模拟CMOS集成电路设计是集成电路设计领域的核心课程,涵盖了从基础理论到关键电路模块的全面知识体系。第2至第7章作为课程的核心部分,系统性地构建了学生设计模拟集成电路的能力框架。
第二章聚焦于CMOS工艺与器件物理基础,深入讲解了MOSFET的工作原理、阈值电压、跨导、输出电阻等关键参数,以及短沟道效应、体效应等非理想特性。这部分内容是理解后续所有电路设计的基础,尤其强调器件模型(如平方律模型、BSIM模型)在手工分析与仿真中的应用。
第三章进入单级放大器设计,详细分析了共源极、共栅极、共漏极(源极跟随器)以及共源共栅放大器结构。本章重点探讨了增益、带宽、输入输出阻抗、噪声和线性度等性能指标之间的折衷关系,并通过小信号模型进行定量计算,是构建复杂放大电路的核心。
第四章讨论差动放大器。作为模拟电路中最关键的模块之一,本章阐述了差动对的工作原理、大信号与小信号特性、共模抑制比(CMRR)以及频率响应。内容还涵盖了有源负载、电流镜负载等高级结构,为后续运算放大器设计打下坚实基础。
第五章专注于频率响应与稳定性。内容从单极点系统入手,逐步深入到多极点系统、米勒效应、频率补偿技术(如米勒补偿、前馈补偿)。本章重点在于教授如何通过波特图分析电路的稳定性,并设计合适的补偿网络以避免振荡,这对于所有反馈电路至关重要。
第六章深入探讨噪声。本章系统性地介绍了噪声的类型(热噪声、闪烁噪声)、噪声的电路模型、噪声谱密度以及累计噪声的计算方法。关键内容在于将噪声分析与具体的CMOS电路(如放大器)相结合,理解噪声对电路分辨率与动态范围的限制。
第七章是课程的一个高峰,全面讲解运算放大器(运放)的设计。本章整合前几章的知识,详细解析了两级运放、折叠式共源共栅运放、套筒式共源共栅运放等经典结构的设计流程。重点包括偏置设计、增益提升、摆率、建立时间、功耗与面积优化等工程实践问题,并通常辅以完整的设计实例。
从第2章到第7章,内容呈现出清晰的理论递进与实践深化路径:从理解单个晶体管,到设计单级电路,再到分析差动对和频率特性,最后综合设计出高性能的运算放大器。掌握这部分合集内容,意味着具备了从事模拟CMOS集成电路核心模块设计的基本能力,并为学习数据转换器、锁相环等更复杂的系统级电路做好了充分准备。在教学过程中,应注重理论推导、手工估算与仿真验证(如使用Cadence Spectre)相结合,以培养解决实际工程问题的综合素养。