Empyrean模擬集成電路設計與工程
胡遠奇 王昭昊
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商品描述
本書著重介紹模擬集成電路的核心特性和設計方法,理論部分簡要介紹擬集成電路涉及的公式和原理,通過模擬案例為教學打下基礎,確保讀者能夠“知其然,知其所以然”。本書以“先模仿復現、後創新設計”的思路設置了不同難度的模擬練習,並詳細介紹操作流程,使讀者可以自主完成相應的模擬實驗,從而掌握集成電路設計思路逐步培養全局規劃能力和工程思維方式,為後續深入學習高階模擬集成電路課程奠定堅實的基礎。
本書適合電子信息和集成電路相關專業本科生和研究生閱讀,也可為模擬集成電路技術發燒友提供有益參考。
作者簡介
胡远奇
长期从事高精度数模混合集成电路设计工作。2015年获英国帝国理工学院博士学位,2015—2018年担任芯片企业Cirrus Logic的研发设计师,2018年入职北京航空航天大学,获评国 家级青年人才。主持国家自然科学基金区域联合重点项目等7个项目,发表论文20余篇。担任国家“十四五”重点研发计划“微纳电子技术”重点专项总体专 家组成员、IEEE TBiOCAS 编委及IEEECAS传感系统技术委员会委员等。
王昭昊
长期从事存储器及集成电路教学科研工作。2015年获法国巴黎萨克雷大学物理学博士学位,2016年入职北京航空航天大学。主讲本科生核心专业课“模拟集成电路基础”,以第 一作者或通信作者身份发表学术论文60余篇,获30余项发明专利授权,转让专利4项。获北京市高等教育教学成果二等奖、中国电子学会自然科学一等奖等。
目錄大綱
第 1 章 緒論 1
1.1 經典的模擬集成電路 1
1.2 模擬集成電路的主要推動力 2
1.3 CMOS 技術與工藝 3
1.4 設計技巧與工程思想 3
1.5 電路模擬工具: 華大九天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 原理簡介 6
2.1.2 模擬實驗: MOSFET 的伏安特性曲線 7
2.1.3 模擬實驗: MOSFET 的二級效應 14
2.2 MOSFET 的小信號模型 21
2.2.1 小信號模型的理論依據 21
2.2.2 模擬實驗: MOSFET 的小信號參數測試 24
2.3 MOSFET 的幾種常見連接方式 33
2.3.1 MOSFET 的二極管連接方式 33
2.3.2 MOSFET 的電流源連接方式 34
2.3.3 模擬實驗:二極管連接型MOSFET 和電流源連接型 MOSFET 34
2.4 課後練習 37
第 3 章 CMOS 單級放大器 38
3.1 共源放大器 38
3.1.1 以電阻為負載的共源放大器 38
3.1.2 推輓放大器 41
3.1.3 帶源極負反饋的共源放大器 42
3.1.4 模擬實驗:共源放大器 43
3.2 源跟隨器 51
3.2.1 源跟隨器的基礎理論 52
3.2.2 模擬實驗:源跟隨器模擬 53
3.3 共柵放大器 56
3.3.1 共柵放大器的基礎理論 56
3.3.2 模擬實驗:共柵放大器的模擬 57
3.4 共源共柵放大器 60
3.4.1 共源共柵放大器的基礎理論 61
3.4.2 模擬實驗:共源共柵放大器的模擬 62
3.5 課後練習 65
第 4 章 CMOS 差分放大器 66
4.1 基本差分對 66
4.1.1 基本差分對的直流分析 67
4.1.2 模擬實驗:基本差分對的直流特性分析 68
4.1.3 半邊電路法 71
4.1.4 模擬實驗:基本差分對的小信號特性分析 73
4.2 共模響應 76
4.2.1 尾電流源阻抗的影響 76
4.2.2 MOSFET 失配的影響 78
4.2.3 模擬實驗:差分放大器的共模響應 78
4.3 課後練習 84
第 5 章 電流鏡與偏置電路 85
5.1 電流鏡的工作原理 85
5.1.1 基本電流鏡 85
5.1.2 共源共柵電流鏡 87
5.1.3 模擬實驗:電流鏡的特性曲線 88
5.2 高輸出擺幅的共源共柵電流鏡 91
5.2.1 共源共柵電流鏡擺幅分析 91
5.2.2 兩種高輸出擺幅的共源共柵電流鏡 91
5.2.3 模擬實驗:高輸出擺幅的共源共柵電流鏡 94
5.3 電流鏡用作有源負載 96
5.3.1 有源負載的原理 96
5.3.2 模擬實驗:以電流鏡作為負載的差分放大器 98
5.4 偏置電路 103
5.4.1 恆定跨導偏置電路 104
5.4.2 模擬實驗:恆定跨導偏置電路 106
5.5 課後練習 111
第 6 章 頻率響應 112
6.1 頻域分析的基礎理論 112
6.1.1 零點和極點 112
6.1.2 波特圖 114
6.1.3 模擬實驗:二階系統的幅頻響應 116
6.2 共源放大器的頻率特性 121
6.2.1 MOSFET 電容 121
6.2.2 小信號分析法 121
6.2.3 近似分析 123
6.2.4 特徵頻率 125
6.2.5 模擬實驗:共源放大器的頻率響應 126
6.3 課後練習 131
第 7 章 MOSFET 的進階特性 132
7.1 弱反型區 132
7.1.1 理論分析與模型 132
7.1.2 模擬實驗: MOSFET 的弱反型區 134
7.2 速度飽和區 138
7.2.1 理論分析與模型 138
7.2.2 模擬實驗: MOSFET 的速度飽和區 140
7.3 共源放大器的特徵頻率 142
7.3.1 跨區域特徵頻率估算 142
7.3.2 模擬實驗:共源放大器的特徵頻率 144
7.4 跨區域的工程設計方法論 147
7.4.1 gm/ID 方法論 147
7.4.2 模擬實驗: gm/ID 工程設計方法 148
7.5 課後練習 150
第 8 章 反饋與穩定性 151
8.1 反饋與穩定性問題 151
8.1.1 開環增益、閉環增益與環路增益 151
8.1.2 運算放大器的反饋 152
8.1.3 運算放大器的穩定性 154
8.1.4 模擬實驗:相位裕度的測量 159
8.2 有源負載差分對的穩定性 164
8.2.1 有源負載差分對 164
8.2.2 模擬實驗:有源負載差分對的頻率特性 166
8.3 課後練習 169
第 9 章 密勒運算放大器的系統性設計 170
9.1 兩級運算放大器的穩定性問題 170
9.1.1 兩級運算放大器的級聯 170
9.1.2 極點分離技術 171
9.1.3 正零點補償技術 173
9.1.4 模擬實驗:兩級運算放大器中的密勒補償 176
9.2 密勒運算放大器的系統性設計方法 179
9.2.1 運算放大器的系統性設計思路 179
9.2.2 模擬實驗:運算放大器系統性設計方法 182
9.3 課後練習 184
第 10 章 噪聲 185
10.1 晶體管的噪聲 185
10.1.1 熱噪聲 185
10.1.2 閃爍噪聲 188
10.1.3 噪聲帶寬 189
10.1.4 模擬實驗: MOSFET噪聲特性的標定 190
10.2 電路系統中的噪聲優化 193
10.2.1 噪聲的等效轉換 193
10.2.2 模擬實驗:五管 OTA 的噪聲優化 198
10.3 課後練習 201
第 11 章 失調與共模抑制比 202
11.1 失調的來源 202
11.1.1 隨機性失調 202
11.1.2 電路中失調因素的轉換 205
11.1.3 系統性失調 206
11.1.4 模擬實驗:五管 OTA 的輸入等效失調電壓優化 207
11.2 共模抑制比 210
11.2.1 隨機性共模抑制比 211
11.2.2 系統性共模抑制比 214
11.2.3 共模抑制比的模擬測量方法 218
11.2.4 模擬實驗:五管 OTA 的共模抑制比設計與優化 219
11.3 課後練習 223
附錄 本書 180 nm 工藝下 gm/ID模擬圖 224