CMOS 模拟集成电路
设计与仿真
½广孝 编
华北电力大学
二○○七年九月
前
言
随着信息技术及其产业的迅速发展，½今社会进入到了一个崭新的信息化时代，微电
子技术正是信息技术的核心技术。自从 TI 公司的科学家基尔比(Clair Kilby) 在 1958 年
发明了第一块集成电路以来，集成电路技术已经逐渐成为整个信息社会必不可少的支柱。
1956
年北京大学、南京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学等五校在北大联合创建
半导½专业，为我½培养第一批半导½人才，经过几代人的默默耕耘、韬光养晦，终于在
自主创新之路上有所成就。目前，½内整个集成电路产业链逐渐完善，½是设计½力仍然
相对滞后，希望本讲义的编写½为我校集成电路设计方向学科的建设、集成电路设计人才
的培养½绵薄之力。
内容概要
本书所涉及的实践内容，旨在培养学生对相关课程中所学到的有关知识和技½的综合
运用½力以及集成电路设计½件工具的½用，
掌握微电子技术人员所需的基本理论和技½，
为学生进一步学习后续有关专业课程和日后从事集成电路设计工½打下基础。
基本微电子电路设计与仿真部分：首先简单介绍了电路仿真工具
HSPICE
的½用，通
过典型的微电子电路的分析和设计，并用
HSPICE
½件完成了电路的仿真，目的是让学生
掌握集成电路性½与电路结构和器件尺寸之间的关系，½够正确分析和设计电路，并学会
电路仿真½件（Hspice）的基本½用。
电路的频率响应和稳定性部分：介绍了电路频率响应的零极点分析方法，并对基本的
子电路完成了频率响应分析，最后深入细致的讨论了反馈放大器的频率响应和稳定性。
运算放大器设计部分：首先对运算放大器基本参数进行了分析阐述，并对基本的两级
运算放大器和折叠共源共栅运算放大器的分析和设计方法进行了讨论，并用简单的模型参
数完成了给定指标电路的手动计算设计，并用
HSPICE
进行了仿真验证。最后，针对具½
的工程应用，讲述了一个带缓冲级的运算放大器的设计方法。
版图部分：掌握集成电路版图设计规则的含义以及消除或减小寄生效应的措½，½够
正确设计集成电路版图，学会版图½入和版图设计规则检查（DRC）½件的½用；学会电
路与版图一致性检查（LVS）
、版图参数提取（LPE）及版图后仿真½件的½用。
适用范围
本书涉及各种 CMOS 集成电路的分析和设计，并用高精度的电路仿真工具 HSPICE 完成
了仿真，具有较强的工程参考价值。本书可½为《集成电路设计基础》、《CMOS 模拟集成
电路设计》、《微电子电路与仿真》课程的参考书和培训实验手册。
致谢
½者要首先感谢电气与电子工程学院领导，给了我到东南大学射频与光电集成电路研
究所访问学习的机会，感受了射光所文化的熏陶，让我始终执着于集成电路设计的殿堂。
同时感谢电子系和电子学教研室领导的呵护，½然还要感谢我深爱的妻子，是她无私的爱
激励了我对工½的½求！
谨以此书献给所有关心我的人和我的所有学生，
祝½们健康快乐！
½广孝
2007 年 8 月于河北保定
主要参考书：
1．集成电路设计[M]，王志功 朱恩 陈莹梅 编著，电子工业出版社，2006.11。
2．集成电路设计技术与工具[M]，王志功 景为平 孙玲 编著，东南大学出版社，2007.7。
3．CMOS 模拟电路设计（第二版）[M]，[美] Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg
著，冯军 李智群译，王志功审校，电子工业出版社，2005。
其它参考书：
4．模拟集成电路设计[M]，[加]David A.Johns Ken Martin 著，曾朝阳等译.机械工
业出版社，2005。
5．CMOS 电路设计、布局与仿真[M]，[美]R.Jacob Baker Harry W.Li David E.Boyce
著，陈中建主译.机械工业出版社，2006。
6．模拟 CMOS 集成电路设计[M]，[美]毕查德.拉扎维 著，陈贵灿 程军 张瑞智 等译，
西安交通大学出版社，2003。
7．模拟集成电路的分析与设计[M]，[美]Paul R. Gray， Paul J. Hurst，Stephen H.
Lewis，Robert G. Meyer 著，张晓林等译，高等教育出版社，2005。
8．模拟电路版图的艺术（第二版）（英文版）[M]，[美]Alan Hastings 著，电子工
业出版社，2006.8。
9．半导½器件基础[M]，[美]Robert F. Pierret 著,黄如 等译，韩汝琦审校，电子
工业出版社,2007.8。
10．Zeni User Guide，huada, China。
11．Synopsys，HSPICE
TM
Simulation and Analysis User Guide。
目
½
第一部分 基本微电子电路设计与仿真.......................................................................................
1
第
1
章
HSPICE仿真环境简介 ............................................................................................. 1
1.1 HSPICE基础知识 ..................................................................................................... 1
1.2
输入½表文件
.......................................................................................................... 1
1.3
电路元器件及模型描述
.......................................................................................... 2
1.4
电路的分析类型描述语句
...................................................................................... 4
1.5
输出格式描述语句
.................................................................................................. 5
1.6
控制语句和option语句............................................................................................
6
1.7
仿真控制和收敛
...................................................................................................... 7
1.8
输入语句
.................................................................................................................. 8
1.9
统计分析仿真
.......................................................................................................... 8
1.10 HSPICE仿真示例 ................................................................................................... 9
1.11 SPICE做电路仿真时容易出现的错误 ................................................................ 13
第
2
章
CMOS工艺SPICE模型测试................................................................................... 15
1.1 SPICE模型简介 ...................................................................................................... 15
2.2 CMOS工艺MOS管模型参数 ................................................................................. 21
2.3
用HSPICE仿真MOS输出特性
............................................................................. 22
2.4
练习
........................................................................................................................ 23
第
3
章 恒流源电路分析与设计.........................................................................................
25
3.1
恒流源电路
............................................................................................................ 25
3.2
高输出阻抗的恒流源电路
.................................................................................... 26
3.3 HSPICE仿真分析基本恒流源电路 ....................................................................... 28
3.4 HSPICE仿真分析高输出阻抗恒流源电路（MOS管参数同上） ...................... 29
3.5
基本恒流源电路的敏感度分析............................................................................
29
3.6
基本恒流源电路的温度特性
................................................................................ 29
3.7
其它类型的电流源/沉...........................................................................................
30
第
4
章 共源放大电路分析与设计.....................................................................................
31
4.1
有源负½½共源放大器
............................................................................................ 31
4.2
电流源负½½共源放大器
........................................................................................ 32
4.3
推½共源放大器
.................................................................................................... 33
4.4 HSPICE仿真分析电流源负½½共源放大电路 ....................................................... 34
第
5
章 共源共栅放大电路分析与设计.............................................................................
37
5.1
共源共栅放大器原理及分析
................................................................................ 37
5.2
共源共栅放大器的设计流程
................................................................................ 39
5.3
设计实例及HSPICE仿真分析
.............................................................................. 40
第
6
章 源级跟随电路分析与设计.....................................................................................
43
6.1
源极跟随缓冲级
.................................................................................................... 43
6.2
小信号分析
............................................................................................................ 45
6.3 HSPICE仿真实例 ................................................................................................... 47
第
7
章 电流镜负½½差分放大电路分析与设计.................................................................
49
7.1
基本结构及分析
.................................................................................................... 49
7.2
电流镜负½½的CMOS差分放大器设计
................................................................ 51
7.3
设计实例和HSPICE仿真
...................................................................................... 54
第二部分 电路的频率响应和稳定性.......................................................................................
57
第
8
章 电路零极点分析方法.............................................................................................
57
8.1
单极点传输½数——RC½通电路.......................................................................
57
8.2
单极点单零点系统——CR高通电路
.................................................................. 58
8.3
两阶RC系统...........................................................................................................
59
第
9
章 基本微电子电路频率响应分析.............................................................................
62
9.1
考虑电容的MOS管小信号模型
........................................................................... 62
9.2
共源放大器
............................................................................................................ 69
9.3
源极跟随器放大器
................................................................................................ 73
9.4
共栅放大器
............................................................................................................ 83
9.5
高输出阻抗镜像电路
............................................................................................ 83
9.6
共源共栅增益级
.................................................................................................... 83
第
10
章 反馈放大器的频率响应和稳定性.......................................................................
91
10.1
反馈放大器的稳定
............................................................................................... 91
10.2
两级电流源负½½共源放大器及其补偿............................................................
100
第三部分 运算放大器设计.......................................................................................................
107
第
11
章
CMOS运算放大器简介...................................................................................... 107
11.1
指标参数
............................................................................................................ 107
11.2 CMOS运算放大器的设计...................................................................................111
第
12
章 基本两级运算放大器分析与设计......................................................................115
12.1
电路的设计目标和结构
.....................................................................................115
12.2
具½的设计过程
.................................................................................................117
12.3
电路的性½仿真
................................................................................................ 123
第
13
章 共源共栅运算放大器分析与设计.....................................................................
129
II
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