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1、模拟集成电路原理与设计模拟集成电路原理与设计刘海涛刘海涛重庆大学重庆大学模拟集成电路设计课程目的：课程目的：使学生掌握CMOS技术实现模拟集成电路设计方法途经：方法途经：1.拓展技术背景和建摸知识 2.介绍模拟集成电路分层次设计方式 3.强调概念的理解和分析方法 4.说明设计中模拟器的正确使用 5.应用工具设计模拟集成电路模拟集成电路设计2009.5【书名】CMOS模拟集成电路设计（第二版）【原书名】CMOSAnalogCircuitDesign,SecondEdition【原出版社】OxfordUniversityPress【作者】（美）PhillipE.Allen,DouglasR.Hol
2、berg同作者作品【译者】冯军同译者作品李智群【丛书名】国外电子与通信教材系列【出版社】电子工业出版社【书号】7121006413【出版日期】2005年3月【开本】16开【页码】644【版次】2-1使用教材：使用教材：参考书：参考书：模拟CMOS集成电路设计拉扎维编著模拟集成电路分析与设计编著模拟集成电路设计组织结构：组织结构：模拟集成电路设计内容安排：内容安排：总学时总学时 28+8第第1 1章：章：绪论绪论 2学时学时第第2 2章：章：CMOS技术技术 4学时学时第第3 3章：章：CMOS器件模型器件模型 4学时学时第第4 4章：章：模拟模拟CMOS子电路子电路 6学时学时第第5 5章：章
3、：CMOS放大器放大器 6学时学时第第6 6章：章：CMOS运算放大器运算放大器 4 4学时学时第第7 7章：章：高性能高性能CMOS运算放大器运算放大器*2学时学时第第8 8章：章：比较器比较器*2学时学时 总复习总复习 2学时学时 实验实验 8学时学时 模拟集成电路设计成绩评定：成绩评定：100分制分制期末：期末：70%平时平时:30%(课堂、作业、实验）课堂、作业、实验）1模拟集成电路设计第1章提纲：提纲：1.1 1.1 模拟集成电路设计模拟集成电路设计 1.2 1.2 模拟信号处理模拟信号处理 1.3 1.3 字符、符号和术语字符、符号和术语 1.4 1.4 小结小结第第1 1章：绪论
4、章：绪论2模拟集成电路设计第1章-第1节1-1:1-1:模拟集成电路设计模拟集成电路设计3模拟集成电路设计一、什么是模拟集成电路设计？一、什么是模拟集成电路设计？二、模拟集成电路设计的特点二、模拟集成电路设计的特点 几何尺寸是设计的重要部分几何尺寸是设计的重要部分；通常涉及一个模通常涉及一个模-数混合电路；数混合电路；模拟占模拟占20%数字占数字占80%的芯片面积的芯片面积；模拟需要模拟需要80%的设计时间的设计时间；模拟设计主要在电路级；模拟设计主要在电路级；成功的设计成功的设计:2/3取决于模拟取决于模拟,1/3取决于数字。取决于数字。1-1:模拟集成电路设计模拟集成电路设计是成功的执行模
5、拟电路和模拟集成电路设计是成功的执行模拟电路和系统采用集成电路技术。系统采用集成电路技术。模拟集成电路设计是模拟集成电路设计是IC技术与功能或应技术与功能或应用的结合用的结合的成功解决方案的成功解决方案4模拟集成电路设计三、三、模模拟拟 集集成成电电路路设设计计流流程程 1-1:模拟集成电路设计电路设计电路设计物理设计物理设计制作制作测试和生产测试和生产5模拟集成电路设计1-1:模拟集成电路设计 电气部分电气部分 物理部分物理部分 实施物理设计包括实施物理设计包括:晶体管和无源元件晶体管和无源元件 上述两者的连接上述两者的连接 总线的电源和时钟分配总线的电源和时钟分配 外部连接外部连接 测试部
6、分测试部分设计和执行制作后的电路实验验证设计和执行制作后的电路实验验证 6模拟集成电路设计1-1:模拟集成电路设计四、四、模模拟拟 与与数数字字电电路路的的比比较较 模拟电路模拟电路数字电路数字电路信号在振幅上连续，时间上连续或离散信号在振幅上连续，时间上连续或离散信号在振幅和时间上不连续，信号在振幅和时间上不连续，二进制信号有两个状态。二进制信号有两个状态。设计在电路级水平设计在电路级水平设计在系统级水平设计在系统级水平元件必须有连续的值元件必须有连续的值元件有固定的值元件有固定的值定制定制标准标准CAD工具难以适用工具难以适用CAD工具极其成功工具极其成功需要精确建模需要精确建模时序模型即
7、可时序模型即可性能优化性能优化利用软件可编程利用软件可编程不规则块不规则块规则块规则块很难自动布线很难自动布线易于自动布线易于自动布线电源、噪音和线性度使动态范围受限电源、噪音和线性度使动态范围受限动态范围不受限动态范围不受限7模拟集成电路设计1-1:模拟集成电路设计8模拟集成电路设计五、五、模拟集成电路设计所需技能模拟集成电路设计所需技能1-1:模拟集成电路设计l 一般情况下，模拟电路比数字电路复杂得多；一般情况下，模拟电路比数字电路复杂得多；l 需要同时掌握多个概念的能力；需要同时掌握多个概念的能力；l 必须能够作出适当的简化和假设；必须能够作出适当的简化和假设；l 需要同时掌握好建模和技
8、术；需要同时掌握好建模和技术；l 拥有广泛的技能拥有广泛的技能面宽；面宽；l 能够正确使用模拟仿真。能够正确使用模拟仿真。9模拟集成电路设计第1章-第2节1-2:1-2:模拟信号处理模拟信号处理10模拟集成电路设计一、一、信号带宽与应用信号带宽与应用1-2:模拟信号处理11模拟集成电路设计二、二、信号带宽与技术信号带宽与技术1-2:模拟信号处理12模拟集成电路设计三、三、成熟的模拟集成电路设计成熟的模拟集成电路设计1-2:模拟信号处理1.1.已经建立的应用领域已经建立的应用领域l 数数-模拟、模模拟、模-数转换；数转换；l 磁盘驱动控制；磁盘驱动控制；l 调制解调器调制解调器-滤波器；滤波器；
9、l 模拟锁相环；模拟锁相环；l DC-DC 转换转换l 编码器编码器.2.关于模拟电路的观点关于模拟电路的观点 “如果通过数字化能做到节约，不要使用模拟如果通过数字化能做到节约，不要使用模拟”因此：因此：模拟只是在速度、面积或电源比数字化更具有优势的地方采用模拟只是在速度、面积或电源比数字化更具有优势的地方采用13模拟集成电路设计四、四、鸡蛋模型鸡蛋模型1-2:模拟信号处理数字电路数字电路 _蛋黄蛋黄模拟电路模拟电路 _蛋壳蛋壳A/D、D/A _蛋清蛋清14模拟集成电路设计五、五、VLSI中模拟信号处理与数字信号处理中模拟信号处理与数字信号处理1-2:模拟信号处理关键问题关键问题:l数摸混合是
10、实际应用的需要数摸混合是实际应用的需要l 不受微缩驱动不受微缩驱动l 受系统要求的驱动：可编程受系统要求的驱动：可编程/适应性适应性/可测性可测性/可设计性可设计性15模拟集成电路设计六、模拟集成电路应用领域六、模拟集成电路应用领域1-2:模拟信号处理1.两个主要领域两个主要领域l补偿补偿-性能导向性能导向(速度、精度、能源、面积）速度、精度、能源、面积）传统模拟集成电路和系统设计传统模拟集成电路和系统设计l 认知认知-功能导向功能导向(适应性强、大规模并行）适应性强、大规模并行）生物系统带来新的增长领域生物系统带来新的增长领域2.模拟模拟VLSI 结合模拟电路与结合模拟电路与VLSI的原则的
11、原则l 模拟电路与生物系统之间有许多相似模拟电路与生物系统之间有许多相似 可量测性、非线性、适应性可量测性、非线性、适应性l 神经系统的模拟神经系统的模拟VLSI 利用生物系统激励电路设计，如智能传感器和成像仪利用生物系统激励电路设计，如智能传感器和成像仪l 智能自治系统智能自治系统 自引导载体（火星着陆器）自引导载体（火星着陆器）在危险环境的工业清理在危险环境的工业清理l 感觉反馈感觉反馈 传感器输入，马达输出的自载系统传感器输入，马达输出的自载系统16模拟集成电路设计七、七、什么是未来的模拟集成电路设计？什么是未来的模拟集成电路设计？1-2:模拟信号处理l技术需要更多的创造性电路解决方案，
12、以实现理想性能技术需要更多的创造性电路解决方案，以实现理想性能l模拟电路将继续是模拟电路将继续是VLSI数字系统的一个大的组成部分数字系统的一个大的组成部分l干扰和噪音将变得更加严重，芯片的复杂性增加干扰和噪音将变得更加严重，芯片的复杂性增加l封装将是一个重要的问题，并提供一些有趣的解决方案封装将是一个重要的问题，并提供一些有趣的解决方案l模拟电路将永远是在技术性能的最尖端模拟电路将永远是在技术性能的最尖端l模拟设计师还必须同是电路和系统设计师，必须熟悉：模拟设计师还必须同是电路和系统设计师，必须熟悉：技术和建模技术和建模 模拟电路设计模拟电路设计 VLSI数字化设计数字化设计 系统概念的应用
13、系统概念的应用l将不会有显著不同的新技术将不会有显著不同的新技术-创新将是新的应用程序与现有的或改进的技术结合创新将是新的应用程序与现有的或改进的技术结合l半定制方法将随着半定制方法将随着CADCAD工具演变，它工具演变，它将允许：将允许：设计捕获和重新使用设计捕获和重新使用快速提取模型参数新技术快速提取模型参数新技术测试设计测试设计简单模拟电路的自动化设计和布局简单模拟电路的自动化设计和布局17模拟集成电路设计第1章-第3节1-3:1-3:字符、符号和术语字符、符号和术语18模拟集成电路设计一、一、各种信号的符号定义各种信号的符号定义1-3:字符、符号和术语19模拟集成电路设计二、二、MOS
14、晶体管符号晶体管符号1-3:字符、符号和术语20模拟集成电路设计三、三、其它图符其它图符1-3:字符、符号和术语21模拟集成电路设计1-4:小结l模拟集成电路设计是模拟集成电路设计是IC技术与功能或应用的结合的成功解决方案技术与功能或应用的结合的成功解决方案l模拟集成电路设计包括三个主要步骤：模拟集成电路设计包括三个主要步骤：电气设计电气设计_电路拓扑、沟道宽长比、直流电流源电路拓扑、沟道宽长比、直流电流源 物理设计物理设计_ 布局布局 测试设计测试设计_ 测试测试l模拟设计者必须是灵活且有技能的人才，能了解复杂问题并使问题简化模拟设计者必须是灵活且有技能的人才，能了解复杂问题并使问题简化l模拟集成电路设计是靠改进技术推进，而不是新技术模拟集成电路设计是靠改进技术推进，而不是新技术l模拟集成电路设计已经成熟并相对稳定模拟集成电路设计已经成熟并相对稳定l一般的观点是：一般的观点是：“如果通过数字化能做到经济节约，不要使用模拟如果通过数字化能做到经济节约，不要使用模拟”l因此，模拟只是在速度、面积或电源比数字化更具有优势的地方采用因此，模拟只是在速度、面积或电源比数字化更具有优势的地方采用l深亚微米技术向模拟设计师的创造力提出了严峻挑战深亚微米技术向模拟设计师的创造力提出了严峻挑战 小小 结结