模擬CMOS集成電路設計是集成電路設計領域的核心課程,涵蓋了從基礎理論到關鍵電路模塊的全面知識體系。第2至第7章作為課程的核心部分,系統性地構建了學生設計模擬集成電路的能力框架。
第二章聚焦于CMOS工藝與器件物理基礎,深入講解了MOSFET的工作原理、閾值電壓、跨導、輸出電阻等關鍵參數,以及短溝道效應、體效應等非理想特性。這部分內容是理解后續所有電路設計的基礎,尤其強調器件模型(如平方律模型、BSIM模型)在手工分析與仿真中的應用。
第三章進入單級放大器設計,詳細分析了共源極、共柵極、共漏極(源極跟隨器)以及共源共柵放大器結構。本章重點探討了增益、帶寬、輸入輸出阻抗、噪聲和線性度等性能指標之間的折衷關系,并通過小信號模型進行定量計算,是構建復雜放大電路的核心。
第四章討論差動放大器。作為模擬電路中最關鍵的模塊之一,本章闡述了差動對的工作原理、大信號與小信號特性、共模抑制比(CMRR)以及頻率響應。內容還涵蓋了有源負載、電流鏡負載等高級結構,為后續運算放大器設計打下堅實基礎。
第五章專注于頻率響應與穩定性。內容從單極點系統入手,逐步深入到多極點系統、米勒效應、頻率補償技術(如米勒補償、前饋補償)。本章重點在于教授如何通過波特圖分析電路的穩定性,并設計合適的補償網絡以避免振蕩,這對于所有反饋電路至關重要。
第六章深入探討噪聲。本章系統性地介紹了噪聲的類型(熱噪聲、閃爍噪聲)、噪聲的電路模型、噪聲譜密度以及累計噪聲的計算方法。關鍵內容在于將噪聲分析與具體的CMOS電路(如放大器)相結合,理解噪聲對電路分辨率與動態范圍的限制。
第七章是課程的一個高峰,全面講解運算放大器(運放)的設計。本章整合前幾章的知識,詳細解析了兩級運放、折疊式共源共柵運放、套筒式共源共柵運放等經典結構的設計流程。重點包括偏置設計、增益提升、擺率、建立時間、功耗與面積優化等工程實踐問題,并通常輔以完整的設計實例。
從第2章到第7章,內容呈現出清晰的理論遞進與實踐深化路徑:從理解單個晶體管,到設計單級電路,再到分析差動對和頻率特性,最后綜合設計出高性能的運算放大器。掌握這部分合集內容,意味著具備了從事模擬CMOS集成電路核心模塊設計的基本能力,并為學習數據轉換器、鎖相環等更復雜的系統級電路做好了充分準備。在教學過程中,應注重理論推導、手工估算與仿真驗證(如使用Cadence Spectre)相結合,以培養解決實際工程問題的綜合素養。