模擬CMOS集成電路設(shè)計是集成電路設(shè)計領(lǐng)域的核心課程,涵蓋了從基礎(chǔ)理論到關(guān)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(tǒng)性地構(gòu)建了學生設(shè)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(chǔ),深入講解了MOSFET的工作原理、閾值電壓、跨導、輸出電阻等關(guān)鍵參數(shù),以及短溝道效應(yīng)、體效應(yīng)等非理想特性。這部分內(nèi)容是理解后續(xù)所有電路設(shè)計的基礎(chǔ),尤其強調(diào)器件模型(如平方律模型、BSIM模型)在手工分析與仿真中的應(yīng)用。
第三章進入單級放大器設(shè)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(jié)構(gòu)。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(guān)系,并通過小信號模型進行定量計算,是構(gòu)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(guān)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(yīng)。內(nèi)容還涵蓋了有源負載、電流鏡負載等高級結(jié)構(gòu),為后續(xù)運算放大器設(shè)計打下堅實基礎(chǔ)。
第五章專注于頻率響應(yīng)與穩(wěn)定性。內(nèi)容從單極點系統(tǒng)入手,逐步深入到多極點系統(tǒng)、米勒效應(yīng)、頻率補償技術(shù)(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(wěn)定性,并設(shè)計合適的補償網(wǎng)絡(luò)以避免振蕩,這對于所有反饋電路至關(guān)重要。
第六章深入探討噪聲。本章系統(tǒng)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(guān)鍵內(nèi)容在于將噪聲分析與具體的CMOS電路(如放大器)相結(jié)合,理解噪聲對電路分辨率與動態(tài)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(shè)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(jīng)典結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程。重點包括偏置設(shè)計、增益提升、擺率、建立時間、功耗與面積優(yōu)化等工程實踐問題,并通常輔以完整的設(shè)計實例。
從第2章到第7章,內(nèi)容呈現(xiàn)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(shè)計單級電路,再到分析差動對和頻率特性,最后綜合設(shè)計出高性能的運算放大器。掌握這部分合集內(nèi)容,意味著具備了從事模擬CMOS集成電路核心模塊設(shè)計的基本能力,并為學習數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、鎖相環(huán)等更復雜的系統(tǒng)級電路做好了充分準備。在教學過程中,應(yīng)注重理論推導、手工估算與仿真驗證(如使用Cadence Spectre)相結(jié)合,以培養(yǎng)解決實際工程問題的綜合素養(yǎng)。