前言

集成电路（Integrated Circuit，IC）也称为芯片（Chip），是由美国TI公司的杰克?基尔比（Jack Kilby）于1958年发明的。60多年以来，集成电路一直遵循着摩尔定律（Moore’s Law）预期的速度向前推进，其发展速度远远超过其它任何行业，极大地推动了电子信息技术和相关产业的快速发展。集成电路从早期的数字或模拟专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），发展到超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）以及系统芯片（System on Chip，SoC），再到目前的混合信号SoC（Mixed-Signal SoC），单颗芯片的功能愈加强大，性价比不断提高，极大地提升了电子系统的性能并降低了成本。集成电路目前虽然已进入后摩尔时代，单个器件尺寸的缩小速度有所放缓，但异质集成微系统（Heterogeneous Integration Microsystem）异军突起，使得系统整体的性能仍然得到不断提升。在异质集成微系统中，将利用不同工艺制造的小芯片（Chiplet）集成在一起，例如，模拟或射频电路等不需要采用最先进工艺的芯片，可以用较成熟且廉价的工艺实现，而数字电路则采用最先进的工艺实现，以提高微系统整体的性能（集成度、成本、功耗、计算速度等），即所谓的“超越摩尔（More than Moore）”技术。
在目前的混合信号SoC以及异质集成微系统中，除了微处理器、存储器、数字处理单元和外部接口外，还集成了高性能模拟电路、射频（Radio Frequency， RF）电路以及电源管理电路等。由于数字集成电路具有精度高（容差特性好）、功耗低和设计灵活的特点，人们一直探索利用标准的数字电路实现复杂的模拟电路功能。另外，在模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、数模转换器（Digital-to-Analog Converter，DAC）、锁相环（Phase Locked Loop，PLL）和RF电路等混合信号电路中，采用各种数字校准技术来校正和补偿模拟电路的误差，即将模拟电路设计中难以克服的精度问题转移到数字领域中解决，这种方法被称为“数字辅助模拟设计（Digitally Assisted Analog Design）”。尽管数字集成电路可以完成许多模拟信号处理的功能，但模拟集成电路在混合信号SoC或微系统中仍然起着非常重要的作用，实践证明它们的功能是无法用数字集成电路完全替代的，而且随着各种复杂高性能混合信号SoC或异质集成微系统的不断出现，高性能模拟集成电路所起的作用更加重要，其应用领域也更加广泛（详见本书第1章）。因此，模拟集成电路永远也不能缺少，这是因为：1）现实世界的物理量（温度、位移等）和人类能够感知的信息（声音、图像等）都是模拟量，因此需要模拟?数字转换和接口电路；2）随着数字集成电路的工作频率不断提高，数字集成电路的设计也需要遵循模拟集成电路（甚至射频电路）的设计思想；3）模拟集成电路通常不需要利用最先进的工艺制造，具有成本优势，可与数字集成电路实现异质集成（利用3D/2.5D等微系统异质集成技术），以提升系统整体的性价比。
由于互补金属-氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）工艺具有低功耗、低成本（器件尺寸可按比例不断缩小）、高速动作等优点以及数模混合信号SoC的单片集成需要，CMOS工艺已成为制造模拟集成电路或数模混合信号SoC的主流工艺。因此，本书主要讨论模拟CMOS集成电路的原理和设计。目前，CMOS集成电路制造工艺已进入深亚微米和纳米（5nm）阶段，各种寄生效应更加凸显，电源电压也相应降低，这对设计高速高精度模拟集成电路带来了极大的挑战。这是由于，模拟集成电路所处理的信号幅度是连续变化的，任何混入系统的噪声和系统的非线性特性所引起的信号失真都直接造成模拟信号的幅度误差，随着电源电压的进一步降低，信噪比将显著减小。另外，模拟集成电路通常消耗整个系统或芯片的大部分功耗和面积。因此，在模拟集成电路设计中，通常需要关心精度（增益和信噪比）、功耗、面积、速度、稳定性以及电源电压等性能指标，而通常这些指标是互相矛盾的，必须针对具体应用场合在它们之间进行折衷或优化。
就设计方法学而言，数字集成电路可利用标准单元电路实现自动综合和布局布线，而模拟集成电路目前还只能依靠设计工程师借助EDA（Electronic Design Automation）工具的“手工设计”，包括电路和版图设计，因为模拟集成电路模块的标准化困难重重，目前远未达到实用的程度（未来借助人工智能，也许可以实现模拟集成电路的自动设计和优化）。另外，模拟集成电路的性能与制造工艺密切相关（工艺移植性较差），而数字集成电路的工艺移植性较好。因此，作为一名优秀的模拟集成电路设计工程师，需要具备以下素质：能够定性地分析理解一个复杂电路的工作原理；能够定量地估算电路的主要性能参数；对半导体制造工艺和元器件特性有充分的了解；能够不断发明新的电路结构或不断提升电路性能。本书作为初级教材，重点介绍基本的模拟集成电路设计知识，而为了具备以上素质，需要读者亲身参与大量的工程设计（正所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”），不断积累经验（包括电路、版图和工艺方面的经验），并且要具有精益求精、一丝不苟的真正工匠精神。通常一名优秀的模拟集成电路设计工程师需要具备5~10年以上的工程设计经验，最终将成为模拟集成电路设计领域的“老中医”。
当前，我国集成电路设计人才的数量和质量都远远不能满足行业发展的需求。但相对而言，数字集成电路设计工程师较多，模拟集成电路设计工程师较少，而射频集成电路设计工程师则稀缺。这是因为相对数字集成电路设计而言，模拟和射频集成电路设计需要熟悉制造工艺、不断地积累设计经验和持续电路创新，因此，模拟集成电路设计工程师的职业生涯中不存在所谓的“中年危机”（在大型IC设计企业中，银发工程师往往起着“定海神针”的作用）。

本书是作者结合长期的集成电路研发实践以及多年的“模拟集成电路设计”相关课程的教学经验，并参考国内外同类教材的基础上，精心编著而成的。该书基于现代CMOS工艺，从元器件出发，详细分析了各种典型模拟CMOS电路的工作原理和设计方法，并引入大量的工程设计实例，对模拟CMOS集成电路的研究和设计具有较高的学术和工程实用价值。
全书共分10章。第1章，绪论，主要介绍模拟集成电路的典型功能及其应用领域、模拟与数字集成电路的区别以及模拟集成电路的设计流程。通过本章的学习，读者可以了解模拟集成电路在系统中所起的作用、以及模拟集成电路的特点和设计流程。
第2章，元器件及其模型，重点介绍现代模拟CMOS集成电路设计中用到的各种有源和无源器件的工艺实现方法、工作原理以及电学模型。作为优秀的模拟集成电路设计者，只有深入地掌握了各种器件的工作原理和特性后，才能设计出高质量的模拟集成电路。由于模拟集成电路的性能与制造工艺密切相关，通过本章的学习，可以帮助读者在今后的具体电路设计中充分利用各种电路器件的特性，从而做到“扬长避短、组合互补、精准设计”。
第3章，单级放大器，主要介绍四种典型的单级放大器（仅含有一个放大管的放大器），包括共源、共栅、共漏和共源共栅放大器，这些单级放大器是模拟集成电路中最基本的“标准模块”（类似于数字集成电路中的门电路）。深入理解它们的工作原理和特性，对读者今后设计更复杂的电路或发明新的电路结构是非常有益的。
第4章，运算放大器，主要介绍差动放大器和普通两级运算放大器的工作原理和性能，同时讨论它们在负反馈状态下的稳定性和相位补偿方法。运算放大器在模拟集成电路中应用最为广泛，是模拟集成电路设计的精髓。通过本章的学习，读者可以亲自动手设计和仿真一个普通两级运算放大器。
第5章，高性能运算放大器，本章以第4章的运算放大器为基础，重点介绍各种进一步提升运算放大器性能的方法，包括提高电压增益、增大输出电压摆幅、扩展输入共模电压范围、提高共模抑制比和信噪比、降低功耗、以及提高负载驱动能力等。这些高性能运算放大器的性能各有所长，可满足不同应用场合的特殊需求。
第6章，比较器，主要介绍比较器的性能参数、典型的比较器电路结构以及比较器的失调电压校正技术。比较器实质上是高增益的开环运算放大器，用于比较和判别两个输入信号的大小，其输出只有两种状态（高、低电平）。因此，比较器设计中优先关注的性能指标是动作速度（输出状态的翻转速度）和电压分辨精度，而不是像放大器一样关注输出信号的幅度信息。
第7章，基准电压与电流，主要介绍各种产生基准电压和基准电流的典型电路，它们主要用于给各种模拟集成电路或混合信号SoC提供稳定的直流偏置电压或电流。对于理想的基准电压源与电流源，其输出电压或电流应不受制造工艺误差、电源电压和温度变化的影响。
第8章，电路噪声，主要介绍各种电路元器件的噪声及其电学模型、以及各种单级放大器和运算放大器的噪声性能。最后，以折叠式共源共栅放大器为例，介绍低噪声放大器的设计方法。在集成电路中，除了人为调控的受控电子外，还存在各种不受控制的随机运动的电子（即噪声）。由于噪声混杂在信号中影响信号的精度和动态范围，必须尽量减小噪声的影响。
第9章，时钟信号产生电路，主要介绍适合于片上集成的各种时钟信号产生电路，包括电容充放电振荡电路以及锁相环和延迟锁相环电路。时钟信号是数字、模拟以及混合信号集成电路工作时不可或缺的系统工作信号（本地时钟信号），要求其振荡频率的精度高、稳定性好、且能灵活调节。
第10章，数据转换电路，主要介绍各种ADC和DAC的电路结构、工作原理和性能特点。数据转换器在信号链电路中起着十分重要的作用，要求具有高速、高精度和低功耗的特性。各种数据转换器的电路结构不同，它们的性能也各有所长、各具特色。通过本章的学习，读者可以了解各种数据转换器的结构和工作原理，为今后设计或使用数据转换器奠定基础。
第9章和第10章是前几章介绍的经典模拟集成电路的具体应用，其内部的核心电路仍然是运算放大器和比较器等电路。

本书每章后面的习题，可供读者自己练习，通过做习题，可以帮助读者进一步理解本书的内容，同时习题中给出了大量的经典电路和工程实用电路，供读者参考，以扩展视野。
书后附有本书编写过程中的参考文献，读者可以查阅这些参考文献，以进一步加深对本书内容的理解和拓展知识面。
本书可供微电子与集成电路（或集成电路科学与工程）专业的本科生以及研究生作为教材使用（理论教学大约需要60学时，同时需要配套相应的实验课程），也可供模拟集成电路设计工程师参考。本书的读者应具备“电路分析基础”以及“信号与系统”等方面的专业基础知识，如果读者还具备“半导体物理和器件”以及“集成电路制造工艺”方面的专业知识，则更容易理解本书的内容。
模拟集成电路设计是一门实践性很强的专业核心课程，强烈建议读者在学习或自学本书时，尽可能利用EDA工具做大量的电路设计和仿真实验（或选修相关的实验课程）。在进行电路设计时，建议读者首先根据设计指标自己手动计算管子的尺寸参数，然后利用仿真工具确认电路性能，如性能不满足设计要求，可逐步调整元器件参数或改变电路结构（这种调整需要在理论指导下进行，做到有的放矢，而不是漫无目的的随意试探），最终完成电路设计。只有通过以上设计过程，才能更加深刻地理解本书内容，从而逐步提高自己的集成电路设计能力。
本书由西北工业大学的魏廷存、陈楠以及西安邮电大学的刘伟编著，全书内容由魏廷存教授策划和审校。参加本书编写和习题整理工作的还有：西北工业大学的博士生刘德琛、陈思杰和王伊榛、以及硕士生杨利、林通等同学。电子工业出版社的编辑孟宇在本书的出版和编辑过程中付出了非常辛勤的劳动。在此，作者向他们表示衷心的感谢。
本书的编写过程中虽然作者倾注了大量的心血，前后持续两年多的时间，但仍可能存在诸多不足和不妥之处，非常真诚地欢迎各位读者提出宝贵建议和意见，力争在本书的第二版中给以修改和补充（编著者邮箱：weitc@nwpu.edu.cn）。

编著者
2022年8月，西安