模拟集成电路设计 课件 第1章 绪论

1微电子科学与工程专业—本科生课程模拟集成电路设计DesignofAnalogintegratedCircuits2

课程基本信息课程编码：学时/学分：56学时（课堂理论教学）/3.5学分课程性质：学科专业核心课程（必修课）先修课程：电路基础、信号与系统、模拟/数字电子技术基础、半导体物理与器件、集成电路制造工艺上课时间：课程成绩=平时成绩（含作业、课堂出席）+期末笔试成绩（考试）配套课程：模拟集成电路设计实践（48学时，滞后本课程6周）模拟集成电路版图设计（32学时，滞后本课程9周）3

课程内容安排第1章

绪论（4学时）第2章

CMOS元器件及其模型（8学时）第3章

单级放大器（8学时）第4章

运算放大器（8学时）第5章

高性能运算放大器（6学时）第6章

比较器（4学时）第7章

基准电压与电流（4学时）第8章

电路噪声（4学时）第9章

时钟信号产生电路（4学时）第10章

数据转换电路（6学时）共计：56学时4

教材及主要参考书1)《模拟集成电路设计》，魏廷存，等编著，电子工业出版社，2022年9月2)《模拟CMOS集成电路设计》(第2版)，[美]毕查德·拉扎维（Behzad

Razavi）著，陈贵灿，等译，西安交通大学出版社，2018年3)《CMOS模拟集成电路设计》，[美]PhillipE.Allen等著，冯军等译，电子工业出版社，2005年4)《AnalogIntegratedCircuitDesign》，DavidA.Johns&KenMartin,JohnWiley&Sons，Inc.1997年5)《AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuits》，P.R.Gray，P.J.Hurst，S.H.Lewis，andR.G.Meyer，JohnWiley&Sons，Inc.2001年6)《AnalogDesignEssentials》，WillyM.C.Sansen著,Springer.2011年5

微电子科学与工程专业的本科专业课程结构夯实基础理论，加强实践训练61.1集成电路技术概述1.2模拟集成电路的功能及应用领域1.3模拟集成电路的设计流程1.4SPICE仿真简介第1章

绪论7

1.1集成电路技术概述1.集成电路简介2.集成电路的发展历史3.集成电路的重要性4.集成电路的主要应用领域5.集成电路产业链6.集成电路产业的特点7.中国集成电路产业发展现状与趋势集成电路设计分工及人才需求模拟-数字混合信号集成电路的制造工艺8

为什么选择半导体材料？按照导电性能的强弱，可将固体分为导体、绝缘体、半导体。导体的导电性能太强，绝缘体的导电性能太弱，其导电性能均不易受控制。只有半导体材料，可通过掺杂或扩散其它元素，人为改变其导电性能。由于半导体器件存在导通阈值电压，通过外加电压可以控制器件的导通或关断（适合于作开关器件，用于数字电路），或控制器件的电流大小（用于模拟电路）。半导体又分为：集成电路、分立器件、光电器件、传感器（MEMS）集成电路（IC:IntegratedCircuits）也称为芯片（Chip）。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连在一起，制作在一小块半导体晶片上，然后封装在一个管壳内。

1.集成电路简介微电子学是调控电子运动的一门科学与技术9

1.集成电路简介手机电路主板10

1.集成电路简介切割晶圆制造电路原理图设计芯片版图设计中测终测出厂设计指标（用户需求）封装11

1.集成电路简介硅片测试（中测）封装测试出厂销售石英石单晶硅柱硅晶圆熔炼、直拉切片、抛光晶元切片涂胶、光刻曝光、刻蚀掺杂光刻集成电路制造流程（“点石成金”）121947年，美国贝尔实验室的巴丁和布拉顿研制成功世界上第一个锗点接触型晶体管；1950年，肖克莱研制成功另一种结型（pn结）晶体管。由于巴丁、布拉顿和肖克莱在晶体管和结型晶体管发明上的贡献，在1956年获得了诺贝尔物理奖。从此开启了固态电子（Solid-StateCircuit）技术的历史（取代了真空电子管技术）。

2.集成电路的发展历史锗点接触型三极管巴丁（左）、布拉顿（右）和肖克莱（中）集成电路是人类历史上最伟大的发明。在科学技术史上，与集成电路技术竞争的其它技术，无一例外的是失败者。131958年，美国TI公司的杰克·基尔比（JackKilby）研制成功全球第一块锗集成电路（图1），2000年被授予诺贝尔物理学奖（图3）。今年是集成电路发明63周年。1959年，美国仙童公司的罗伯特·诺伊斯（RobertNoyce）研制成功全球第一块基于硅平面工艺的硅集成电路（图2）

2.集成电路的发展历史图1图2图3141963年，F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体）技术，现在95%以上的集成电路芯片都是采用CMOS工艺制造的。1966年，美国RCA公司研制出CMOS集成电路，并研制出第一块门阵列（50门）芯片。

2.集成电路的发展历史151965年，美国仙童公司的戈登·摩尔（GordonMoore，Intel的创始人）提出著名的摩尔定律：集成电路芯片上的晶体管数量每年翻一番，1975年修正为每两年翻一番。集成电路中晶体管的特征尺寸将随时间按照指数规律缩小，带来芯片的制造成本（面积）降低、工作速度提高和功耗降低。

2.集成电路的发展历史GordonMoore7纳米是人类头发丝的一万分之一！16

2.集成电路的发展历史过去40多年，微处理器芯片中所集成的晶体管数目增长曲线。10亿个苹果A16处理器:160亿个晶体管，主频3.46GHz（2022年，4nm工艺）Intel

4004，首款商用微处理器，内含2300个晶体管，主频为740KHz，1971年，10μm工艺。17

2.集成电路的发展历史过去100多年，人类每$1000成本所能得到的每秒计算能力增长曲线。18

2.集成电路的发展历史摩尔定律背后的终极推动力其实是经济因素（摩尔定律非物理定律）。时至今日，摩尔定律“投资发展制程→芯片生产成本降低→用部分利润继续投资发展新制程”的商业模式对于半导体巨头依然有效。推动摩尔定律的是经济学。摩尔定律将集成电路行业以平均每年46%的“成长”速率往前推进，远远高于其它行业的发展速度（从1973年到2014年，美国新乘用车的燃料转换效率每年仅提升2.5％）。现在已进入后摩尔时代，晶体管的尺寸缩小速度有所放缓，但这种趋势还将持续下去。19集成电路的发明开启了人类的信息时代1964年，IBM研制成功全球第一台采用集成电路的通用计算机IBM3601971年，Intel公司采用10μmCMOS工艺，研制成功全球首款微处理器4004，开启了基于微处理器的计算机时代（信息时代）1971年，IBM推出全球首台个人计算机（PC）

2.集成电路的发展历史Intel

4004，首款商用微处理器，内建2300个晶体管，主频为740KHz20

2.集成电路的发展历史世界上第一块微处理器4004在Intel诞生80286/386/486Pentium（奔腾）Core（酷睿）21

集成电路的发明开启了人类的信息时代，目前正在推动人类进入智能时代。人类文明发展经历的四次工业革命：

蒸汽机时代→电气时代→信息时代→智能时代

2.集成电路的发展历史芯片22集成电路是国民经济和社会发展的战略性、基础性、先导性产业。石油、钢铁与集成电路被称为是国家的战略支柱工业。集成电路技术是国家实力竞争的战略制高点:微电子与集成电路技术代表着当今世界微细制造的最高水平，集人类超微细加工技术之大成，融合了40多种科学技术及工程领域的交叉学科和尖端制造技术，是人类迄今为止的最伟大技术发明对制造装备、精密机械、精密仪器、自动化设备、精细化工和新材料产业均有直接带动作用集成电路处于信息和电子产业链的最高端，利润率高。另外，自主可控的集成电路技术对于国家信息安全和军事国防建设尤其重要集成电路产业是当今全球经济的重要增长点，是学术界和产业界的最活跃研发课题之一，对IT行业的发展起着至关重要的引领作用。

3.集成电路的重要性23

3.集成电路的重要性集成电路是现代信息和电子工业体系的基石电脑操作系统和应用软件的升级换代需要强大的CPU芯片支持人工智能（AI）的三大要素：计算能力（AI芯片）、算法和样本数据。而计算能力是由AI芯片的性能决定的，是人工智能的发动机。24

4.集成电路的主要应用领域

消费类电子计算机与互联网(信息技术)，云计算和云存储，大数据，人工智能：个人电脑、平板电脑、服务器、网络设备、存储设备、显示器等移动通信(包括通信网络设备)，移动互联网：手机、GPS导航、Bluetooth/ZigBee/WiFi，无线局域网、高速公路智能收费系统(ITS)、RFID智能卡(IC卡)数字家电：数码相机/摄像机、平板电视(高清数字电视)、可穿戴电子设备、VR/AR、数字音视频、DVD、电子纸(书)、白色家电等其它新型交叉领域：生物医疗电子、柔性电子、精准医疗、智能传感器(物联网)、视频监控及安防电子、半导体照明(LED)、太阳能光伏发电、能量采集自供电工业电子：汽车电子、卫星导航、高端制造装备、智能制造(工业4.0)、测试仪器仪表、数控机床军工宇航电子：武器装备、空间探测（自主可控），军用卫星、航天器与深空探测器、激光雷达按芯片的工作可靠性要求分类25

4.集成电路的主要应用领域微电子与集成电路技术推动消费类电子的普及与发展26

5.集成电路产业链融合了40多种科学技术及工程领域的交叉学科和尖端制造技术半导体器件与制造工艺27

5.集成电路产业链芯片制造装备和半导体材料：AppliedMaterials,ASML（美、日、欧）芯片制造纯代工(Foundry，TSMC的纯代工商业模式极大地推动了集成电路产业的发展)：TSMC,UMC,GlobalFoundries,SMICIDM(IntegratedDeviceManufacture)：Intel,Samsung,SKHynix,Micron,TI,NXP,Toshiba,Infineon,ST,Sony芯片设计Fabless：ARM、高通、博通、联发科、AMD、海思、展讯IDM：Intel，IBM，TI，ADI，ST芯片封装与测试：日月光，美光，长电，华天科技EDA软件厂商：Cadence，Synopsys，Mentor，华大九天285.集成电路产业链ICDesignFullmask(工程批)Shuttle(MPW)电路设计版图设计数字电路ICPackageICfinaltest最终用户WaferproductionICwafertest(CP)Interface模拟电路ICproduction,testandpackageSystemdesignRTLdesignLogicsynthesisLayoutdesignMaskproduction芯片设计、加工、测试、封装流程CP:ChipProbing，中测29

6.集成电路产业的特点发展集成电路产业需要付出长期艰苦的努力，要有“挣慢钱”的战略眼光。集成电路是典型的人才、资金和技术密集型产业，这个行业具有“大投入、大收益，中投入、没收益，小投入、大亏损”的特征。需要实现产业链、金融链、创新链的“三链融合”，才能推动集成电路的快速持续发展。集成电路是贵族专业。集成电路技术发展速度快，不进则退，慢进则衰，赢者通吃集成电路设计的特点：要求严谨认真、一丝不苟的工匠精神开发周期长：从启动研发到批量生产通常需1~2年多工种协作：确定芯片性能指标/架构设计/算法设计/接口协议/IP核；前端/后端/模拟/数字/射频/混合信号IC设计；芯片测试试错成本高：EDA工具费+人工成本+流片费(数十万~)+测试费排错难度大：芯片集成度越高，排错难度越大→可测性设计30以组装（OEM）为主导的发展模式（劳动密集型，低人力成本，市场规模效应，国内市场与加工出口贸易），处于全球产业链的中低端“全球制造中心”，个人电脑、手机、白色家电等产量居全球第一没有形成四大技术体系，不掌握核心技术和专利（“卡脖子”技术）计算机硬件技术体系（CPU/GPU/存储器）计算机软件技术体系（操作系统/基础软件/数据库）微电子技术体系（核心电子元器件、高端通用芯片-FPGA/DSP/ADC）

关键材料、制造装备与工艺技术体系（IC制造装备、工艺和材料）产品利润率低，国外公司通过核心技术（专利）和关键产品（元器件/IC）赚取了大部分利润，留给国内的只有在组装中完成的很小增值利润（消耗资源、破坏环境、人工低福利，国产手机只有5%利润）。

7.中国IC行业发展现状与趋势中国电子信息产业（IT行业）现状31

7.中国IC行业发展现状与趋势80年代世界半导体产业在美国、日本崛起，90年代中国台湾、韩国及新加坡相继出道，21世纪则将迎来中国半导体时代；2021年中国IC市场规模占全球60%以上。目前80%以上的芯片尚需进口，国产芯片主要集中在手机基带芯片以及IC卡、SIM卡、电源芯片以及玩具类芯片等中低端产品。连续多年成为国内最大宗的进口商品。2021年，中国的芯片进口额为4325亿美元，占全球集成电路产值的约78%，其中中国自己用了将近35%，40%以上的又装在整机中出口了。中国电子信息产业长期处于“缺芯”(无核心高端芯片-CPU/GPU/DSP/FPGA/ADC、存储器、高端通信与视频芯片等)、“少魂”(无操作系统)、“没面子”(无显示面板-TFT-LCD/AM-OLED，现在有改善)状态。32

7.中国IC行业发展现状与趋势国产芯片的市占率（2019年）系统设备核心芯片市场占有率计算机系统服务器CPU

0%个人电脑CPU/GPU

0%工业应用MCU

2%通用电子系统可编程逻辑设备FPGA/EPLD

0%数字信号处理设备DSP

0%嵌入式系统Embedded

CPU~

10%通信装备移动通信终端Application

Processor

18%CommunicationProcessor

22%Embedded

CPU/GPU

0%Embedded

DSP

0%核心网络设备NPU

15%存储设备半导体存储器DRAM

0%Nand

Flash

0%Nor

Flash

5%显示及视频系统高清电视和智能电视Imageprocessor

10%Displaydriver

0%33

7.中国IC行业发展现状与趋势芯片制造业（纯代工，Foundry）:

SMIC(中芯国际)等。8~12英寸晶圆片，最高工艺可达14nm工艺，且以接国外订单为主。芯片制造工艺水平与国外相差三代以上（国外现已量产16nm、14nm、10nm、7nm，5nm，并开始向3nm、2nm挺进）。34

7.中国IC行业发展现状与趋势芯片设计业（Fabless）:中国IC设计企业多达1700多家，超过国外芯片设计公司数量总和。但企业规模小、产品面窄、档次低，企业间产品同质化竞争激烈（拼价格）。中国IC设计企业尽管众多，但销售额总和只有美国高通公司的60-70%。国内设计公司无法“喂饱”国内芯片制造厂(只占20%)和封装测试厂。缺乏核心专利和技术。35

7.中国IC行业发展现状与趋势芯片封装、测试业:封装最为成熟，国际大厂如Intel、AMD、ST、Micron、东芝等都在中国设立了封装厂。芯片测试设备也有国外公司（Agilent，Advantest）进入中国市场。36

7.中国IC行业发展现状与趋势我国政府从2000年起，相继发布了各种政策，鼓励和推动集成电路产业快速发展。目前是中国集成电路产业发展的最好机遇（黄金期）。

2000年出台国务院18号文件，鼓励集成电路产业发展；

2006年推出16个重大专项中的01（核高基）、02（极大规模集成电路制造装备及成套工艺）、03（新一代宽带无线移动通信网）专项，均与集成电路有关；2011年出台国务院新18号文件，进一步鼓励集成电路产业发展；2012年工信部发布了《集成电路产业十二五发展规划》；2013年国务院批准成立国家集成电路产业投资基金（大基金），其中一期为1387多亿元，主要面向集成电路制造；二期（2019年设立）为2041亿元，主要面向半导体材料、集成电路制造装备、集成电路设计；37

7.中国IC行业发展现状与趋势2014年国务院发布了“国家集成电路产业发展推进纲要”；2015年教育部支持全国26所高校建设或筹建“国家示范性微电子学院”，西工大是其中之一，以加快集成电路高端人才培养；2018年李克强政府工作报告中，将集成电路列为实体经济的第一位；2019年，教育部将集成电路定为战略性新兴产业发展和民生急需学科专业的第一位。（2018年和2019年分别发生美国制裁中兴和华为事件）2020年，“集成电路科学与工程”被国务院和教育部列为一级学科2020年，中央的“十四五规划建议”中，将人工智能、量子信息、集成电路列为优先发展的“三驾马车”。目前是中国集成电路发展的黄金期！38

8.集成电路设计分工及人才需求优秀的IC设计工程师应具备的设计经验：数字电路：自动综合（3年以上~）模拟电路：人工设计（5年以上~）射频电路：人工设计（10年以上~

）混合电路：人工设计（10年以上~

）版图设计：人工设计与自动综合（3年以上~）电路类型：数字电路→模拟电路→射频(混合信号)电路设计人才：较多→较少→稀缺数字电路设计模拟电路设计射频或混合信号集成电路设计据估计，到2023年，国内需要集成电路从业人员78万人，而目前仅有50余万人。39

8.集成电路设计分工及人才需求数字IC设计：需要扎实的数字电路基础和一定的模拟IC基础，较强的编程能力，要熟悉数字IC设计流程和各种EDA工具的使用，熟悉接口、协议、算法（优化）、体系结构等。模拟IC设计：需要非常扎实的模拟IC基础，对集成电路工艺非常了解。射频IC（RFIC）设计：需要掌握非常扎实的模拟IC基础以及高频电路理论知识，对集成电路工艺非常了解。与模拟电路IC设计非常类似，只是频率高，需要考虑阻抗匹配（分布参数）和低噪声等特性。混合IC设计：需具备数字IC、模拟IC甚至RFIC的设计能力，需要熟悉混合信号仿真（含行为级建模），考虑消除噪声隔离和电源分离等。版图设计：需要熟悉集成电路工艺、设计规则（编写工艺检查文件）、ESD保护、芯片电源规划/布局规划、芯片可靠性和良品率提高等。40

8.集成电路设计分工及人才需求工程师的眼光—快速而直觉地理解一个复杂电路的工作原理；数学家的智慧—量化电路中的各种主要物理效应，估算重要参数；艺术家的灵感—发明新的电路结构和体系结构。实践出真知—尽可能多亲自参与项目设计，积累设计和流片经验。思考和创新—借助EDA工具的电路仿真只能代替人脑计算（快速而准确地验证电路性能），但不能代替设计者思考（为了提高电路性能或满足设计要求，如何设计新的电路结构？如何调整元器件参数？）。

模拟电路设计工程师应具备的素质:“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”！41

8.集成电路设计分工及人才需求由于数字电路具有设计灵活、容差特性好等优点，目前的发展趋势是，各种电路和功能模块尽可能用数字电路实现（例如，数字辅助模拟设计），但是模拟电路永远也不能缺少，其原因为：现实世界的物理量和人类能够感知的信息（声音和图像）都是模拟量，因此需要模拟↔数字转换和接口电路；随着数字电路的工作频率不断提高（或者数字信号的上升/下降沿变陡），数字电路的设计也需要遵循模拟电路（甚至射频电路）的设计思想。模拟电路通常不需要利用最先进的工艺制造，具有成本优势，可与数字电路实现异质集成（利用3D/2.5D等微系统异质集成技术）。42

9.模拟-数字混合信号集成电路的制造工艺CMOS:功耗小，输入阻抗高，制造成本低，集成度高（摩尔定律），易于和数字电路集成在一起。但跨导较小，高频特性和噪声特性较差，驱动电流小（毫安级）。是目前数字集成电路和混合信号集成电路的主流工艺。Bipolar（BJT）:跨导（β值）大（电压增益高），具有优异的高频特性和动作速度以及低噪声优势，驱动电流大（安培级）。但集成度低，功耗较大。目前以互补双极工艺（ComplementaryBipolar，CB）为主，特别适用于高性能模拟集成电路（低噪声运放、LDO等）。BiCMOS:Bipolar-CMOS，有效的利用了BJT和CMOS各自的优点，特别适用于高性能模拟集成电路和电源电路，但制造成本高。一、硅基半导体（元素半导体）材料和器件43

9.模拟-数字混合信号集成电路的制造工艺BCD:Bipolar-CMOS-DMOS(Double-diffusedMOSFET)，双极—互补金属氧化物半导体—双重扩散金属氧化物半导体。它综合了双极器件高跨导、强负载驱动能力和CMOS集成度高、低功耗的优点。更为重要的是它集成了DMOS功率器件，由于DMOS导通电阻小、击穿电压高（耐压高），因而可以在开关模式下工作，功耗小。适应于电源和驱动电路（例如LED驱动）。但制造成本高。一、硅基半导体（元素半导体）材料和器件44

9.模拟-数字混合信号集成电路的制造工艺化合物半导体：区别于硅(Si)和锗(Ge)等传统的单质（元素）半导体材料，化合物半导体材料包括：砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)等。相对于第一代(Si/Ge)和第二代(GaAs/InP)半导体，第三代(GaN/SiC

/ZnO)半导体材料具有禁带宽度大、电子迁移率高、电子漂移饱和速度高、介电常数小等优点，非常适合于制作高速、高频、大功率、耐高温、耐高压和抗辐射的半导体器件，在微波和射频通信、电力电子、光电转换（半导体照明）、抗辐射集成电路等领域具有广泛用途。目前的主要问题是制造成本高。二、化合物半导体材料和器件45

9.模拟/数字/混合信号集成电路的制造工艺化合物半导体材料和器件功率半导体器件硅基器件：MOSFET，IGBT化合物半导体器件：SiC，GaN461.2

模拟集成电路的功能及应用领域第1章绪论47

1.电源管理电路、驱动电路ThesystemstructureofaportabledeviceThedigitalcircuitsswitchthevoltageleveluptosupplyvoltageanddowntothegroundwithhighnoiseimmunity,buttheanalogcircuitsarenoise-sensitive,sotheyhavedifferentrequirementsforpowersupply.48

1.电源管理电路、驱动电路

随着半导体加工工艺的微细化以及数模混合信号SoC芯片或电子系统的功能和规模不断扩大，要求电源管理电路更加数字化、智能化和高能效。在SoC芯片中，图中的芯片为单元模块电路。491.电源管理电路、驱动电路手机用单片集成TFT-LCDDriverIC中的电压需求关系。50

1.电源管理电路、驱动电路DC-DCConverter开关电容电荷泵(Charge-pump):升压/降压/反压—Onchippower开关稳压电源(Switchingregulator):升压/降压/反压—Onboardpower低压差线性稳压电源(LDO:LowDropoutlinearvoltageregulator):降压—Onchip/boardpower电源动态管理电路(瞬时关闭电源、低电压/负荷监测、电源软启动等)基准电压产生电路(Referencevoltagegenerator)能量采集和转换电路（太阳能/光能、机械能、热能、射频能）平板显示器驱动电路(LCD，OLED，LED等)机械部件的控制驱动电路(motor，磁盘，CD，DVD，Speaker等)发展趋势:On-chip实现，提高转换效率和功率密度，数字化（数字电源）。51DC-DC直流稳压电源的分类及应用场合LDR/LDO:LowdropoutregulatorSWR:SwitchingregulatorLDR/LDOpossesstheadvantagesoflownoiseandfastresponse,butsufferlowefficiencyoncethereislargedropoutvoltagebetweeninputandoutputvoltage.SWR,whichincludetheinductor-basedandcapacitor-based（电荷泵）converters,havehighconversionefficiencyoverawidevoltagerangeatthecostofoutputvoltageripple.Besides,theswitchingripplewillbecoupledorfedintothecircuitssoastoinfluencetheaccuracyandqualityofsignals.微弱环境能量采集自供电技术52应用于物联网的微弱环境能量采集自供电系统的结构532.3我们团队的最新研究成果AC压电能量采集自供电系统

微弱环境压电能量采集自供电系统利用压电材料将机械转换为电能：

压电材料：能量密度大，结构简单，大小和形状可任意改变机械能：形式多种多样：振动/冲击/旋转，连续/非连续微弱环境能量采集自供电技术54

2.模拟/数字接口电路声音、图像等自然界的物理信号（均为模拟量）处理接口—ADC（Analog-to-digitalconverter）、DAC（Digital-to-analogconverter）典型的信号处理系统框图

在数字领域进行信号处理比模拟领域更灵活和高效55

2.模拟/数字接口电路在数字领域进行信号处理的优点:数字信号对噪声不敏感容易实现各种复杂的算法处理，功能强大系统灵活性强（系统可编程、可重构）数字电路可进行自动设计和测试，设计和验证周期短（FPGA）随着制造工艺微细化，数字电路的工作电压减小、集成度和处理速度均提高（摩尔定律），面积和功耗相应减小。DAC电路的应用（人类只能感知模拟量）：语音信号处理系统：声音→A/D→DSP→D/A→声音液晶等图像显示驱动系统：数字图像信号→显示用驱动模拟信号其它（例如，步进电机的驱动信号）56

2.模拟/数字接口电路PCB上芯片之间的高速信号接口电路小振幅差动信号：RSDS/LVDS/PPDS接口等。接口电路主要由高速电压比较器构成。优点（由于信号摆幅减小）:

显著提高信号的传输速度显著减小功率损耗以及EMI噪声

RSDS:ReducedSwingDifferentialSignaling

LVDS:LowVoltageDifferentialSignaling

PPDS:PointtoPointDifferentialSignaling57

2.模拟/数字接口电路计算机与外围设备及多媒体的高速信号接口USB接口(UniversalSerialBus)Ver.1.1:LS:1.5Mbits/s,FS:12Mbits/sVer.2.0:HS:480Mbits/s（2000年）

Ver.3.0:SS(SuperSpeed):5.0

Gbits/s（2008年）IEEE1394(FireWire火线/Apple，i-Link/Sony，多媒体数据传送串行接口，3.2Gbits/s)

模拟/数字接口电路的发展趋势:

与数字IC混载、低功耗、高频高速化、高精度58

3.时钟信号产生电路电容充放电型振荡器：数百KHz~数MHz振荡频率，主要用于产生本地时钟工作信号。

•RingOscillator(环形振荡器)

•RC振荡器

•Windowcomparatoroscillator(窗口比较式振荡器)LC振荡器：主要用于RF电路，片上集成平面螺旋电感。

压控振荡器(VCO)：主要用于PLL以及RF电路PLL(Phase-LockedLoop)：锁相环，可产生~数GHz频率（输出信号频率高于输入信号频率），作为系统时钟信号(CPU/DSP/FPGA)，本振信号(RF混频器，调制/解调器)。DLL（Delay-LockedLoop）：延迟锁相环，输出与输入信号同一频率、但输出具有不同延时的多个时钟信号，用于TDC、ADC、高速采样电路等。发展趋势：高精度（低jitter）、高频化、全数字化、工艺微细化59

PLL的组成PhaseDetectorCharge-PumpLoopfilterVCODivider(N)基准信号(fr)反馈信号(fp)输出信号(f0=N×fr)UpDownLPFVcVoltageControlledOscillator（晶振：高精度）负反馈系统，具有稳定输出信号频率的功能。需要考虑系统的稳定性（相位裕度）。60

DLL的组成LPF

DLL中的负反馈使得通过延迟线路的总延迟等于一个输入信号周期。因为各延迟单元理论上是完全对称的，所以相当于一个输入信号周期被等分为N个等相位“包”，这里N表示延迟线路上延迟单元的数量。61

4.RF（射频）电路

频率范围:300MHz~数GHz，主要用于:移动通信—手机，平板电脑，移动电视，移动互联网等无线数据通信—Bluetooth(蓝牙)，Wi-Fi，无线LAN，GPS，汽车雷达，高速公路自动收费系统(ITS)，RFID，军事通信、卫星电视/导航等。光通信、光互连（云计算，大数据中心）—高速光接收器/发送器主要电路和器件:LowNoiseAMP(LNA：低噪声放大器)PowerAMP(PA：功率放大器)Mixer(混频器)调制/解调器，BPF，压控振荡器(VCO)，无源元件(平面螺旋电感，电阻，电容等)。

发展趋势:SiGe(锗硅)、GaAs(砷化镓)三极管工艺→RFCMOS工艺(高速，低成本，低功耗，与基带电路加工工艺兼容)（RF+基带）/模拟/CPU/GPU/电源管理/混载单片集成(混合信号SoC芯片)62应用于手机的RF电路/基带芯片/SoC芯片AGC:AutomaticGainControlAMP对应具体移动通信协议：例如，GSM、CDMA、WCDMA、LTE，等RF电路：RF信号的收发基带芯片=RF电路+基带电路SoC63

光接收器电路TheopticalreceiverICwithachannelspeedof25Gb/s,comprisesatwo-stagefront-end(TSFE),cascadingatransimpedanceamplifier(TIA)andanequalizer,followedbyafive-stagelimitingamplifier(LA)andabuffer.在大数据和云计算中心，需要大量光纤实现数据通信。64

5.放大器和有源滤波电路放大器:

高性能前置放大器（用于各种微弱信号检测或读出电路），放大微弱信号到足够电平供后续电路处理（例如用于探测器、光接收器、RF电路等）。有源滤波电路:抑制信号频带外的成份或噪声小于100KHzRCfilter：OPAMP+R/C，RC有源滤波器SCfilter：OPAMP+MOS管+C，Switched-Capacitorfilter(SCF)，开关电容滤波器大于100KHzGm-Cfilter：OTA-Capacitorfilter，OTA:OperationalTransconductanceAMPMHz~射频范围:

声表面波滤波器（SAWfilter:SurfaceAcousticWavefilter）

65

探测器/传感器前端微弱信号读出电路(Front-endreadoutelectronicsfordetector/sensor）CSA:ChargeSenseAmp

Preamp+Shaper结构实现低噪声读出66

探测器前端微弱信号读出电路(Front-endreadoutchipforbiomedicalimagingsystem）发展趋势：全数字化前端读出，采用高速ADC采样和记录探测器的输出电压波形，然后通过曲线拟合技术，求出输出信号波形的峰值以及其它信息（上升/下降沿的速率）。67

6.光电成像及传感器电路CMOSImageSensor（CIS）已经取代CCD，应用于手机、数码相机及数码摄像机等。其发展趋势是用CMOS工艺实现同时具有图像处理功能的成像单元电路，3-D成像（人脸识别）。另外，也可用于从可见光到红外以及X-/γ-射线等高能粒子检测和成像。加速度、压力、温度、生物等传感器（物联网/车联网/体域网）具有微型化、集成化、多功能、智能化等特点。加速度传感器：等效电容变化（可变电容器）压力传感器：压阻效应（压敏电阻）温度传感器：电阻率随温度变化效应电容触摸屏：寄生电容变化微机电系统（MEMS:MicroElectro-MechanicalSystems）微传感器、微执行器以及微电子器件和电路的集成。68

应用于物联网的智能传感器智能传感器作为物联网的核心元器件智能传感器、无线网路和云计算构成物联网的三大核心技术。物联网的5个关键环节：数据采集、计量、智能理解（边缘计算）、数据传输和云端分析。其中前三个环节在物联网节点内完成，尤其是数据的智能理解和处理放在本地可以实现实时处理，从被动响应变成主动响应。而把全部数据传输到云端去分析，既消耗了网络带宽又会产生延时，同时传送很多数据也导致大量功耗。69用于手机的电容触摸屏触控芯片菱形（Diamond）触控传感器

无触摸位置的电场结构有触摸位置的电场结构电容触摸屏的结构及应用系统70用于手机的电容触摸屏触控芯片Circuitandlayoutdesignofone-chiptouchsensorcontrollerIC智能触控芯片（内含MCU，flashmemory）Flashmemory71

7.半导体存储器电路只读存储器（Read-Only-Memory，ROM）：EEPROM，Flashmemory(floatinggateCMOS)。主要用于各种移动存储器，例如:PCcard,Smartmedia,multimediacard,MemoryStick(Sony)等。随机存储器（Random-Access-Memory，RAM）SRAM（静态随机存储器，不需刷新）DRAM（动态随机存储器，需刷新）发展趋势:大容量、高密度（CMOS工艺微细化，3-D集成，采用多值化技术）低功耗（低电压驱动）高速化新型随机存储器：阻变存储器（RRAM），相变存储器（PCM），铁电存储器（FRAM），磁存储器（MRAM）等。72

7.半导体存储器电路73Theapplicationsofanalogandmixed-signalVLSIinsystem模拟电路：信号链和电源链74

CMOS模拟与数字集成电路的比较

芯片特性

模拟集成电路

数字集成电路可重复性（再现性）差（特性随温度、工艺及电源电压等变化）好（容差特性好,High：>0.7VDD,Low：<0.3VDD）电路规模（CMOS元器件数，或占用芯片面积）小大（对于实现同一功能，数字电路比模拟电路用更多的CMOS器件）工作频率范围DC~数百MHz~数GHz配线的寄生效应限制了高频应用（高频时应考虑配线的分布参数的影响）输出或消耗功率小~大（例如电机的高速驱动）小（只有动态充放电电流，静态时几乎不消耗电流）产品开发周期长（可重用标准模块电路少，绝大部分为人工设计）短（标准单元库，IP核，参数调整容易，功能追加或修改简单）抗干扰能力弱（电压或电流幅度信息，受寄生效应、衬底噪声、串扰信号等的影响）强（可通过波形整形电路恢复原波形）751.3

模拟集成电路的设计流程第1章绪论76

芯片设计、加工、测试、封装流程CP:ChipProbing，中测ICDesignFullmask(工程批)Shuttle(MPW)电路设计版图设计数字电路ICPackageICfinaltest最终用户WaferproductionICwafertest(CP)Interface模拟电路ICproduction,testandpackageSystemdesignRTLdesignLogicsynthesisLayoutdesignMaskproduction77

CMOS器件制造中需要的掩膜版（MASK）MASK是用石英玻璃（纯SiO2）制成的均匀平坦的薄片，表面上淀积一层很薄的金属铬（Cr）使表面光洁度更高（又称铬板）。MASK的图形大小是硅片上实际图形大小的5倍，在生产过程中，光刻机可以通过一个5:1的缩小镜头将MASK上的图形投射到硅片上。芯片制造中所需MASK张数与版图设计中的层数基本对应，CMOS工艺通常需要20~30张MASK，每张MASK的制造费用约2000~3000美元（工艺越微细，MASK的层数越多、价格越高）。芯片研发期间，为了节省流片费用（MASK占主要部分），通常采用MPW方式。只有当芯片产品定型后，采用工程批流片。芯片设计、加工、测试、封装流程78

CMOS器件制造中的光刻原理芯片设计、加工、测试、封装流程

光刻技术是利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将集成电路的版图设计图案投影到晶圆（Wafer）上。首先在晶圆上涂上一层耐腐蚀的光刻胶，随后让强光通过一块刻有版图图案的镂空掩模（Mask）照射在晶圆上。被照射到的部分光刻胶会发生变质。然后用腐蚀性液体清洗硅片，变质的光刻胶被除去，露出下面的晶圆，而未被照射的光刻胶下面部分不会受到影响。随后，进行粒子沉积、掩膜、刻线等操作（利用不同的Mask），直到最后完成晶圆的加工。79模拟集成电路的设计流程CMOS工艺确定(芯片代加工厂)标准模块数据库设计技术指标确定电路图设计(Composer/Cadence)

电路特性验证

(Hspice/Spectre)(input.sp,netlist,model)满足设计技术指标？电路修正NOYESSpicenetlistCMOS元器件模型model80版图设计(Virtuoso/Cadence)版图验证(DRC/LVS)(Dracula/Calibre)OK?版图修正布线的寄生负荷(R,C)抽出(LPE:Star-RC)NOYESDesignRule81电路特性后仿真(考虑布线的寄生效应)(Hspice/Hsim/Nanosim/UltraSim)特性满足设计技术指标？Tape-out(GDSII)芯片加工，封装测试评价(芯片代加工厂)YESNO电路修正821.4SPICE仿真简介第1章绪论83RSDS接口电路（电压比较器）模拟集成电路设计实例84Hspice仿真需要的文件Netlist:描述电路的拓扑结构和元器件尺寸参数Model:由制造工艺所决定的元器件特性模型，其精度决定了仿真特性与芯片实际特性的差别输入文件(×××.sp):仿真条件：电源电压，输入激励，温度，仿真工具Option选择，model选择等仿真内容：DC，AC，Transient，噪声等输出和测量内容：电压，电流，动态特性等85Netlist(exportfileofcomposer)*.SUBCKTCOMVINPVINNVDBIASVDD1VDRSVSSVOUTMP1V3V3VDRSVDRSPCHL=200E-9W=1E-6M=6.0MP2V2V2VDRSVDRSPCHL=500E-9W=2E-6M=8.0MP3V4V2VDRSVDRSPCHL=500E-9W=4E-9M=7.0MP5V6V5VDRSVDRSPCHL=650E-9W=5E-7M=5.0MP6V7V6VDRSVDRSPCHL=750E-9W=5E-5M=4.0MP8V9NET38VDD1VDD1PCHL=650E-9W=3E-5M=1.0MP9NET38V9VDD1VDD1PCHL=750E-9W=3E-4M=1.0MPANET0248V9VDD1VDD1PCHL=350E-9W=5E-6M=6.0MN2V2VINPV1VSSNCHL=400E-9W=5E-6M=4.0MN00VSSVDBIASVSSVSSNCHL=800E-9W=16E-6M=8.0MN3V4V4VSSVSSNCHL=1E-6W=1.5E-6M=1.0MN5V6V5VSSVSSNCHL=350E-9W=1.5E-4M=1.0MN6V7V6VSSVSSNCHL=350E-9W=1.5E-5M=2.0MN7V8V7VSSVSSNCHL=350E-9W=1.5E-3M=1.0MN8V9V8VSSVSSNCHL=350E-9W=3E-7M=2.0MNANET0248V9VSSVSSNCHL=350E-9W=3E-8M=1.0MN1V3VINNV1VSSNCHL=400E-9W=5E-3M=4.0MN0V1VDBIASVSSVSSNCHL=800E-9W=16E-6M=4.0*.ENDSCOM86

ModelforHspiceSimulationBSIM1~4（2020年推出的最新版本BSIM4.8.2，该模型中大约包含350个参数）

BSIM(BerkeleyShort-channelIGFETModel

)

IGFET:

Insulated-GateFieldEffectTransistorBSIM模型中的参数数目不断增多NumberofparametersYear87

ModelforHspiceSimulationCornermodels:TT,SS,FF,SF,FS（工艺误差）Binmodels:

不同的W/L尺寸范围→不同的模型参数

→最大限度地提高仿真模型的精度

例：lib'/eport/home/analog/model/mm0355v_mv.l'TTlib'/eport/home/analog/model/mm0355v_mv.l'SSlib'/eport/home/analog/model/mm0355v_mv.l'FF88

CMOS模拟集成电路中使用的元器件NMOS/PMOS（不同电压等级，例：1.8V/5V/±16V）Bipolar(P+/NW/PSUB,N+/PW/NSUB,verticalbipolartransistor)Diode(P+/NW,N+/PW&NW/PSUB)Capacitor(twolayersofpolysilicon,CMOSgatecapacitor,MIMcapacitor)Resistor(Polysilicon,welltransistor,diffusedorion-implantedregions)89Hspice仿真时的输入文件(comp.sp)*COMPARATORInput/OutputSIM*------------------------------------------.protect.lib'/eport/home/analog/model/mm0355v_mv.l'TT*.lib'/export/home/analog/model/mm0355v_mv.l'SS*.lib'/export/home/analog/model/mm0355v_mv.l'FF.lib'/export/home/analog/model/mm0355v_mv.l'BIP.unprotect*-------------------------------------------------*Netlist.include'/export/home/analog/simulation/COM/hspiceS/schematic/netlist/'*---------------------------------------------------*.paramvdd1_val=4.2V*best.paramvdd1_val=3.0V*typical*.paramvdd1_val=2.1V*worst.paramvdd2='vdd1_val/2.0'*----------------------------------------------