8.3.2 两步结构模/数转换器
8.3.3 逐次逼近型模/数转换器
8.3.4 流水?结构模/数转换器
8.3.5 并行结构模/数转换器
8.3.6 一个10位流水线操作CMOSA/D变换器的设计
参考文献
思考题与习题
第9章 过采样ΣΔ模/数转换器
9.1 ΣΔ调制器的工作原理和基本概念
9.1.1 过采样
9.1.2 ΣΔ调制器的工作原理及性能
9.1.3 ΣΔ调制器的特性
9.2 ΣΔ调制器的体系结构
9.2.1 单环高阶ΣΔ调制器
9.2.2 级联ΣΔ调制器
9.2.3 采用多位量化器的ΣΔ调制器
9.3 电路的非理想特性及噪声对ΣΔ调制器性能的影响
9.3.1 积分器的非理想特性
9.3.2 比较器的非理想特性
9.3.3 电路噪声
9.4 ΣΔ调制器的设计过程及设计实例
9.5 降采样滤波器
参考文献
思考题与习题
第10章 锁相环
10.1 锁相环的基本概念
10.2 锁相环的性能指标
10.2.1 相位噪声
10.2.2 抖动
10.2.3 相位噪声与抖动的关系
10.2.4 锁相环的瞬态响应时间
10.2.5 锁相环的线性分析
10.3 锁相环的基本模块
10.3.1 鉴相器
10.3.2 压控振荡器
10.3.3 环路滤波器
10.4 锁相环的噪声分析
10.5 锁相环的应用
10.5.1 频率综合器
10.5.2 时钟数据恢复
参考文献
思考题与习题
索引