《模擬集成電路設(shè)計(jì)》教學(xué)大綱

12/12《模擬集成電路設(shè)計(jì)》課程教學(xué)大綱一、課程基本信息1、課程編碼：2、課程名稱（中/英文）：模擬集成電路設(shè)計(jì)/DesignofAnalogintegratedCircuits3、學(xué)時(shí)/學(xué)分：56學(xué)時(shí)/3.5學(xué)分4、先修課程：電路基礎(chǔ)、信號(hào)與系統(tǒng)、半導(dǎo)體物理與器件、微電子制造工藝5、開課單位：微電子學(xué)院6、開課學(xué)期（春/秋/春、秋）：秋7、課程類別：專業(yè)核心課程8、課程簡介（中/英文）：本課程為微電子專業(yè)的必修課，專業(yè)核心課程，是集成電路設(shè)計(jì)方向最核心的專業(yè)課程之一。本課程主要介紹典型模擬CMOS集成電路的工作原理、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程、仿真分析方法，以及模擬CMOS集成電路的最新研發(fā)動(dòng)態(tài)。通過該課程的學(xué)習(xí)，將為學(xué)生今后從事集成電路設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。Thiscourseisacompulsorycourseforthestudentsmajoringinmicroelectronicsandoneofthecorecoursesinthefieldofintegratedcircuit(IC)design.Thiscoursemainlyintroducestheoperatingprinciples,designmethodsandprocess,simulationmethodsoftypicalanalogCMOSintegratedcircuits,aswellasthelatestdevelopmenttrendsofanalogCMOSintegratedcircuits.

Throughthestudyofthiscourse,asolidtheoreticalfoundationinICdesigncanbelaidforthestudents.

9、教材及教學(xué)參考書：教材：《模擬集成電路設(shè)計(jì)》，魏廷存，等編著，電子工業(yè)出版社，2022年9月.教學(xué)參考書：1）《模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)》（第2版），[美]畢查德·拉扎維（Behzad

Razavi）著，陳貴燦，程軍，張瑞智，張鴻譯，西安交通大學(xué)出版社，2018年12月.2）《CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)》，[美]PhillipE.Allen,DouglasR.Holberg著，馮軍，等譯，電子工業(yè)出版社，2005年.3）《AnalogIntegratedCircuitDesign》，DavidA.Johns&KenMartin著,JohnWiley&Sons,Inc.，1997年.4）《AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuits》，P.R.Gray,P.J.Hurst,S.H.Lewis,andR.G.Meyer著,JohnWiley&Sons,Inc.，2001年.5）《AnalogDesignEssentials》，WillyM.C.Sansen著，Springer，2011年.二、課程教學(xué)目標(biāo)本課程為微電子專業(yè)的必修課，專業(yè)核心課程，是集成電路設(shè)計(jì)方向最核心的專業(yè)課程之一。通過該課程的學(xué)習(xí)，將為學(xué)生今后從事集成電路設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。本課程主要介紹典型模擬CMOS集成電路的工作原理、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程、仿真分析方法，以及模擬CMOS模擬集成電路的最新研發(fā)動(dòng)態(tài)。主要內(nèi)容有：1）模擬CMOS集成電路的發(fā)展歷史及趨勢、功能及應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)計(jì)流程以及仿真分析方法；2）CMOS元器件的工作原理及其各種等效數(shù)學(xué)模型（低頻、高頻、噪聲等）；3）針對(duì)典型模擬電路模塊，包括電流鏡、各種單級(jí)放大器、運(yùn)算放大器、比較器、基準(zhǔn)電壓與電流產(chǎn)生電路、時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路、ADC與DAC電路等，重點(diǎn)介紹其工作原理、性能分析（直流/交流/瞬態(tài)/噪聲/魯棒性等特性分析）和仿真方法以及電路設(shè)計(jì)方法；4）介紹模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的最新研究成果，包括低功耗、低噪聲、低電壓模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟練掌握典型模擬CMOS集成電路的工作原理、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程；掌握模擬CMOS集成電路的直流/交流/瞬態(tài)/噪聲等性能的仿真分析方法。結(jié)合《集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)》和《模擬集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程，通過大量實(shí)踐，使學(xué)生初步具備模擬CMOS集成電路的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、仿真驗(yàn)證、版圖實(shí)現(xiàn)和測試評(píng)價(jià)的基本能力。課堂教學(xué)中，重點(diǎn)講解典型模擬CMOS集成電路的工作原理和設(shè)計(jì)方法，為學(xué)生今后從事模擬集成電路設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。同時(shí)，結(jié)合授課教師的科研實(shí)踐和國內(nèi)外最新研發(fā)動(dòng)態(tài)，引入大量新穎和實(shí)用的模擬集成電路實(shí)例，以科研促進(jìn)教學(xué)（科研反哺教學(xué)），開展探索式和啟發(fā)式教學(xué)，以提高學(xué)生對(duì)該門課程的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的思維能力和集成電路創(chuàng)新能力。另外，本課程與《集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)》和《模擬集成電路版圖設(shè)計(jì)》課程緊密結(jié)合，使學(xué)生在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過大量的設(shè)計(jì)實(shí)踐訓(xùn)練，進(jìn)一步理解和鞏固所學(xué)理論知識(shí)，從而顯著提高學(xué)生的集成電路設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。本課程屬于集成電路設(shè)計(jì)的核心課程，是學(xué)生今后從事模擬集成電路、數(shù)字集成電路、混合信號(hào)集成電路、射頻集成電路設(shè)計(jì)需要具備的最基礎(chǔ)理論知識(shí)和設(shè)計(jì)能力。為此，在前8章的基礎(chǔ)部分，安排了大部分的課時(shí)，使學(xué)生能夠充分消化和吸收相關(guān)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，為后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。此外，通過大量的課后習(xí)題練習(xí)以及閱讀其它參考文獻(xiàn)，拓展學(xué)生的知識(shí)面，進(jìn)一步加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。三、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)要求本課程理論教學(xué)56學(xué)時(shí)，具體安排如下：第1章緒論（4學(xué)時(shí)）1.1集成電路技術(shù)概述1.2模擬集成電路的功能及應(yīng)用領(lǐng)域1.3模擬集成電路的設(shè)計(jì)流程1.4SPICE仿真簡介基本要求：了解集成電路技術(shù)的發(fā)展歷史和產(chǎn)業(yè)鏈概況；了解模擬集成電路的功能、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢；了解模擬集成電路的設(shè)計(jì)流程；初步了解SPICE仿真的基本概念。第2章CMOS元器件及其模型（8學(xué)時(shí)）2.1CMOS器件2.1.1物理結(jié)構(gòu)2.1.2電路符號(hào)2.1.3版圖設(shè)計(jì)2.1.4工作原理2.1.5大信號(hào)模型2.1.6二級(jí)效應(yīng)2.1.7小信號(hào)模型2.1.8寄生電容2.1.9閂鎖效應(yīng)2.1.10傳輸門電路2.1.11短溝道效應(yīng)2.2雙極型晶體管（與CMOS工藝兼容）2.3二極管2.4電阻2.4.1方塊電阻2.4.2多晶硅電阻2.4.3阱電阻2.4.4擴(kuò)散電阻2.4.5金屬電阻2.4.6電阻模型2.5電容2.5.1電容的結(jié)構(gòu)2.5.2傳統(tǒng)電容2.5.3CMOS電容2.5.4金屬-金屬電容2.5.5電容模型2.6低壓/中壓/高壓混合電壓工藝基本要求：掌握CMOS器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、電壓-電流特性、二級(jí)效應(yīng)、大信號(hào)特性、小信號(hào)模型、寄生電容等；掌握其它器件（雙極型晶體管、二極管、無源電阻、電容）的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特性；了解混合電壓工藝的實(shí)現(xiàn)方法；了解CMOS器件的閂鎖現(xiàn)象及其消除方法。第3章單級(jí)放大器（8學(xué)時(shí)）3.1基本電流鏡3.1.1電流鏡的結(jié)構(gòu)3.1.2電流鏡的誤差3.1.3電流鏡的小信號(hào)等效電路3.2共源極放大器3.2.1電阻負(fù)載共源放大器3.2.2二極管負(fù)載共源放大器3.2.3電流鏡負(fù)載共源放大器3.2.4推挽放大器3.3共漏極放大器（源跟隨器）3.4共柵極放大器3.5共源共柵電流鏡3.5.1普通共源共柵電流鏡3.5.2寬擺幅共源共柵電流鏡3.5.3共源共柵電流鏡的輸出電阻3.6共源共柵放大器3.6.1套筒式共源共柵放大器3.6.2折疊式共源共柵放大器3.7放大器的頻率特性3.7.1共源放大器3.7.2源極跟隨器3.7.3共源共柵放大器基本要求：掌握各種單級(jí)放大器的基本電路結(jié)構(gòu)、工作原理（飽和區(qū)、線性區(qū)、截止區(qū)）、大信號(hào)特性、直流偏置方法、小信號(hào)特性、頻率特性；掌握各種單級(jí)放大器的性能特點(diǎn)和應(yīng)用場合；掌握電流鏡的結(jié)構(gòu)、工作原理以及大信號(hào)和小信號(hào)特性；掌握各種單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)方法。第4章運(yùn)算放大器（8學(xué)時(shí)）4.1差動(dòng)放大器4.1.1電阻負(fù)載差動(dòng)放大器4.1.2二極管負(fù)載差動(dòng)放大器4.1.3電流源負(fù)載差動(dòng)放大器4.1.4電流鏡負(fù)載差動(dòng)放大器4.1.5差動(dòng)放大器的頻率特性4.2運(yùn)算放大器的構(gòu)成和實(shí)例4.3穩(wěn)定性和相位補(bǔ)償4.4運(yùn)算放大器的性能分析4.4.1直流或低頻特性4.4.2高頻特性4.4.3瞬態(tài)特性4.4.4增益線性度4.5運(yùn)算放大器的特性解析4.5.1DC特性仿真4.5.2AC特性仿真4.5.3瞬態(tài)特性仿真4.6兩級(jí)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)實(shí)例基本要求：掌握單極差動(dòng)放大器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理和性能分析方法；掌握各種運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、直流或低頻特性、頻率特性和相位補(bǔ)償方法、性能指標(biāo)、特性解析和測試方法；掌握普通兩級(jí)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)方法。第5章高性能運(yùn)算放大器（6學(xué)時(shí)）5.1套筒式共源共柵運(yùn)算放大器（TelescopicCascodeOPAMP）5.2折疊式共源共柵運(yùn)算放大器（FoldedCascodeOPAMP）5.3高增益運(yùn)算放大器（Gain-BoostingOPAMP）5.4軌對(duì)軌運(yùn)算放大器（RailtoRailOPAMP）5.5全差動(dòng)運(yùn)算放大器（FullyDifferentialOPAMP）5.6微功耗運(yùn)算放大器5.7輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)（OutputStage）5.7.1輸出級(jí)電路的類型5.7.2源極跟隨器輸出級(jí)5.7.3甲乙類共源輸出級(jí)5.7.4低功耗輸出級(jí)5.7.5運(yùn)放的輸出電阻分析和仿真基本要求：掌握各種高性能運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理和性能特點(diǎn)；熟練掌握典型運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)方法。第6章比較器（4學(xué)時(shí)）6.1比較器的應(yīng)用6.2比較器的性能參數(shù)6.2.1精度（電壓分辨率）6.2.2輸入失調(diào)電壓6.2.3傳輸時(shí)延6.2.4比較器的其它性能參數(shù)6.3比較器的結(jié)構(gòu)與電路實(shí)例6.3.1開環(huán)運(yùn)放構(gòu)成的比較器6.3.2預(yù)放大器+鎖存器結(jié)構(gòu)6.3.3反相器型比較器6.4比較器的噪聲6.5比較器的失調(diào)電壓校正6.5.1輸入失調(diào)存儲(chǔ)技術(shù)6.5.2輸出失調(diào)存儲(chǔ)技術(shù)6.5.3改進(jìn)的輸出失調(diào)存儲(chǔ)技術(shù)6.6遲滯比較器6.6.1外部正反饋遲滯比較器6.6.2內(nèi)部正反饋遲滯比較器基本要求：了解比較器的性能指標(biāo)參數(shù)和應(yīng)用場合；掌握比較器的典型電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法；了解如何提高比較器的動(dòng)作速度和電壓分辨率以及如何消除比較器的失調(diào)電壓；掌握遲滯比較器的工作原理和設(shè)計(jì)方法。第7章基準(zhǔn)電壓與電流（4學(xué)時(shí)）7.1基準(zhǔn)電壓和電流的應(yīng)用場合7.2MOS管型基準(zhǔn)源7.2.1MOS管型分壓電路7.2.2自偏置MOS管型基準(zhǔn)源7.3二極管型基準(zhǔn)源7.3.1與CMOS工藝兼容的雙極型晶體管和等效二極管7.3.2具有負(fù)溫度系數(shù)的基準(zhǔn)源7.3.3具有正溫度系數(shù)的基準(zhǔn)源7.3.4帶隙基準(zhǔn)電壓7.3.5高精度電流源7.4基準(zhǔn)電壓調(diào)節(jié)電路7.4.1同相輸入比例放大器7.4.2電荷泵電路7.4.3線性穩(wěn)壓電源7.4.4開關(guān)穩(wěn)壓電源基本要求:了解具有正/負(fù)溫度系數(shù)電壓的產(chǎn)生方法；掌握典型的帶隙基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的工作原理和設(shè)計(jì)方法；了解典型電壓調(diào)節(jié)電路（比例放大器、LDO、電荷泵電路、DC-DC開關(guān)變換器）的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；掌握典型的基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路的工作原理和設(shè)計(jì)方法，掌握運(yùn)算放大器的偏置電流產(chǎn)生方法。第8章電路噪聲（4學(xué)時(shí)）8.1電路噪聲的性質(zhì)與表征8.2電路的信噪比8.3電路元器件的噪聲及其模型8.3.1電阻8.3.2CMOS管8.3.3CMOS開關(guān)8.4電路噪聲性能分析8.4.1共源放大器8.4.2共柵放大器8.4.3源極跟隨器8.4.4共源共柵放大器8.4.5差動(dòng)放大器8.4.6運(yùn)算放大器8.4.7電流鏡電路8.5低噪聲折疊式共源共柵放大器設(shè)計(jì)實(shí)例基本要求：了解噪聲的統(tǒng)計(jì)特性；熟悉CMOS器件和CMOS開關(guān)以及電阻和電容中的噪聲來源和特性（模型）；掌握單級(jí)放大器（含差動(dòng)放大器）的噪聲特性和分析方法；了解低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法。第9章時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路（4學(xué)時(shí)）9.1時(shí)鐘信號(hào)的應(yīng)用場合9.2振蕩電路的性能參數(shù)9.3電容充放電振蕩器9.3.1環(huán)型振蕩器（RingOscillator）9.3.2RC振蕩器9.3.3窗口比較式振蕩器9.4鎖相環(huán)（PLL:PhaseLockedLoop）9.5延遲鎖相環(huán)（DLL:Delay-LockedLoop）基本要求：掌握典型的、可實(shí)現(xiàn)片上集成的低頻振蕩電路的結(jié)構(gòu)和工作原理以及設(shè)計(jì)方法；了解鎖相環(huán)和延遲鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)和工作原理；掌握時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路的性能指標(biāo)及其分析方法；了解鎖相環(huán)和延遲鎖相環(huán)的發(fā)展趨勢和最新研發(fā)動(dòng)態(tài)。第10章數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路（6學(xué)時(shí)）10.1ADC的基礎(chǔ)知識(shí)10.2典型的ADC電路10.2.1并行式ADC（Parallel/FlashADC）10.2.2兩步式ADC（Two-stepADC）10.2.3流水線ADC（PipelinedADC）10.2.4逐次逼近型ADC（SAR-ADC）10.2.5積分型ADC（IntegratingADC）10.2.6威爾金森ADC（WilkinsonADC）10.3ADC的性能仿真與測試10.4DAC的基本性能10.5典型的DAC電路10.5.1梯形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC10.5.2二進(jìn)制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC10.5.3R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC10.5.4電流舵方式DAC10.5.5電荷重分配方式DAC基本要求：掌握ADC和DAC的基本性能指標(biāo)和解析方法；了解各種結(jié)構(gòu)ADC和DAC電路的工作原理及其特點(diǎn)；了解提高各種ADC和DAC性能的方法；了解ADC和DAC的發(fā)展趨勢和最新研發(fā)動(dòng)態(tài)。四、思政育人課程思政育人目標(biāo)：通過將集成電路的重要性、發(fā)展歷史、產(chǎn)業(yè)鏈特點(diǎn)和分工以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢等內(nèi)容融合在課堂教學(xué)中，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到我國目前在集成電路領(lǐng)域與國外的巨大差距以及關(guān)鍵技術(shù)受制于人的被動(dòng)局面，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷、全球視野和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，激勵(lì)學(xué)生將來積極投身于振興我國集成電路事業(yè)中。課程思政示范性教學(xué)內(nèi)容：利用近年美國制裁中興和華為事件，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到建設(shè)我國自主可控集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的重要性。另外，通過介紹一些集成電路的典型研發(fā)案例和大型跨國企業(yè)的成長實(shí)例（例如華為手機(jī)基帶芯片的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過程），讓學(xué)生體會(huì)到發(fā)展集成電路的艱巨性，同時(shí)對(duì)我國集成電路產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展充滿期待和憧憬。通過這些教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生奮發(fā)圖強(qiáng)、不斷進(jìn)取、追求卓越、引領(lǐng)未來的意志和決心，同時(shí)引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生腳踏實(shí)地、一絲不茍、精益求精的科學(xué)精神。課程思政教學(xué)設(shè)計(jì)：課堂教學(xué)中，結(jié)合一些典型的集成電路芯片或器件，分析其在整機(jī)系統(tǒng)中的重要性，介紹近年我國企業(yè)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代的成功案例以及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)以及嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的專業(yè)素養(yǎng)。五、各教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)分配章節(jié)章節(jié)名稱課內(nèi)講授學(xué)時(shí)課外自學(xué)學(xué)時(shí)備注第1章緒論42第2章CMOS元器件及其模型83第3章單級(jí)放大器83第4章運(yùn)算放大器88第5章高性能運(yùn)算放大器62第6章比較器42第7章基準(zhǔn)電壓與電流42第8章電路噪聲43第9章時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路42第10章數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路63合計(jì)5630六、考核方式及要求1、考核內(nèi)容與形式：考核形式為考試，主要考核學(xué)生對(duì)模擬集成電路基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度以及集成電路的設(shè)計(jì)能力，在課程結(jié)束后進(jìn)行。2、考核資格：學(xué)生必須按要求完成教師平時(shí)布置的課后作業(yè)和練習(xí)，才有資格參加考核。學(xué)生在上課期間如出現(xiàn)嚴(yán)重違紀(jì)現(xiàn)象（參照學(xué)校以及學(xué)院相關(guān)紀(jì)律要求），教師可以取消學(xué)生參加考核的資格。3、學(xué)業(yè)規(guī)范要求：本門課程要求學(xué)生獨(dú)立完成課后作業(yè)和設(shè)計(jì)實(shí)踐，嚴(yán)禁考試中的作弊行為，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，課程考試成績按零分計(jì)算。4、各部分考核內(nèi)容所占比例：平時(shí)成績（含作業(yè)、報(bào)告、課堂出席情況）占20%，期末筆試