译  者  序
Tradeoffs and Optimization in Analog CMOS Design一书是由美国北卡罗来纳大学夏洛特分校的David M. Binkley教授撰写的关于优化与折中的专著。书中首次将模拟CMOS设计的折中和优化这一重要主题展示给读者， 书中很多内容都是对现有书籍的一个补充。本书介绍了一种从源头进行优化设计的方法， 并以实例介绍了方法的实际应用， 理论与实际相结合。这是一种优化方法学的研究， 有利于拓展读者对电路设计进行优化的思路。在CMOS工艺设计实例介绍中除了0.5 um、0.35 um工艺外， 大量的数据来自于0.18 um CMOS工艺设计的测试， 突出显示出本书紧跟科学技术的发展， 给出的工艺具有先进性的特点， 有一定的实际指导作用， 有些结论甚至可以在设计中起到直接的参考作用。在这个设计优化方法的介绍中， 对实际高水平设计中需要考虑的一些二阶效应的影响给出了较为深入细致的分析， 因而， 这是一种更深层次的研究。书中的分析和结论有利于读者在以后更小尺寸（更高水平）工艺上进行更高水平电路的设计。因此， 本书可以用做已掌握了模拟电路设计的基本概念、部分功能电路的基本拓扑结构， 对电路设计提出更高要求的大专院校的研究生， 也可以作为集成电路、 设计领域高水平技术人员很有价值的参考书。
我们受电子工业出版社的委托， 对该书进行了翻译， 旨在向相关领域的大专院校学生和业内的设计人员介绍一本极有价值的参考书， 为我国已经起步并正蓬勃发展的集成电路， 尤其是模拟集成电路设计的更快速发展尽绵薄之力。
本书的序、 前言和第1章至第3章由冯军教授主持翻译， 第4章至第7章和附录由胡庆生教授主持翻译。
2009年在东南大学信息科学与工程学院射频与光电集成电路研究所从事研究工作的研究生， 朱佳雯、刘全、龚坤、沈炎俊、杜文俊、刘羽、孙翔、石集峻、陈准、苏燕、窦建华和李育军为本书的翻译做了大量的准备工作， 再次对他们表示感谢。
鉴于译者水平， 译文中难免有错误之处， 敬请读者批评指正。

冯  军，  胡庆生

序
模拟电路设计常被认为是一种艺术， 有时甚至是一种具有“黑色魔法”体验的“神秘”艺术。这种艺术的表象可能来自于要求发现， 改进或者最终发明一个电路的创造力， 这个电路能够完成一种可实现的功能， 也可能来自于了解和掌握在所有不同约束之间进行正确折中以达到规定目标所必需的技巧。它也是一门工程性学科， 因为它必定需要一个清晰的方法学以便及时顺利地完成设计。模拟电路设计的一个重要步骤是寻求合适的电路以达到所希望的功能。一旦选定电路， 设计者必须找到正确的折中， 然后确定不同元件的大小， 特别是选择偏置电流， MOS晶体管的宽度和长度以达到所希望的性能。通常， 在设计过程的初期， 需要采用允许手工计算的简化器件模型， 诸如EKV MOS模型， 以便预测性能和进行一阶电路优化。一旦确定所有器件的尺寸， 即可用电路仿真软件对电路进行更详细的仿真， 精细的调整， 最终对整个工艺， 电压和温度的变化进行验证。
多数时间， 用单纯平方律晶体管模型确定尺寸， 而这个方法在强反型层经常是不准确的， 在弱反型层则是完全错误的。随着当今CMOS工艺尺寸迅速减小， 模拟电路中所用晶体管的工作点常常选在弱和强反型层之间， 即所谓的中等反型层。
EKV MOS晶体管模型引进了强有力的反型系数（IC）概念(有时也称为反型因子)。作为主要的晶体管设计参数， 这是一个更通用的参数， 而且替代了长期使用的、在强反型层模型中有特色的过驱动电压。它允许以连续的方式表示MOS晶体管在所有工作区域的特性。这个方法能够简单地以反型系数表示单个晶体管的所有重要参数， 诸如小信号参数， 包括跨导、 电容和噪声参数。因此， 对于单个晶体管可以在所有设计区间扫描反型系数以寻找适当的偏置工作点。
距今25年以前， Eric Vittoz和我一直基于反型系数概念， 讲授使用这一概念的模拟电路设计。1996年我创立了第一个确定尺寸的工具， 实际被称为模拟设计器（Analog Designer）， 在Mac上运行［1］。图形化的用户界面如图1所示。它允许由基本反型系数（对应于图中顶端的轴）计算所有重要的设计参数。然后， 当移动垂直标尺扫描反型系数时， 可以同时更新所有其他参数。这样对于确定单个晶体管尺寸的特定任务， 设计者可以优化得到最适当的工作点。
我记得2000年在加利福尼亚的一个会议上第一次遇到David Binkley。我们一起共进早餐而且很快转入关于采用反型系数进行模拟设计方法的讨论。我惊奇地发现一个美国教授竟然也了解这个方法；这一方法， 虽然我们已经讲授多年， 但是从来没有传播进入美国的设计者群体， 他们仍旧使用最简单的平方律MOS晶体管模型。我们如此热烈的讨论以至于忘了我的特邀演讲， 被提醒才不得不快步去给等待的听众演讲EKV MOS晶体管模型和反型系数。那时David并没有真正谈到关于写书的事， 不过我已经想到了， 在工业设计中， 他应用这个方法学已经积累了相当的实际经验， 写一本介绍和突出反型系数设计方法的书， 他应该是适当的人选。
David的书首次介绍了这个强有力的设计方法学。它甚至被扩展至远超过由Eric Vittoz和我本人最初创立的方法学， 着眼于所有可能面临的不同设计情况。例如， 扩展了手工设计表达式以便包括一些重要的影响， 诸如速度饱和与由垂直电场引起的迁移率减小（VFMR）， 从而允许对高IC的短沟道器件进行更准确的设计。漏致势垒降低（DIBL）也包括在电压增益的计算中， 因为在短沟道长度和低IC时， 它常常主导沟道长度调制（CLM）效应。所有这些效应， 包括闪烁噪声随反型系数的增加， 是在0.18 um CMOS工艺中经大量测得的规一化数据仔细验证的。所有这些概念均由几个设计实例做了非常精细地介绍， 包括运算跨导放大器， 对于直流和交流性能各种折中的优化。还有微功耗， 低噪声前置放大器， 对于最小热噪声和闪烁噪声的优化。这些实例已经被制造并且明确地证明了这个方法学的强有力性和准确性。最后， David也已经开发了一个非常有用的电子数据表， 此表不仅有益于器件和电路的设计和优化， 而且也保存了一个非常有用的文件， 用来说明如何确定给定电路中不同晶体管的大小以满足目标规范。所有这些扩展和改进使David的工作是独一无二的， 他的书对于任何模拟设计人员都是不可缺少的。
图1  基于反型系数设计方法的模拟设计器用户界面［1］
由于模拟电路， 甚至单个晶体管的尺寸优化存在着巨大的设计空间， 写一本有关这个主题的书是一个真正的挑战。在这本书中David已将建立一个一致的和实用的设计方法所需的所有重要内容融合在一起， 该方法现在已经能够有效地应用到模拟CMOS电路的设计中。一直以来我相信这是一个有用的方法， 现在终于可以奉献给读者， 我感到非常欣慰。对于任何一个模拟电路设计者， 本书一定会成为极有用的参考书。最后， 我将用本书作为我的模拟设计课程的教科书。

Christian C. Enz 教授    瑞士电子和微技术中心    瑞士联邦技术研究院， 洛桑
参考文献
［1］  C. C. Enz and E. A. Vittoz, “CMOS Low-power Analog Circuit Design, ” in Emerging Technologies, Designing Low-power Digital Systems, Tutorial for 1996 International Symposium on Circuits and Systems, Eds. R. Cavin and W. Liu, pp. 79-133. IEEE Service Center, Piscataway, 1996.前    言
20世纪90年代后期， 我的同事和我在设计一个大规模的CMOS集成电路， 该电路目前安装在商用正电子断层扫描（PET）医学成像系统中。在这个设计项目期间， Scott Puckett问我“在模拟电路设计中你如何选择MOS晶体管沟道的宽和长？”然后我们走到会议室的黑板前， 我试着回答Scott的问题。因为有如此多的衡量模拟性能的量， 且性能依赖于器件工作在弱、中等或者强反型层， 黑板上很快写满了各种想法和表达式。在那个下午， 我可能仅仅开始考虑在模拟电路中除了选择MOS晶体管的漏极电流外， 如何确定晶体管的尺寸这个重要问题。现在， 几乎是十年后的今天， 本书试图回答漏极电流和尺寸问题。其中包括为获得优化设计以满足应用需求所进行的多种性能的折中。
因为考虑更多的是漏极电流和尺寸问题， 我认识到通过反复的电路仿真选择漏极电流和MOS晶体管尺寸的反复试验方法花费了大量的设计时间， 而且只能提供少量的设计直觉知识。可以清楚地看到， 预先选择漏极电流， 弱、中等或者强反型层级别和沟道长度是在模拟电路设计中确定MOS晶体管尺寸最具有物理意义和时效性的方法。用这种设计方法， 沟道宽度的选择不再是一个设计选项， 但是对于表达式、仿真和版图中所需的沟道宽度可以很容易地由所选择的漏极电流、反型层级别和沟道长度求得。对于这个设计方法来说， 采用数字化表示MOS反型级别的反型系数反型系数和EKV MOS模型以及弱、中等和强反型层的讨论请参见第2章。和由EKV MOS模型实现的在弱、中等或者强反型层MOS性能有效的简单表达式似乎是理想的。事实上， 这个设计方法与Christian Enz， Eric Vittoz和其他学者研究的方法是类似的， 只是这些目前并没有被广泛获知或者使用。我希望这里介绍一些新的材料并给出对于我作为一个工业设计者是有用的详细设计方法。
本书介绍的设计方法是我的同事和我在Concorde 微系统研究工作的扩展。这包括早期的电子数据表格设计工具，  Jim Rochelle称其为“preSPICE” 。这个名字汲取本书所含内容的意图：在给出有效设计所要求的计算机仿真之前， 为设计者提供设计直觉和指导， 引导其朝着最优模拟CMOS设计逼近。第1章进一步介绍了本书包含的内容， 且给出相关主题的概述。
我希望， 对于致力于采用很有趣和复杂的MOS晶体管进行模拟电路设计并优化电路性能的学生和设计人员， 本书将有一定的帮助。
本书的配套网站是www.wiley.com/go/binkley_tradeoffs

                                         David M. Binkley    夏洛特， 北卡罗来纳州

致    谢

如果没有EKV MOS模型， 本书就不可能出版， 该模型用指导设计者所必需的清楚、简单的方式提供了MOS器件在弱、中等和强反型层的性能预测。我衷心地感谢Christian Enz, Eric Vittoz, Francois Krummenacher, Matthias Bucher, Wladek Grabinski， 以及每一位与EKV模型开发有关的人士， 还有第一个将这个模型介绍给我的 Daniel Foty。另外， 感谢向我介绍MOS反型因子或者反型系数的 Christian Enz and Eric Vittoz， 反型系数是本书所述内容的基础。
MOS建模和模拟电路设计领域拥有一个广阔而丰富的历史， 虽然我已收集了几百篇他人工作的参考文献， 多数在第3章， 但是我还是不可能引用所有前人的工作。如果我遗漏了引用某个关键工作， 请尽可能让我知道， 以便在本书可能进行的第二版修订中能够引用。
非常感谢Christian Enz和 Yannis Tsividis的鼓励和一些想法。写这本书的最后几个月我在慕尼黑技术大学的电子设计自动化研究所， 非常感激 Helmut Graeb和Ulf Schlichtmann在此期间对我的热情招待。通过广泛的讨论， 我在MOS建模， 模拟电路设计和电子设计自动化之间建立的联系得到了高度肯定。
我将始终感谢 Ron Nutt, Terry Douglass, Kelly Milam和Mike Crabtree， 是他们在CTI PET Systems引领着PET医学成像技术的商业开发。致力于这项工作20多年之后， 因这些杰出人物的想象， PET的确实际应用于临床， 现在用于肿瘤， 心脏， 大脑和世上其他疾病的生物学成像。正是这个PET医学成像中复杂的前端电子设备的需求， 引导 Jim Rochelle， Brian Swann， Mike Paulus， Scott Puckett和我开始从事模拟CMOS设计。十分感谢Ron Nutt， 正是Ron Nutt利用在一个小公司的小设计团队的机会冒险进入了模拟CMOS设计。正是因为设计团队早期从位于诺克斯维尔的田纳西州大学的 T. Vaughn Blalock, Ed Kennedy和Jim Rochelle接受的知识和灵感的深度， 这才成为可能。设计团队也受到CTI PET公司的Clif Moyers and Mike Casey 的支持和在附近的橡木脊国家实验室的更大范围的设计团队的支持， 包括Chuck Britton, Mike Simpson, Nance Ericson, Alan Wintenberg和Lloyd Clonts。还要感谢Robert Nutt, Rhonda Goble和Stefan Siegel， 正是他们在Concorde Microsystems公司， 引领着小动物PET成像的商业开发。CTI PET Systems和Concorde Microsystems公司目前是西门子公司的一部分， 西门子公司继续推动PET医学成像拯救生命的使命向前发展。
我将不会忘记那几年与 Jim Rochelle一起在CTI PET Systems和Concorde Microsystems公司并肩工作的美好时光， 非常幸运， Jim是我的良师益友。我知道业界设计者阅读本书时能够体会到Jim和我为发布一个含有模拟CMOS电路的集成电路所经历的无数的设计时间、 通宵工作以及兴奋和激动。早先在田纳西大学， Jim就向我和其他人介绍了模拟CMOS设计， 他是我的博士导师。
我衷心感谢Don Bouldin和Chuck Stroud， 在我的职涯中期转入高校时给予的指导和鼓励。我也感谢我们学院的院长Bob Johnson， 系主任Farid Tranjan和Lee Casperson， 对于我在夏洛特的北卡罗来纳大学写此书时给予的鼓励。还感谢学生Norbert Ulshoefer, David Ihme, Clark Hopper, Brian Moss(他中间名字的首字母确实是“C”)， Steve Tucker, Srikanth Mohan， Jeremy Yager和 Nikhil Verma以及学校的同事Arun Ravindran, Tom Weldon和Steve Bobbio， 感谢他们在设计思想， 测试， 计算机编程， 集成电路版图和显微照片方面给予的帮助。再要感谢 Mohammad Mojarradi， Ben Blalock, Harry Lee, Alan Mantooth和 Bill Kuhn， 为与他们在一起合作研究的愉快， 对Ben Blalock, Nance Ericson和Andries Scholten在测试上为本书做出的贡献也表示感谢。
我衷心感谢John Wiley ＆ Sons Ltd出版社， 在21世纪的第一年为我们出版了此书。我非常感谢本书责任编辑Simone Taylor， 出版经理Mary Lawrence， 为他们在长时间的出版过程中给予的鼓励、耐心和职业水准。对Sarah Kiddle 在内容编辑和Laura Bell在封面设计上的帮助表示感谢。我还要感谢Wiley出版社评阅人认真仔细的评审意见， 和来自富有经验的作家Chuck Stroud和Jim Conrad的指导和鼓励。
最后， 我尤其要感谢我的妻子Jacqueline和孩子Anna和Christopher， 在漫长的看似无尽的五年写作过程中给予我的鼓励。我是真正享受了我们在一起的时光。我也感谢我的父亲Jerry Binkley给予我的鼓励。