模拟集成电路设计概述课件

模拟集成电路模拟集成电路模拟集成电路课程内容课程内容CMOS电路为主电路为主课程内容CMOS电路为主模拟集成电路概要模拟集成电路概要（1）信号分类）信号分类（2）集成电路与分立电路）集成电路与分立电路（3）模拟集成电路分析与设计）模拟集成电路分析与设计（4）模拟集成电路在系统中的作用）模拟集成电路在系统中的作用（5）模拟电路中的基本概念）模拟电路中的基本概念（6）放大器基础）放大器基础模拟集成电路概要（1）信号分类（2）集成电路与分立电路模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号集成电路与分立电路集成电路与分立电路华硕华硕 P5K-E/WIFI-AP主板主板SUN集成电路与分立电路华硕 P5K-E/WIFI-AP主板SUN集成电路与分立电路集成电路与分立电路集成电路与分立电路模拟集成电路设计概述课件模拟集成电路设计概述课件模拟集成电路设计概述课件模拟集成电路设计概述课件模拟集成电路设计概述课件模拟集成电路概要模拟集成电路概要（1）信号分类）信号分类（2）集成电路与分立电路）集成电路与分立电路（3）模拟集成电路分析与设计）模拟集成电路分析与设计（4）模拟集成电路在系统中的作用）模拟集成电路在系统中的作用（5）模拟电路中的基本概念）模拟电路中的基本概念（6）放大器基础）放大器基础模拟集成电路概要（1）信号分类（2）集成电路与分立电路模拟电路分析与设计模拟电路分析与设计l电路分析：已知电路拓扑结构和元电路分析：已知电路拓扑结构和元器件尺寸的基础上应用简单、但足器件尺寸的基础上应用简单、但足够精确的元器件模型来分析该电路够精确的元器件模型来分析该电路所具有的各种性能所具有的各种性能l电路设计：根据一组给定的性能指电路设计：根据一组给定的性能指标，设计出满足指标要求的电路拓标，设计出满足指标要求的电路拓扑结构并确定各种元器件的尺寸扑结构并确定各种元器件的尺寸l电路分析是电路设计的前提和基础电路分析是电路设计的前提和基础u电路分析可以帮助设计者增强电路知识，电路分析可以帮助设计者增强电路知识，了解各种拓扑结构的优势和缺点，为设了解各种拓扑结构的优势和缺点，为设计者选择合适的电路结构提供参考计者选择合适的电路结构提供参考u电路分析是进行电路设计的前提，只有电路分析是进行电路设计的前提，只有对电路进行了全面的分析，设计者才能对电路进行了全面的分析，设计者才能明确如何在各种设计指标之间进行权衡，明确如何在各种设计指标之间进行权衡，从而确定各元器件的尺寸从而确定各元器件的尺寸模拟电路分析与设计电路分析：已知电路拓扑结构和元器件尺寸的基模拟电路的基本分析方法模拟电路的基本分析方法l基尔霍夫电压定理：任何一个电路环路上的基尔霍夫电压定理：任何一个电路环路上的各元器件电压降之和等于各元器件电压降之和等于0模拟电路的基本分析方法基尔霍夫电压定理：任何一个电路环路上的模拟电路的基本分析方法（续）模拟电路的基本分析方法（续）l基尔霍夫电流定理：在电路中流进某个节点基尔霍夫电流定理：在电路中流进某个节点的各支路电流之和等于的各支路电流之和等于0模拟电路的基本分析方法（续）基尔霍夫电流定理：在电路中流进某模拟电路的基本分析方法（续）模拟电路的基本分析方法（续）l欧姆定理：电阻上的压降等于电流乘以该电阻的阻值欧姆定理：电阻上的压降等于电流乘以该电阻的阻值模拟电路的基本分析方法（续）欧姆定理：电阻上的压降等于电流乘模拟电路的基本分析方法（续）模拟电路的基本分析方法（续）l戴维营诺顿电源等效定理：如果一个网络不包含非线性戴维营诺顿电源等效定理：如果一个网络不包含非线性受控源和非线性元件，则向该网络的输出端口看过去，网受控源和非线性元件，则向该网络的输出端口看过去，网络的行为都可以等效为一个电压源和一个阻抗的串联，也络的行为都可以等效为一个电压源和一个阻抗的串联，也可以等效为该阻抗和一个电流源的并联，该阻抗等于向该可以等效为该阻抗和一个电流源的并联，该阻抗等于向该网络输出端看过去的输出阻抗，电压源等于该端口上的开网络输出端看过去的输出阻抗，电压源等于该端口上的开路电压，而电流源的大小等于该端口的短路电流路电压，而电流源的大小等于该端口的短路电流模拟电路的基本分析方法（续）戴维营诺顿电源等效定理：如果一模拟电路的基本分析方法（续）模拟电路的基本分析方法（续）l电路分析基本步骤电路分析基本步骤u确定电路的直流工作点确定电路的直流工作点u确定各元器件的小信号模型及其中的参数值确定各元器件的小信号模型及其中的参数值u画小信号等效电路（在这一步中，要注意交流与画小信号等效电路（在这一步中，要注意交流与直流的划分，直流偏置点都是交流地）直流的划分，直流偏置点都是交流地）u应用应用KVL、KCL定理和欧姆定理列电路方程定理和欧姆定理列电路方程u求解方程组得到该电路的分析结果（在这一步中求解方程组得到该电路的分析结果（在这一步中通常要做简化处理）通常要做简化处理）模拟电路的基本分析方法（续）电路分析基本步骤模模拟拟集集成成电电路路的的设设计计流流程程模拟集成电路的设计流程模拟集成电路设计的难点模拟集成电路设计的难点l数字电路：数字电路：离散信号；离散信号；模拟电路：模拟电路：连续信号连续信号l数字电路：数字电路：速度与功耗；速度与功耗；模拟电路：模拟电路：速度、速度、功耗、增益、精度、线性度、电源电压等功耗、增益、精度、线性度、电源电压等l模拟电路对噪声、串绕、其它干扰等更敏感模拟电路对噪声、串绕、其它干扰等更敏感l模拟电路受到元器件二阶效应的影响模拟电路受到元器件二阶效应的影响lEDA工具支持力度不如数字电路工具支持力度不如数字电路l模拟电路的建模与仿真存在困难模拟电路的建模与仿真存在困难l现代工艺针对数字电路优化现代工艺针对数字电路优化模拟集成电路设计是一门艺术，优秀的模拟电路设计工程师是一个艺术家模拟集成电路设计是一门艺术，优秀的模拟电路设计工程师是一个艺术家模拟集成电路设计的难点数字电路：离散信号；模拟电路：连续信号模拟集成电路概要模拟集成电路概要（1）信号分类）信号分类（2）集成电路与分立电路）集成电路与分立电路（3）模拟集成电路分析与设计）模拟集成电路分析与设计（4）模拟集成电路在系统中的作用）模拟集成电路在系统中的作用（5）模拟电路中的基本概念）模拟电路中的基本概念（6）放大器基础）放大器基础模拟集成电路概要（1）信号分类（2）集成电路与分立电路自然信号处理自然信号处理l声音信号、图像信号、生物信号、地震信号等声音信号、图像信号、生物信号、地震信号等l特点：特点：动态范围大，带外干扰强动态范围大，带外干扰强自然信号处理声音信号、图像信号、生物信号、地震信号等数字通信数字通信u数字信号恢复数字信号恢复u多级信号处理多级信号处理级数与带宽级数与带宽数字通信数字信号恢复磁盘驱动器磁盘驱动器u磁头读取二进制信息，转化为电信号磁头读取二进制信息，转化为电信号u含有强噪声成分与失真含有强噪声成分与失真磁盘驱动器磁头读取二进制信息，转化为电信号无线收发机无线收发机l无线接收机无线接收机u微弱信号、强干扰、高频微弱信号、强干扰、高频l无线发射机无线发射机u输出强信号、高频输出强信号、高频无线收发机无线接收机光纤通信光纤通信l高速、宽带信号（高速、宽带信号（1040Gbps）光纤通信高速、宽带信号（1040Gbps）传感器传感器l传感器传感器u各种传感器感知外界信号各种传感器感知外界信号u加速度计加速度计传感器传感器高速数字设计高速数字设计l微处理器与存储器、高速数字设计微处理器与存储器、高速数字设计u时钟分布与重定时时钟分布与重定时u互连线延迟、封装寄生、衬底耦合互连线延迟、封装寄生、衬底耦合u存储器中的灵敏放大器存储器中的灵敏放大器l高速数字设计本质上就是模拟设计高速数字设计本质上就是模拟设计分频器分频器/计数器计数器高速数字设计微处理器与存储器、高速数字设计分频器/计数器模拟集成电路概要模拟集成电路概要（1）信号分类）信号分类（2）集成电路与分立电路）集成电路与分立电路（3）模拟集成电路分析与设计）模拟集成电路分析与设计（4）模拟集成电路在系统中的作用）模拟集成电路在系统中的作用（5）模拟电路中的基本概念）模拟电路中的基本概念（6）放大器基础）放大器基础模拟集成电路概要（1）信号分类（2）集成电路与分立电路直流信号直流信号l直流信号：不随时间变化的信号直流信号：不随时间变化的信号u电路中任何一个节点的信号如果不随时间变化，电路中任何一个节点的信号如果不随时间变化，均可认为是直流信号均可认为是直流信号u直流分析就是确定电路中各节点的直流信号大直流分析就是确定电路中各节点的直流信号大小的过程，该过程通常也被称为确定电路的直小的过程，该过程通常也被称为确定电路的直流（或静态）工作点流（或静态）工作点直流信号直流信号：不随时间变化的信号交流信号交流信号l交流信号：随时间变化的信号交流信号：随时间变化的信号u电路中任何一个节点的信号如果随时间会发生变化，则该信电路中任何一个节点的信号如果随时间会发生变化，则该信号中必定包含有交流信号成分号中必定包含有交流信号成分u交流分析是用不同频率的正弦型信号（平均值为交流分析是用不同频率的正弦型信号（平均值为0）激励电）激励电路，确定电路中各节点对不同频率激励信号所发生的响应的路，确定电路中各节点对不同频率激励信号所发生的响应的过程过程u由于任何一个交流信号均可等效为不同幅度、不同频率正弦由于任何一个交流信号均可等效为不同幅度、不同频率正弦型信号的加权求和，因此模拟电路中通常说的交流信号指的型信号的加权求和，因此模拟电路中通常说的交流信号指的就是平均值为就是平均值为0的正弦型信号的正弦型信号u一旦采用交流分析方法确定一旦采用交流分析方法确定了电路对不同频率正弦型信号了电路对不同频率正弦型信号的响应，采用叠加定理就可以的响应，采用叠加定理就可以确定该电路对不同波形信号的确定该电路对不同波形信号的响应响应交流信号交流信号：随时间变化的信号一旦采用交流分析方法确定了电路节点信号分析电路节点信号分析l电路中任何一个节点的信号等于该节点的直电路中任何一个节点的信号等于该节点的直流信号与该节点的交流信号之和流信号与该节点的交流信号之和l先采用直流分析方法确定电路中各节点的直先采用直流分析方法确定电路中各节点的直流信号（直流工作点），在这一步中假设流信号（直流工作点），在这一步中假设所有的交流激励信号源均等于所有的交流激励信号源均等于0l再采用交流分析方法来得到电路中各节点的再采用交流分析方法来得到电路中各节点的交流信号，在这一步中假设所有的直流激交流信号，在这一步中假设所有的直流激励信号源均等于励信号源均等于0，将两次分析的结果加在，将两次分析的结果加在一起，就是该节点的总信号一起，就是该节点的总信号电路节点信号分析电路中任何一个节点的信号等于该节点的直流信号小信号分析小信号分析l小信号分析：当各节点的交流信号幅度足够小，对电路直流工小信号分析：当各节点的交流信号幅度足够小，对电路直流工作点的扰动影响近似可以忽略时可以采用的一种分析方法作点的扰动影响近似可以忽略时可以采用的一种分析方法l大信号分析：当各节点的交流信号幅度很大，对电路直流工作大信号分析：当各节点的交流信号幅度很大，对电路直流工作点的扰动影响不可忽略时要采用的分析方法点的扰动影响不可忽略时要采用的分析方法ua a是一个只与电路的静态工作点是一个只与电路的静态工作点相关的参数，它是电路传输曲线相关的参数，它是电路传输曲线在静态工作点在静态工作点Q Q处的斜率处的斜率u知道知道了电路的静态工作点信息，了电路的静态工作点信息，就可以确定就可以确定a a的大小的大小u在静态工作点周围，电路的输在静态工作点周围，电路的输出信号与输入信出信号与输入信号之间的关系就号之间的关系就由由a a唯一确定，这样给电路分析和唯一确定，这样给电路分析和设计带来很大方便设计带来很大方便小信号分析小信号分析：当各节点的交流信号幅度足够小，对电路直小信号分析与大信号分析小信号分析与大信号分析l小信号分析是一种线性化的分析方法小信号分析是一种线性化的分析方法u它把电路的传输特性在静态工作点进行线性化，并用来描述电路在静它把电路的传输特性在静态工作点进行线性化，并用来描述电路在静态工作点一定范围内的行为，在这一小段范围内，输出信号与输入信态工作点一定范围内的行为，在这一小段范围内，输出信号与输入信号之间成线性关系号之间成线性关系u该线性化范围的大小与对电路线性度的要求有关。对电路线性度的要该线性化范围的大小与对电路线性度的要求有关。对电路线性度的要求越高，该线性化范围越小求越高，该线性化范围越小u超出此范围时，就不能再采用小信号分析方法，电路不再是线性的了，超出此范围时，就不能再采用小信号分析方法，电路不再是线性的了，只能采用大信号分析方法进行分析只能采用大信号分析方法进行分析u小信号分析一般基于元器件的小信号模型来进行分析，所得到的结果小信号分析一般基于元器件的小信号模型来进行分析，所得到的结果可以用来描述电路在静态工作点一定范围内的线性行为可以用来描述电路在静态工作点一定范围内的线性行为l大信号分析一般基于元器件的大信号大信号分析一般基于元器件的大信号I-V 特性进行分特性进行分析，分析过程很复杂，但却描述了电路在整个空间的析，分析过程很复杂，但却描述了电路在整个空间的行为行为l大信号与小信号分析是一个整体与部分之间的关系大信号与小信号分析是一个整体与部分之间的关系小信号分析与大信号分析小信号分析是一种线性化的分析方法模拟集成电路概要模拟集成电路概要（1）信号分类）信号分类（2）集成电路与分立电路）集成电路与分立电路（3）模拟集成电路分析与设计）模拟集成电路分析与设计（4）模拟集成电路在系统中的作用）模拟集成电路在系统中的作用（5）模拟电路中的基本概念）模拟电路中的基本概念（6）放大器基础）放大器基础模拟集成电路概要（1）信号分类（2）集成电路与分立电路放大器的两端口网络模型放大器的两端口网络模型放大器的两端口网络模型l输出端短路时的输入导纳l输入端短路时的反向跨导l输出端短路时的前向跨导l输入端短路时的输出导纳输出端短路时的输入导纳放大器的两端口网络模型：低频宏模型放大器的两端口网络模型：低频宏模型l单向放大器：单向放大器：输出端口所加信号不会对输入端口的信号造成影响，信号只能单向地从输入传输到输出短路跨导：输入阻抗：输出阻抗：放大器的两端口网络模型：低频宏模型单向放大器：输出端口所加信放大器的两端口网络模型：低频宏模型（续）放大器的两端口网络模型：低频宏模型（续）l开路电压增益：l短路电流增益：放大器的两端口网络模型：低频宏模型（续）开路电压增益：输入阻抗的计算方法输入阻抗的计算方法一般情况下，令输出开路。若输出接有一般情况下，令输出开路。若输出接有负载，应将负载考虑在内负载，应将负载考虑在内输入阻抗的计算方法一般情况下，令输出开路。若输出接有负载，应输出阻抗的计算方法输出阻抗的计算方法一般情况下，令输入信号源等于一般情况下，令输入信号源等于0。若输入信。若输入信号源带有源内阻，应将信号源内阻考虑在内号源带有源内阻，应将信号源内阻考虑在内输出阻抗的计算方法一般情况下，令输入信号源等于0。若输入信号短路跨导和开路电压增益的计算方法短路跨导和开路电压增益的计算方法l短路跨导：短路跨导：u令输出短路到地令输出短路到地u在一定的信号电压在一定的信号电压vin激励下，计算流过输出端激励下，计算流过输出端短路线的电流短路线的电流ioutu短路跨导短路跨导Gmiout/vinl开路电压增益：开路电压增益：u电压增益电压增益avGmZo若输入信号源带有源内阻，应将信号源内阻考虑在内若输入信号源带有源内阻，应将信号源内阻考虑在内一般情况下，令输出开路。若输出接有负载，应将负载考一般情况下，令输出开路。若输出接有负载，应将负载考虑在内虑在内短路跨导和开路电压增益的计算方法短路跨导：若输入信号源带有源例子例子l计算输入阻抗、输出阻抗、短路跨导和开路计算输入阻抗、输出阻抗、短路跨导和开路电压增益电压增益例子计算输入阻抗、输出阻抗、短路跨导和开路电压增益总结总结l模拟集成电路概要模拟集成电路概要（1）信号分类）信号分类（2）集成电路与分立电路）集成电路与分立电路（3）模拟集成电路分析与设计）模拟集成电路分析与设计（4）模拟集成电路在系统中的作用）模拟集成电路在系统中的作用（5）模拟电路中的基本概念）模拟电路中的基本概念（6）放大器基础）放大器基础总结模拟集成电路概要（1）信号分类（2）集成电路与分立电