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1.1 引言1

1.2 pn结的耗尽区1

第一章 集成电路放大器件模型1

1.2.1 势垒电容4

1.2.2 结击穿6

1.3 双极型晶体管的大信号特性7

1.3.1 正向放大区的大信号模型8

1.3.2 集电极电压对正向放大区大信号特性的影响13

1.3.3 饱和区和反向放大区15

1.3.4 晶体管击穿电压19

1.3.5 工作条件决定晶体管电流增益22

1.4.1 跨导24

1.4 双极型晶体管的小信号模型24

1.4.2 基区寄生电容26

1.4.3 输入电阻27

1.4.4 输出电阻27

1.4.5 双极型晶体管的基本小信号模型28

1.4.6 集电极-基极电阻28

1.4.7 小信号模型的寄生单元29

1.4.8 晶体管频率响应特性32

1.5 金属氧化物场效晶体管的大信号特性35

1.5.1 MOS器件的转移特性36

1.5.2 双极型晶体管和MOS晶体管工作区的比较42

1.5.4 阈值的温度独立性44

1.5.3 栅-源电压的分解44

1.5.5 MOS器件的电压限制46

1.6 MOS晶体管的小信号模型47

1.6.1 跨导47

1.6.2 栅-源以及栅-漏固有电容48

1.6.3 输入电阻49

1.6.4 输出电阻49

1.6.5 MOS晶体管的基本小信号模型49

1.6.6 衬底跨导50

1.6.7 小信号模型的寄生单元51

1.6.8 MOS晶体管的频率响应52

1.7 MOS晶体管的短沟道效应55

1.7.1 水平场中的速率饱和56

1.7.2 跨导和特征频率60

1.7.3 垂直场中的迁移率下降61

1.8 MOS晶体管中的弱反型62

1.8.1 弱反型中的漏极电流62

1.8.2 弱反型区中的跨导和特征频率65

1.9 MOS晶体管中的衬底电流67

附录69

A.1.1 有源器件参数列表69

第二章 双极型、MOS和BiCMOS集成电路技术74

2.1 引言74

2.2 集成电路生产的基本过程74

2.2.1 硅的电阻率75

2.2.2 固态扩散76

2.2.3 扩散层的电特性77

2.2.4 光刻工艺79

2.2.5 外延生长80

2.2.6 离子注入81

2.2.7 局部氧化82

2.2.8 多晶硅的淀积83

2.3 高压双极型集成电路的制造83

2.4 高级双极型集成电路的制造87

2.5 双极型模拟集成电路中的放大器件90

2.5.1 npn型晶体管集成电路90

2.5.2 pnp型晶体管集成电路101

2.6 双极型集成电路中的无源元件108

2.6.1 扩散电阻108

2.6.2 外延生长电阻和外延夹断111

电阻111

2.6.3 集成电路电容112

2.6.4 齐纳二极管113

2.6.5 结型二极管113

2.7 基本双极型工艺的改进115

2.7.1 电介质隔离法116

2.7.2 高性能有源元器件的兼容处理117

2.7.3 高性能无源元件118

2.8 MCS集成电路的制造120

2.9 MOS集成电路中的有源器件123

2.9.1 n沟道晶体管123

2.9.2 p沟道晶体管133

2.9.3 耗尽型器件133

2.9.4 双极型晶体管134

2.10 MOS工艺中的无源器件136

2.10.1 电阻136

2.10.2 MOS工艺中的电容137

2.10.3 CMOS技术的闩锁139

2.11 BiCMOS技术141

2.12 异质结双极型晶体管143

2.13 互连延迟144

2.14 集成电路制造过程的经济意义145

2.14.1 集成电路制造过程的收益因素145

2.14.2 集成电路制造中的成本核算148

2.15 集成电路的封装因素150

2.15.1 最大功耗150

2.15.2 集成电路封装中的稳定性因素153

附录153

A.2.1 SPICE模型参数153

第三章 单级放大器与多级放大器161

3.1 模拟电路近似分析中器件模型的选择162

3.2 放大器的二端口模型163

3.3.1 共射组态165

3.3 基本单管放大器165

3.3.2 共源组态169

3.3.3 共基组态172

3.3.4 共栅组态175

3.3.5 r0有限时的共基与共栅组态177

3.3.5.1 共基与共栅组态的输入电阻177

3.3.5.2 共基与共栅组态的输出电阻178

3.3.6 共集组态（射随器）180

3.3.7 共漏组态（源极跟随器）184

3.3.8 射极反馈的共射放大器186

3.3.9 源极反馈的共源放大器189

3.4 多级放大器190

3.4.1 共集-共射，共集-共集及达林顿组态191

3.4.2 串接组态194

3.4.2.1 双极型串接组态194

3.4.2.2 MCS晶体管串接组态196

3.4.3 有源串接组态199

3.4.4 超级源极跟随器201

3.5 差分对202

3.5.1 共射差分对的直流传输特性203

3.5.2 射极反馈的直流传输特性204

3.5.3 共源差分对的直流传输特性205

3.5.4 差分放大器的小信号分析介绍208

3.5.5 理想对称的差分放大器的小信号特性211

3.5.6.1 输入失调电压和失调电流218

3.5.6 差分放大器中的不匹配效应218

3.5.6.3 共射差分对的失调电压：近似分析219

3.5.6.2 共射差分对的等效输入失调电压219

3.5.6.4 共射差分对的失调电压漂移221

3.5.6.5 共射差分对的输入失调电流221

3.5.6.6 共源差分对的输入失调电压222

3.5.6.7 共源差分对的失调电压：近似分析223

3.5.6.8 共源差分对的失调电压漂移224

3.5.6.9 非对称差分放大器的小信号特性225

附录231

A.3.1 静态初步和高斯分布231

4.2 镜像电流源240

4.2.1 一般特性240

4.1 引言240

第四章 镜像电流源、有源负载和基准源240

4.2.2 简单的镜像电流源241

4.2.2.1 双极型晶体管结构241

4.2.2.2 MOS晶体管结构244

4.2.3 减小β影响的（βhelper）基本镜像电流源246

4.2.3.1 双极型晶体管结构246

4.2.3.2 MOS晶体管结构248

4.2.4 改进型基本镜像电流源248

4.2.4.1 双极型晶体管结构248

4.2.5.1 双极型晶体管结构249

4.2.4.2 MOS晶体管结构249

4.2.5 串接镜像电流源249

4.2.5.2 MOS晶体管结构252

4.2.6 威尔逊镜像电流源258

4.2.6.1 双极型晶体管结构258

4.2.6.2 MOS晶体管结构262

4.3 有源负载263

4.3.1 概述263

4.3.2 带有互补输出级的共射／共源放大器264

4.3.3 带有耗尽型负载的共射／共源放大器267

4.3.4 带有二极管连接负载的共射／共源放大器269

4.3.5.1 大信号分析271

4.3.5 带有镜像电流源负载的差分对271

4.3.5.2 小信号分析273

4.3.5.3 共模抑制比278

4.4 电压和电流基准源284

4.4.1 低电流偏置284

4.4.1.1 双极型Widlar电流源284

4.4.1.2 MOS管Widlar电流源286

4.4.1.3 双极型峰值电流源287

4.4.1.4 MOS管峰值电流源288

4.4.2 对电源不敏感的偏置290

4.4.2.1 Widlar电流源290

4.4.2.2 使用其他标准电压的镜像电流源291

4.4.2.3 自偏置293

4.4.3 对温度不敏感的偏置299

4.4.3.1 基于双极型技术的带隙基准源偏置电路301

4.4.3.2 CMOS技术的带隙基准源偏置电路306

附录310

A.4.1 考虑镜像电流源的匹配310

A.4.1.1 双极型晶体管结构310

A.4.1.2 MOS晶体管结构312

A.4.2 有源负载差分对的输入失调电压315

A.4.2.1 双极型晶体管结构315

A.4.2.2 MOS晶体管结构317

5.2 射随器作为输出级328

第五章 输出级328

5.1 引言328

5.2.1 射随器的传输特性329

5.2.2 输出功率和效率330

5.2.3 射随器的驱动要求337

5.2.4 射随器的小信号特性337

5.3 源极跟随器作为输出级338

5.3.1 源极跟随器的传输特性339

5.3.2 源极跟随器的失真340

5.4 乙类放大器推挽式输出级344

5.4.1 乙类放大器输出级的转移特性344

5.4.2 乙类输出级的功率输出和效率347

5.4.3 乙类互补式输出级的实际应用350

5.4.4 全npn乙类输出级356

5.4.5 准互补输出级358

5.4.6 过载保护360

5.5 CMOS甲乙类输出级361

5.5.1 共漏极结构362

5.5.2 具有误差放大的共源极结构363

5.5.3 等效电路370

5.5.3.1 共漏共源组合电路370

5.5.3.2 具有高摆幅的共漏共源组合电路372

5.5.3.3 平行共源结构372

第六章 单端输出的运算放大器383

6.1 运算放大器的应用384

6.1.1 反馈的基本概念384

6.1.2 反相放大器384

6.1.3 非反相放大器386

6.1.4 差分放大器387

6.1.5 非线性的模拟运算387

6.1.6 积分器和微分器388

6.1.7 内部放大器389

6.1.7.1 开关电容器放大器389

6.1.7.2 开关电容器积分器394

6.2.2 输入失调电流397

6.2.1 输入偏置电流397

6.2 从理想运算放大器到实际运算放大器的偏离397

6.2.3 输入失调电压398

6.2.4 共模输入范围398

6.2.5 共模抑制比（CMRR）398

6.2.6 电源抑制比（PSRR）399

6.2.7 输入电阻400

6.2.8 输出电阻401

6.2.9 频率响应401

6.2.10 运算放大器的等效电路401

6.3 基本的二级MOS运算放大器402

6.3.1 输入电阻、输出电阻与开路电压增益403

6.3.2 输出摆幅404

6.3.3 输入失调电压405

6.3.4 共模抑制比408

6.3.5 共模输入范围408

6.3.6 电源抑制比（PSRR）410

6.3.7 过载电压的效应415

6.3.8 布局的讲解415

6.4 具有串接放大器的二级MOS运算放大器418

6.5 MOS管可伸缩式串接运算放大器419

6.6 MOS管折叠串接运算放大器421

6.7 MOS管有源串接运算放大器425

6.8 双极型运算放大器428

6.8.1 741运算放大器的直流分析431

6.8.2 741运算放大器的小信号分析436

6.8.3 741运算放大器的输入失调电压、输入失调电流和共模抑制比444

6.9 单片集成运算放大器的设计中要考虑的问题445

6.9.1 低温漂运算放大器的设计447

6.9.2 低输入电流运算放大器的设计449

第七章 集成电路的频率响应461

7.1 引言461

7.2 单级放大器461

7.2.1 单级电压放大器和密勒效应462

7.2.1.1 双极型差分放大器：差模增益466

7.2.1.2 MOS差分放大器：差模增益469

7.2.2 差分放大器共模增益的频率响应472

7.2.3 电压缓冲的频率响应474

7.2.3.1 射随器的频率响应476

7.2.3.2 源级跟随器的频率响应481

7.2.4 电流缓冲器的频率响应483

7.2.4.1 共基放大器的频率响应486

7.2.4.2 共栅放大器的频率响应487

7.3 多级放大器的频率响应487

7.3.1 主极点近似488

7.3.2 零值时间常数分析法488

7.3.3 串接电压放大器的频率响应493

7.3.4 串接放大器的频率响应496

7.3.5 负载为一个镜像电流源的差分对的频率响应502

7.3.6 短路时间常数504

7.4 741运算放大器的频率响应分析507

7.4.1 741的高频等效电路507

7.4.2 741的-3dB截止频率的计算508

7.4.3 741的非主极点510

7.5 频率响应和时间响应的关系511

第八章 反馈523

8.1 理想反馈方程523

8.2 增益灵敏度524

8.3 负反馈对失真的影响525

8.4.1 串联-并联反馈526

8.4 反馈结构526

8.4.2 并联-并联反馈529

8.4.3 并联-串联反馈531

8.4.4 串联-串联反馈532

8.5 实际组态及负载的影响532

8.5.1 并联-并联反馈532

8.5.2 串联-串联反馈538

8.5.3 串联-并联反馈546

8.5.4 并联-串联反馈550

8.5.5 总结553

8.6 单级反馈553

8.6.1 局部串联-串联反馈554

8.6.2 局部串联-并联反馈556

8.7 反馈电路用作稳压器558

8.8 使用反馈比的反馈电路分析563

8.8.1 使用反馈比求闭环增益566

8.8.2 使用反馈比的闭环阻抗公式570

8.8.3 反馈比分析的总结576

8.9 在反馈电路中建立输入和输出端口的模型576

第九章 反馈放大器的频率响应和稳定性587

9.1 引言587

9.2 反馈放大器中增益与带宽的关系587

9.3 不稳定性和奈奎斯特判据589

9.4 补偿595

9.4.1 补偿理论595

9.4.2 补偿方法600

9.4.3 二级MOS管放大器补偿606

9.4.4 单级CMCS运算放大器613

9.4.5 嵌套式密勒补偿616

9.5 根轨迹624

9.5.1 三极点的传递函数根轨迹624

9.5.2 根轨迹准则627

9.5.3 主极点补偿根轨迹图634

9.5.4 零反馈补偿根轨迹图635

9.6 摆率638

9.6.1 摆率受限的原因638

9.6.2 提高二级运算放大器摆率的方法641

9.6.3 双极型运算放大器摆率的改进642

9.6.4 MCS运算放大器的摆率改进643

9.6.5 摆率受限对大信号正弦性能的影响647

附录648

A.9.1 反馈比参数术语分析648

A.9.2 二次方程根649

第十章 非线性模拟电路659

10.1 引言659

10.2 精密整流659

10.3 使用双极型晶体管的模拟乘法器665

10.3.1 共射极对管构成简单的乘法器665

10.3.2 吉尔伯特单元的直流分析666

10.3.3 使用吉尔伯特单元的模拟乘法器668

10.3.4 完整的模拟乘法器671

10.3.5 吉尔伯特乘法器单元构成平衡调制器和鉴相器672

10.4 锁相环路（PLL）675

10.4.1 锁相环路概念675

10.4.2 锁定条件下的锁相环路677

10.4.3 集成锁相环路685

10.4.4 560B的单片锁相环路的分析688

10.5 非线性函数综合694

第十一章 集成电路的噪声699

11.1 引言699

11.2 噪声源699

11.2.1 冲击噪声699

11.2.2 热噪声702

11.2.3 闪烁噪声（1/f噪声）703

11.2.4 突发噪声（爆米花噪声）704

11.2.5 雪崩噪声705

11.3 集成电路元件的噪声模型706

11.3.1 结型二极管706

11.3.2 双极型晶体管706

11.3.3 MOS晶体管708

11.3.4 电阻709

11.3.5 电容和电感709

11.4 电路噪声的计算709

11.4.1 双极型晶体管噪声特性711

11.4.2 等效输入噪声和最小可测信号714

11.5 等效输入噪声源715

11.5.1 双极型晶体管噪声源716

11.5.2 MOS晶体管噪声源721

11.6 在噪声特性下的反馈723

11.6.1 在噪声特性下的理想反馈723

11.6.2 在噪声特性下的实际反馈724

11.7 其他晶体管结构的噪声特性729

11.7.1 共基级噪声特性730

11.7.2 射随器噪声特性731

11.7.3 差分对噪声特性731

11.8 运算放大器噪声733

11.9 噪声带宽738

11.10 噪声因数和噪声温度742

11.10.1 噪声因数742

11.10.2 噪声温度745

第十二章 全差分运算放大器752

12.1 引言752

12.2 全差分放大器的性能752

12.3 对称差分放大器的小信号模型755

12.4 共模反馈759

12.4.1 低频的共模反馈760

12.4.2 共模反馈环路中的稳定性和补偿765

12.5.1 运用电阻分配器和放大器的CMFB767

12.5 共模反馈电路767

12.5.2 使用两个差分对的CMFB771

12.5.3 使用工作在三极管区的晶体管的CMFB773

12.5.4 开关电容共模反馈775

12.6 全差分运算放大器778

12.6.1 全差分二级运算放大器778

12.6.2 全差分伸缩共源共栅运算放大器787

12.6.3 全差分折叠式共源共栅运算放大器788

12.6.4 有两个差分输入级的差分运算放大器789

12.6.5 中和789

12.7 不对称的全差分电路792

12.8 共模反馈环路的带宽798

索引表807