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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OTA341

5.2.2 共源共栅OTA342

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