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第1章 绪论 1

1.1 模拟CMOS电路设计中折中与优化的重要性 1

1.2 本书适用范围：业界设计者和大学生 2

1.3 本书的组织和概述 2

1.4 本书的全部或选择性阅读 5

1.5 工艺实例和技术扩展 5

1.6 方法的局限性 6

1.7 郑重声明 6

第一部分 MOS器件性能，模拟CMOS设计中的折中与优化 10

第2章 从弱到强反型层的MOS器件设计 10

2.1 引言 10

2.2 与双极型晶体管相比MOS设计的复杂性 10

2.3 双极型晶体管的集电极电流和跨导 10

2.4 MOS器件的漏极电流和跨导 11

2.4.1 弱反型层 11

2.4.2 强反型层无速度饱和效应 13

2.4.3 强反型层考虑速度饱和效应 14

2.4.4 在中等反型层和全工作区域 16

2.5 MOS器件的漏－源电导 20

2.6 模拟CMOS电子设计自动化工具和设计方法 22

2.6.1 电子设计自动化工具 22

2.6.2 设计方法 25

2.6.3 本书提出的设计方法的早先应用 26

参考文献 26

第3章 MOS性能与漏极电流，反型系数和沟道长度的关系 30

3.1 引言 30

3.2 在模拟CMOS设计中选择漏极电流，反型系数和沟道长度的优势 31

3.2.1 漏极电流，反型系数和沟道长度的分别优化 31

3.2.2 中等反型层设计 32

3.2.3 包含速度饱和效应的设计 32

3.2.4 与工艺无关的设计 32

3.2.5 性能和趋势的简单预测 32

3.2.6 最小迭代计算机仿真——“PreSPICE”指南 33

3.2.7 观察性能折中——MOS场效应管工作面 33

3.2.8 采用计算机仿真MOS模型的交叉检查 35

3.3 实例工艺的参数 36

3.3.1 复合工艺参数的计算 36

3.3.2 直流，小信号和本征栅电容参数 37

3.3.3 闪烁噪声和局部面积直流失配参数 39

3.3.4 栅交叠电容和漏－体电容参数 40

3.3.5 温度参数 42

3.4 衬底系数和反型系数 42

3.4.1 衬底系数 42

3.4.2 反型系数 45

3.5 温度效应 49

3.5.1 带隙能级，热电压和衬底系数 50

3.5.2 迁移率，跨导系数和工艺电流 52

3.5.3 反型系数 53

3.5.4 阈值电压 53

3.5.5 设计考虑 54

3.6 尺寸关系 55

3.6.1 形状系数 55

3.6.2 沟道宽度 57

3.6.3 栅面积和硅成本 58

3.7 漏极电流和偏置电压 60

3.7.1 漏极电流 61

3.7.2 有效栅－源电压 71

3.7.3 漏－源饱和电压 79

3.8 小信号参数和本征电压增益 87

3.8.1 小信号模型及其应用 87

3.8.2 跨导 91

3.8.3 体效应跨导及其与衬底系数的关系 107

3.8.4 漏极电导 115

3.8.5 本征电压增益 145

3.9 电容和带宽 151

3.9.1 栅－氧电容 151

3.9.2 本征栅电容 152

3.9.3 非本征栅交叠电容 155

3.9.4 漏－体和源－体结电容 157

3.9.5 本征漏－体和源－体电容 160

3.9.6 本征带宽 160

3.9.7 非本征和二极管连接的带宽 165

3.10 噪声 168

3.10.1 欧姆区的热噪声 168

3.10.2 饱和区的热噪声 170

3.10.3 闪烁噪声 179

3.10.4 栅极，衬底和源极电阻的热噪声 203

3.10.5 沟道雪崩噪声 205

3.10.6 感应栅极噪声电流 205

3.10.7 栅极泄漏噪声电流 207

3.11 失配 209

3.11.1 局部面积直流失配 209

3.11.2 距离直流失配 227

3.11.3 直流失配对电路性能的影响 232

3.11.4 小信号参数和电容失配 237

3.12 泄漏电流 240

3.12.1 栅泄漏电流和电导 240

3.12.2 栅泄漏电流对电路性能的影响 245

3.12.3 漏－体和源－体泄漏电流 249

3.12.4 亚阈区漏极泄漏电流 252

参考文献 253

第4章 MOS性能折中、差分对和电流镜的设计 266

4.1 引言 266

4.2 性能趋势 267

4.2.1 漏极电流、反型系数和沟道长度的单独研究 267

4.2.2 反型系数增加时的趋势 267

4.2.3 沟道长度增加时的趋势 270

4.2.4 漏电流增长时的趋势 272

4.3 性能折中 273

4.3.1 概述——M0SFET工作面 273

4.3.2 反型层和级别——反型系数作为数轴 274

4.3.3 对所有器件通用的折中 276

4.3.4 差分对器件的折中 287

4.3.5 专门针对电流镜器件的折中 295

4.3.6 优值的折中 303

4.4 用模拟CMOS设计、折中与优化电子数据表设计差分对和电流镜 311

4.4.1 选择反型系数 313

4.4.2 选择沟道长度 318

4.4.3 选择漏极电流 323

4.4.4 直流，平衡和交流性能的优化 328

4.4.5 器件优化的步骤小结 336

参考文献 337

第二部分 模拟CMOS设计优化的电路设计实例 340

第5章 CMOS运算跨导放大器的直流、平衡和交流性能的优化设计 340

5.1 引言 340

5.2 电路描述 341

5.2.1 简单OTA 341

5.2.2 共源共栅OTA 342

5.3 电路分析和性能优化 344

5.3.1 跨导 345

5.3.2 输出电阻 347

5.3.3 电压增益 349

5.3.4 频率响应 350

5.3.5 热噪声 354

5.3.6 闪烁噪声 357

5.3.7 局部面积失配引起的失调电压 363

5.3.8 简单OTA的系统失调电压 370

5.3.9 输入和输出电容 372

5.3.10 摆率 375

5.3.11 输入输出电压范围 375

5.3.12 输入1 dB压缩电压 380

5.3.13 小尺寸效应的控制 381

5.4 简单OTA的设计优化及性能结果 382

5.4.1 MOSFET的反型系数和沟道长度的选取 382

5.4.2 预估和测试的性能 387

5.4.3 其他优化：确保输入器件主导热噪声 401

5.5 共源共栅OTA的设计优化和性能结果 402

5.5.1 MOSFET反型系数和沟道长度的选择 402

5.5.2 预估和测量的性能 407

5.5.3 其他优化：确保输入器件主导闪烁噪声和局部面积失配 424

5.5.4 其他优化：互补设计 425

5.6 设计指导和优化的预估精度 426

参考文献 427

第6章 低热噪声和闪烁噪声的微功耗CMOS前置放大器的优化设计 428

6.1 引言 428

6.2 横向双极型晶体管在低闪烁噪声中的应用 429

6.3 前置放大器的噪声性能测量 429

6.3.1 热噪声有效系数 429

6.3.2 闪烁噪声面积有效系数 433

6.4 已报道的微功耗，低噪声CMOS前置放大器 433

6.5 MOS噪声与偏置依从电压 436

6.5.1 饱和区跨导 436

6.5.2 深欧姆区的漏－源电阻和跨导 438

6.5.3 栅极噪声电压 441

6.5.4 漏极噪声电流 443

6.5.5 带电阻源退化的漏极噪声电流 444

6.6 MOS闪烁噪声参数的提取 451

6.6.1 前置放大器的输入器件 452

6.6.2 前置放大器的非输入器件 453

6.6.3 闪烁噪声的比较 454

6.7 差分输入前置放大器 454

6.7.1 概述 455

6.7.2 电路分析，性能优化和预估的性能 456

6.7.3 预估和测量性能小结 466

6.7.4 设计改进 474

6.8 单端输入前置放大器 475

6.8.1 概述 476

6.8.2 电路分析，性能优化及预估的性能 477

6.8.3 预估和测量性能小结 484

6.8.4 设计改进 490

6.9 设计指导和优化时预估的准确性 491

6.10 低噪声设计方法小结及相应的低电压工艺的挑战 493

参考文献 494

第7章 小尺寸CMOS工艺和未来工艺的扩展优化方法 497

7.1 引言 497

7.2 用反型系数实现CMOS工艺的无关性并扩展至更小尺寸工艺中 497

7.2.1 适用于各种CMOS工艺的gm/ID，VEFF和VDS,sat特性 497

7.2.2 CMOS工艺的其他共有特性 498

7.2.3 CMOS工艺之间的设计移植 498

7.2.4 设计方法扩展到更小尺寸工艺 501

7.3 考虑栅极泄漏电流影响的增强优化方法 502

7.4 在非CMOS工艺中采用反型系数度量 502

参考文献 503

附录A 模拟CMOS设计、折中和优化电子数据表 505

中英文术语对照 520