基本信息
- 原书名：Analog Integrated Circuit Design
- 原出版社： John Wiley & Sons
编辑推荐
本书是一本优秀的模拟集成电路分析与设计教材，它以直观的角度、严密的思维逻辑，阐述了各种模拟电路的基本原理和概念，同时还讨论了该领域中出现的新问题及新的技术发展。全书论述清晰，重点突出，实用性强，将理论与实际结合，提供了大量现代工业中的设计实例，介绍了许多实用的设计技巧，是从事这一领域的工程技术人员必备的参考书，同时也是一本不可多得的适合各电类专业高年级本科生和研究生学习的教材。
内容简介
本书是一本优秀的模拟集成电路分析与设计教材，它以直观的角度、严密的思维逻辑，阐述了各种模拟电路的基本原理和概念，同时还讨论了该领域中出现的新问题及新的技术发展。全书论述清晰，重点突出，实用性强，将理论与实际结合，提供了大量现代工业中的设计实例，介绍了许多实用的设计技巧，是从事这一领域的工程技术人员必备的参考书，同时也是一本不可多得的适合各电类专业高年级本科生和研究生学习的教材。
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。
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。
目录
第1章 集成电路器件和模型1
1.1半导体和pn结1
1.1.1二极管2
1.1.2反向偏置二极管3
1.1.3缓变结5
1.1.4大信号结电容6
1.1.5正向偏置结8
1.1.6正向偏置二极管的结电容9
1.1.7正向偏置二极管的小信号模型9
1.1.8肖特基二极管10
1.2MOS晶体管11
1.2.1MOS晶体管符号12
1.2.2基本运算13
1.2.3大信号模型17
1.2.4体效应19
1.2.5p沟道晶体管19
1.2.6工作区中的小信号模型20
1.2.7三极管和截止区中的小信号模型25
1.3高级MOS模型27
1.3.1短沟道效应27
1.1半导体和pn结1
1.1.1二极管2
1.1.2反向偏置二极管3
1.1.3缓变结5
1.1.4大信号结电容6
1.1.5正向偏置结8
1.1.6正向偏置二极管的结电容9
1.1.7正向偏置二极管的小信号模型9
1.1.8肖特基二极管10
1.2MOS晶体管11
1.2.1MOS晶体管符号12
1.2.2基本运算13
1.2.3大信号模型17
1.2.4体效应19
1.2.5p沟道晶体管19
1.2.6工作区中的小信号模型20
1.2.7三极管和截止区中的小信号模型25
1.3高级MOS模型27
1.3.1短沟道效应27
译者序
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。
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。
前言
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。
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。
