Empyrean模拟集成电路设计与工程

第 1 章 绪论 1

1.1　经典的模拟集成电路　1

1.2　模拟集成电路的主要推动力　2

1.3　CMOS 技术与工艺　3

1.4　设计技巧与工程思想　3

1.5　电路仿真工具： 华大九天Empyrean　4



第　2 章 MOSFET 物理特性　6

2.1　MOSFET 的基本伏安特性　6

2.1.1　原理简介　6

2.1.2　仿真实验： MOSFET 的伏安特性曲线　7

2.1.3　仿真实验： MOSFET 的二级效应　14

2.2　MOSFET 的小信号模型　21

2.2.1　小信号模型的理论依据　21

2.2.2　仿真实验： MOSFET 的小信号参数测试　24

2.3　MOSFET 的几种常见连接方式　33

2.3.1　MOSFET 的二极管连接方式　33

2.3.2　MOSFET 的电流源连接方式　34

2.3.3　仿真实验：二极管连接型MOSFET 和电流源连接型 MOSFET　34

2.4　课后练习　37



第　3 章 CMOS 单级放大器　38

3.1　共源放大器　38

3.1.1　以电阻为负载的共源放大器　38

3.1.2　推挽放大器　41

3.1.3　带源极负反馈的共源放大器　42

3.1.4　仿真实验：共源放大器　43

3.2　源跟随器　51

3.2.1　源跟随器的基础理论　52

3.2.2　仿真实验：源跟随器仿真　53

3.3　共栅放大器　56

3.3.1　共栅放大器的基础理论　56

3.3.2　仿真实验：共栅放大器的仿真　57

3.4　共源共栅放大器　60

3.4.1　共源共栅放大器的基础理论　61

3.4.2　仿真实验：共源共栅放大器的仿真　62

3.5　课后练习　65



第　4 章 CMOS 差分放大器　66

4.1　基本差分对　66

4.1.1　基本差分对的直流分析　67

4.1.2　仿真实验：基本差分对的直流特性分析　68

4.1.3　半边电路法　71

4.1.4　仿真实验：基本差分对的小信号特性分析　73

4.2　共模响应　76

4.2.1　尾电流源阻抗的影响　76

4.2.2　MOSFET 失配的影响　78

4.2.3　仿真实验：差分放大器的共模响应　78

4.3　课后练习　84



第　5 章 电流镜与偏置电路　85

5.1　电流镜的工作原理　85

5.1.1　基本电流镜　85

5.1.2　共源共栅电流镜　87

5.1.3　仿真实验：电流镜的特性曲线　88

5.2　高输出摆幅的共源共栅电流镜　91

5.2.1　共源共栅电流镜摆幅分析　91

5.2.2　两种高输出摆幅的共源共栅电流镜　91

5.2.3　仿真实验：高输出摆幅的共源共栅电流镜　94

5.3　电流镜用作有源负载　96

5.3.1　有源负载的原理　96

5.3.2　仿真实验：以电流镜作为负载的差分放大器　98

5.4　偏置电路　103

5.4.1　恒定跨导偏置电路　104

5.4.2　仿真实验：恒定跨导偏置电路　106

5.5　课后练习　111



第　6 章 频率响应　112

6.1　频域分析的基础理论　112

6.1.1　零点和极点　112

6.1.2　波特图　114

6.1.3　仿真实验：二阶系统的幅频响应　116

6.2　共源放大器的频率特性　121

6.2.1　MOSFET 电容　121

6.2.2　小信号分析法　121

6.2.3　近似分析　123

6.2.4　特征频率　125

6.2.5　仿真实验：共源放大器的频率响应　126

6.3　课后练习　131



第　7 章 MOSFET 的进阶特性　132

7.1　弱反型区　132

7.1.1　理论分析与模型　132

7.1.2　仿真实验： MOSFET 的弱反型区　134

7.2　速度饱和区　138

7.2.1　理论分析与模型　138

7.2.2　仿真实验： MOSFET 的速度饱和区　140

7.3　共源放大器的特征频率　142

7.3.1　跨区域特征频率估算　142

7.3.2　仿真实验：共源放大器的特征频率　144

7.4　跨区域的工程设计方法论　147

7.4.1　gm/ID 方法论　147

7.4.2　仿真实验： gm/ID 工程设计方法　148

7.5　课后练习　150



第　8 章 反馈与稳定性　151

8.1　反馈与稳定性问题　151

8.1.1　开环增益、闭环增益与环路增益　151

8.1.2　运算放大器的反馈　152

8.1.3　运算放大器的稳定性　154

8.1.4　仿真实验：相位裕度的测量　159

8.2　有源负载差分对的稳定性　164

8.2.1　有源负载差分对　164

8.2.2　仿真实验：有源负载差分对的频率特性　166

8.3　课后练习　169



第　9 章 密勒运算放大器的系统性设计　170

9.1　两级运算放大器的稳定性问题　170

9.1.1　两级运算放大器的级联　170

9.1.2　极点分离技术　171

9.1.3　正零点补偿技术　173

9.1.4　仿真实验：两级运算放大器中的密勒补偿　176

9.2　密勒运算放大器的系统性设计方法　179

9.2.1　运算放大器的系统性设计思路　179

9.2.2　仿真实验：运算放大器系统性设计方法　182

9.3　课后练习　184



第　10 章 噪声　185

10.1　晶体管的噪声　185

10.1.1　热噪声　185

10.1.2　闪烁噪声　188

10.1.3　噪声带宽　189

10.1.4　仿真实验： MOSFET噪声特性的标定　190

10.2　电路系统中的噪声优化　193

10.2.1　噪声的等效转换　193

10.2.2　仿真实验：五管 OTA 的噪声优化　198

10.3　课后练习　201



第　11 章 失调与共模抑制比　202

11.1　失调的来源　202

11.1.1　随机性失调　202

11.1.2　电路中失调因素的转换　205

11.1.3　系统性失调　206

11.1.4　仿真实验：五管 OTA 的输入等效失调电压优化　207

11.2　共模抑制比　210

11.2.1　随机性共模抑制比　211

11.2.2　系统性共模抑制比　214

11.2.3　共模抑制比的仿真测量方法　218

11.2.4　仿真实验：五管 OTA 的共模抑制比设计与优化　219

11.3　课后练习　223



附录　本书 180 nm 工艺下 gm/ID仿真图　224