Ch. 1 # 1 第一章模拟电路设计绪论 授课教师 : 鲁文高 Email: wglu@ime.pku.edu.cn 2007 年 3 月 3 日
Ch. 1 # 2 评分标准 作业 : 40 % 希望能够认真做 期末 : 60 % 与作业题相关
Ch. 1 # 3 教材 教材 模拟 CMOS 集成电路设计, 陈贵灿等译, 西安交通大学出版社, 2003 年 Design of Analog CMOS Integrated Circuits, Behzad Razavi 著, 清华大学出版社 ( 影印版 ), 2005 年 为什么选它做教材? 只讲 CMOS 反映了最新 10 年的技术进展状况 国外名校采用率高
参考书 Analysis and Design of Analog Integrated C ircuits ( Fourth Edition ), Paul R.Gray 等, 高教出版社 ( 影印版 ), 2003 CMOS Analog Circuits Design ( Second Edition ), Philip E.Allen 等, 电子工业出版社 ( 影印版 ), 2002 CMOS 电路设计 布局和仿真 ( 中译本 ), 陈中建主译, 机械工业出版社, 200 5 Ch. 1 # 4
本讲内容 模拟电路的重要性 数字电路 VS 模拟电路 模拟集成电路的重要性 分立电路 VS 集成电路 CMOS 模拟集成电路的重要性 CMOS VS 其它工艺 电路设计的一般概念 抽象级别 健壮性 ( 鲁棒 ) 设计 符号约定 Ch. 1 # 5
模拟电路的重要性 现代电路系统中 许多类型的信号处理转移到数字领域 很多应用中模拟电路不可替代 自然界信号处理 ( ADC ) 数字通讯 磁盘驱动电路 无线接收器 ( RF ) 光接收器 传感器 微处理器和存储器 Ch. 1 # 6
自然界信号 : 声音 光 震动 测器输出 前置放大器 滤波器 Ch. 1 # 7
Ch. 1 # 8 数字通讯 ( 1 ) 要求 : 高速 长距离传输 问题 : 信号衰减 失真
Ch. 1 # 9 数字通讯 ( 2 ) 解决方案 : 多电平传输 降低了发送和接收电路的带宽要求 发送端 DAC, 接收端 ADC
Ch. 1 # 10 磁盘驱动电路 磁盘数据 : 通过磁头转成电信号 进一步处理 : 放大 滤波 数字化 挑战 : 高速 ( 500Mb/s ) 幅度仅几 mv ; 有较大噪声和失真
Ch. 1 # 11 无线接收器 RF 接收器天线上的信号 : 幅度 : 仅几 V, 有很大干扰信号 中心频率 : 1GHz 以上 干扰信号 期望信号
Ch. 1 # 12 光接收器 电缆 : 带宽有限 光纤 : 发射端 : 激光二极管 ( 电流 to 光 ) 接收端 : 光电二极管 ( 光 to 电流 )
Ch. 1 # 13 传感器 ( 1 ) 传感对象 力 ( 加速度计 陀螺仪 ) 热 ( 电子温度计 ) 声 ( 麦克风 超声系统 ) 光 ( 数码相机 ) 磁 ( 磁头 ) 高能粒子 ( 安检 X 光机 ) 等
传感器 ( 2 ) 加速度计探测器信号处理电路 ( a ) 检测该电容绝对值的变化量 高精度信号检出电路很难设计 ( b ) 检测两个电容的差值降低信号检出电路的设计难度 Ch. 1 # 14
微处理器与存储器 典型的数字电路 时钟分布 时序安排 : 类似 模拟 波形 PLL ESD 等模拟集成电路单元必不可少 高速数字电路设计实际是模拟电路设计 Ch. 1 # 15
Ch. 1 # 16 模拟电路设计面临的挑战 关注指标多 脆弱, 易被干扰 受器件 工艺参数影响大 设计自动化程度低 建模和仿真难度大 大部分加工工艺针对数字电路优化 数模混合电路中数字信号的干扰
本讲内容 模拟电路的重要性 数字电路 VS 模拟电路 模拟集成电路的重要性 分立电路 VS 集成电路 CMOS 模拟集成电路的重要性 CMOS VS 其它工艺 电路设计的一般概念 抽象级别 健壮性 ( 鲁棒 ) 设计 符号约定 Ch. 1 # 17
模拟电路走向集成电路的必然性 模拟电路的实现方式 PCB 集成电路 模拟集成电路的优点 高集成度 高速度 高精度 低功耗 大批量时成本低 Ch. 1 # 18
本讲内容 模拟电路的重要性 数字电路 VS 模拟电路 模拟集成电路的重要性 分立电路 VS 集成电路 CMOS 模拟集成电路的重要性 CMOS VS 其它工艺 电路设计的一般概念 抽象级别 健壮性 ( 鲁棒 ) 设计 符号约定 Ch. 1 # 19
模拟集成电路的实现方法 基于 Si 材料 双极工艺 核心元件为 NPN PNP 晶体管 MOS 工艺 核心元件为 NMOS PMOS 晶体管 体硅工艺 SOI 工艺等 基于其他材料 GaAs ( 极高迁移率, 超高速 ) 锗等 Ch. 1 # 20
CMOS 技术的发展 MOSFET : 金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管 1930 年发明, 早于双极型晶体管 上世纪 60 年代初, 实用化 : N 型 MOSFET CMOS 技术 发明于上世纪 60 年代中期 特点 : 低功耗 高集成度 制造成本低 首先用于数字集成电路 紧接着 CMOS 技术应用于模拟电路设计 Ch. 1 # 21
Ch. 1 # 22 使用 CMOS 技术实现模拟集成电路的优点 输入阻抗大 加工成本低 低功耗, 易实现数模混合信号电路 高速 ( 器件尺寸不断缩小 ) 设计自由度大
本讲内容 模拟电路的重要性 数字电路 VS 模拟电路 模拟集成电路的重要性 分立电路 VS 集成电路 CMOS 模拟集成电路的重要性 CMOS VS 其它工艺 电路设计的一般概念 抽象级别 健壮性 ( 鲁棒 ) 设计 符号约定 Ch. 1 # 23
Ch. 1 # 24 抽象级别 ( 1 ) 抽象 从不同高度 ( 角度 ) 观察 同一个事物 为什么要抽象? 我们关心的对象或感兴趣的程度是变化的 把复杂度控制在一定范围内 抽象级别 器件级 晶体管级 ( 电路级 ) 结构级 系统级 模拟 IC 设计师应能在不同抽象级间自由切换
抽象级别 ( 2 ) Ch. 1 # 25
本讲内容 模拟电路的重要性 数字电路 VS 模拟电路 模拟集成电路的重要性 分立电路 VS 集成电路 CMOS 模拟集成电路的重要性 CMOS VS 其它工艺 电路设计的一般概念 抽象级别 健壮性 ( 鲁棒 ) 设计 符号约定 Ch. 1 # 26
Ch. 1 # 27 健壮性 ( 鲁棒 ) 设计 电路性能会随工艺 ( Process ) 电源电压 ( Voltage ) 温度 ( Temperature ) 变化而改变 PVT 健壮性设计对 PVT 变化敏感度低
本讲内容 模拟电路的重要性 数字电路 VS 模拟电路 模拟集成电路的重要性 分立电路 VS 集成电路 CMOS 模拟集成电路的重要性 CMOS VS 其它工艺 电路设计的一般概念 抽象级别 健壮性 ( 鲁棒 ) 设计 符号约定 Ch. 1 # 28
Ch. 1 # 29 符号 信号 直流偏置信号 交流小信号 总信号 = 直流偏置 + 交流小信号 教材上 一般用大写字母表示信号量 根据上下文很容易判断出它属于哪一类信号