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本书是编者结合多年的集成电路科研实践及“模拟集成电路设计”等课程的教学经验，并在参考国内外同类教材的基础上，精心编著而成的。本书基于现代CMOS工艺，从电路元器件出发，详细分析了各种典型模拟CMOS集成电路的工作原理和设计方法，并引入大量的工程设计实例，对模拟集成电路的研究和设计具有较高的学术和工程实用价值。本书还具有通俗易懂、便于自学的特点。全书共10章，其中前8章介绍CMOS元器件及经典模拟集成电路模块的基础知识和设计方法，后2章介绍它们的典型应用，包括时钟信号产生电路和数据转换电路。本书可供“微电子科学与工程”“集成电路设计与集成系统”“集成电路科学与工程”等相关专业的本科生及研究生作为教材使用（理论教学大约需要60学时），也可供模拟集成电路设计工程师参考。本书的读者应具备“电路分析基础”及“信号与系统”等方面的专业基础知识。如果读者还具备“半导体物理和器件”及“集成电路制造工艺”等方面的专业知识，则更容易理解本书的内容。

第1章  绪论	1
1.1  集成电路的发展历史及趋势	1
1.2  模拟集成电路的功能及应用领域	3
1.2.1  电源管理电路	3
1.2.2  放大器电路	5
1.2.3  模拟-数字接口电路	5
1.2.4  驱动电路	6
1.2.5  时钟信号产生电路	7
1.2.6  射频集成电路	7
1.2.7  有源滤波器	8
1.2.8  电子成像及传感器电路	8
1.2.9  半导体存储器电路	9
1.3  模拟集成电路与数字集成电路的比较	10
1.4  模拟集成电路的设计流程	11
1.5  HSpice仿真简介	13
本章小结	16
思政内容	16
第2章  元器件及其模型	17
2.1  pn结与二极管	18
2.1.1  pn结的形成	18
2.1.2  pn结的特性	19
2.1.3  二极管	22
2.2  双极型晶体管	25
2.2.1  结构及工艺实现	26
2.2.2  基本工作原理	26
2.2.3  大信号模型	31
2.2.4  小信号模型	33
2.3  CMOS器件	37
2.3.1  物理结构	37
2.3.2  电路符号	39
2.3.3  版图设计	40
2.3.4  工作原理	40
2.3.5  大信号模型	43
2.3.6  二级效应	49
2.3.7  小信号模型	52
2.3.8  寄生电容	54
2.3.9  闩锁效应	59
2.3.10  传输门电路	61
2.3.11  短沟道效应	63
2.4  电阻	63
2.4.1  方块电阻	64
2.4.2  多晶硅电阻	65
2.4.3  阱电阻	66
2.4.4  扩散电阻	67
2.4.5  金属电阻	67
2.4.6  电阻模型	68
2.5  电容	68
2.5.1  电容的结构	68
2.5.2  传统电容	69
2.5.3  CMOS电容	70
2.5.4  MIM电容	72
2.5.5  MOM电容	73
2.5.6  电容模型	74
2.6  混合电压CMOS工艺	74
本章小结	75
参考文献	76
习题	76
第3章  单级放大器	81
3.1  电流镜	81
3.1.1  电流镜的结构	82
3.1.2  电流镜的误差	83
3.1.3  电流镜的小信号等效电路	85
3.2  共源放大器	86
3.2.1  电阻负载共源放大器	86
3.2.2  二极管负载共源放大器	91
3.2.3  电流镜负载共源放大器	95
3.2.4  推挽放大器	98
3.3  源极跟随器	100
3.4  共栅放大器	103
3.5  共源共栅电流镜	106
3.5.1  普通共源共栅电流镜	106
3.5.2  宽摆幅共源共栅电流镜	108
3.5.3  共源共栅电流镜的输出电阻	110
3.6  共源共栅放大器	111
3.6.1  套筒式共源共栅放大器	111
3.6.2  折叠式共源共栅放大器	114
3.7  放大器的频率特性	118
3.7.1  共源放大器	118
3.7.2  源极跟随器	123
3.7.3  共源共栅放大器	124
本章小结	126
参考文献	126
习题	127
第4章  运算放大器	134
4.1  差动放大器	134
4.1.1  电阻负载差动放大器	134
4.1.2  有源负载差动放大器	140
4.1.3  单端输出差动放大器	142
4.1.4  差动放大器的频率特性	146
4.2  运算放大器的基本结构	147
4.2.1  概述	147
4.2.2  普通两级运算放大器	149
4.3  稳定性与相位补偿	152
4.3.1  闭环工作时的稳定性	152
4.3.2  相位补偿方法	155
4.4  运算放大器的性能分析	166
4.4.1  直流或低频特性	166
4.4.2  高频特性	170
4.4.3  瞬态特性	172
4.4.4  增益线性度	177
4.5  运算放大器的性能仿真	177
4.5.1  DC特性仿真	177
4.5.2  AC特性仿真	180
4.5.3  瞬态特性仿真	184
4.6  两级运算放大器设计实例	185
本章小结	190
参考文献	191
习题	191
第5章  高性能运算放大器	196
5.1  套筒式共源共栅运算放大器	196
5.2  折叠式共源共栅运算放大器	201
5.3  高增益运算放大器	204
5.4  轨对轨运算放大器	208
5.5  全差动运算放大器	212
5.6  微功耗运算放大器	219
5.7  输出级电路	221
5.7.1  输出级电路的类型	221
5.7.2  源极跟随器输出级	222
5.7.3  甲乙类共源输出级	224
5.7.4  低功耗输出级	228
5.7.5  运算放大器的输出电阻分析和仿真	230
本章小结	231
参考文献	231
习题	232
第6章  比较器	240
6.1  比较器的电路符号与理想特性	240
6.2  比较器的性能参数	241
6.2.1  精度（电压分辨率）	241
6.2.2  输入失调电压	241
6.2.3  传输时延	242
6.2.4  比较器的其他性能参数	242
6.3  比较器的结构与电路实例	242
6.3.1  开环运算放大器构成的比较器	242
6.3.2  “预放大器+锁存器”结构的比较器	245
6.3.3  反相器型比较器	247
6.4  比较器的失调电压校正	248
6.4.1  输入失调存储技术	249
6.4.2  输出失调存储技术	250
6.4.3  改进的输出失调存储技术	251
6.5  迟滞比较器	254
6.5.1  外部正反馈迟滞比较器	256
6.5.2  内部正反馈迟滞比较器	258
本章小结	264
参考文献	264
习题	264
第7章  基准电压与电流	269
7.1  MOS管型基准源	269
7.1.1  MOS管型分压电路	269
7.1.2  自偏置MOS管型基准源	272
7.2  带隙基准源	281
7.2.1  与CMOS工艺兼容的双极型晶体管和等效二极管	281
7.2.2  利用两个二极管产生具有正温度系数的电压	283
7.2.3  经典的带隙基准电路	284
7.2.4  改进的带隙基准电路	287
7.2.5  高精度电流源	295
7.3  基准电压调节电路	299
7.3.1  同相输入比例放大器	300
7.3.2  电荷泵电路	300
7.3.3  线性稳压电源	302
7.3.4  开关稳压电源	303
本章小结	305
参考文献	305
习题	306
第8章  电路噪声	313
8.1  电路噪声的性质与表征	313
8.2  电路的信噪比	315
8.3  电路元器件的噪声及其模型	315
8.3.1  电阻	316
8.3.2  CMOS管	316
8.3.3  CMOS开关	319
8.4  电路噪声性能分析	322
8.4.1  共源放大器	323
8.4.2  共栅放大器	324
8.4.3  源极跟随器	324
8.4.4  共源共栅放大器	325
8.4.5  差动放大器	328
8.4.6  运算放大器	329
8.4.7  电流镜电路	331
8.5  低噪声折叠式共源共栅放大器设计实例	331
本章小结	333
参考文献	334
习题	334
第9章  时钟信号产生电路	337
9.1  电容充放电振荡器	337
9.1.1  反相器环型振荡器	338
9.1.2  RC振荡器	339
9.1.3  窗口比较式振荡器	341
9.2  锁相环	343
9.2.1  锁相环的基本结构和工作原理	343
9.2.2  锁相环的小信号电路模型	348
9.2.3  锁相环的跟踪与捕获	351
9.2.4  锁相环的性能参数	352
9.2.5  锁相环的应用	353
9.3  延迟锁相环	354
9.3.1  模拟延迟锁相环	355
9.3.2  数字延迟锁相环	357
本章小结	363
参考文献	363
习题	364
第10章  数据转换电路	367
10.1  ADC的性能参数	368
10.1.1  ADC的分辨率和量化误差	368
10.1.2  ADC的静态误差	369
10.1.3  ADC的动态误差	372
10.2  典型的ADC电路	375
10.2.1  并行式ADC	375
10.2.2  两步式ADC	376
10.2.3  流水线ADC	377
10.2.4  逐次逼近ADC	387
10.2.5  积分型ADC	394
10.2.6  威尔金森ADC	395
10.2.7  过采样ADC	396
10.3  ADC的性能仿真和测试	407
10.3.1  静态性能参数的仿真与测试	407
10.3.2  动态性能参数的仿真与测试	408
10.4  DAC的基本性能	410
10.4.1  DAC的静态误差	411
10.4.2  DAC的动态误差	413
10.5  典型的数模转换器电路	414
10.5.1  梯形电阻网络DAC	414
10.5.2  二进制加权电阻网络DAC	415
10.5.3  R-2R梯形电阻网络DAC	416
10.5.4  电流舵DAC	417
10.5.5  电容型DAC	418
本章小结	419
参考文献	420
习题	420

集成电路是20世纪人类最伟大的发明之一，是当今国民经济和社会发展的战略性、基础性、先导性产业，也是国家实力竞争的战略制高点，其技术水平和产业规模已成为衡量一个国家经济发展、技术进步、工业先进、国防实力的重要标志。集成电路处于信息产业链的最高端，是当今全球经济的重要引擎和增长点，已成为21世纪最活跃的先端产业。集成电路的发明开启了人类的信息时代（第三次工业革命），目前正在推动和支撑人类进入智能时代（第四次工业革命）。
我国是全球最大的集成电路市场，但是目前大部分高端芯片需要进口，而且近年来还受到国外制裁和“卡脖子”技术的限制。因此，建设我国自主可控的集成电路产业链刻不容缓。
党的二十大报告中提出，要实施科教兴国战略，强化培养现代化建设人才，强调必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略。我国的“十五五规划建议”中，将集成电路列为最优先发展的重点领域。目前，我国集成电路全行业人才严重短缺，国家将集成电路定性为战略性新兴产业发展和民生急需学科专业的第一位。为此，国家将“集成电路科学与工程”列为一级学科，并在全国范围内建设“国家示范性微电子学院/集成电路学院”，以加快我国集成电路领域领军人才的培养速度、提升其培养质量。
本书是“集成电路科学与工程”系列中文教材之一，旨在为我国集成电路领域的人才培养贡献绵薄之力。本书的第一版自2022年9月出版以来，已累计印刷4次，累计销售3100余册，被多所大学选用为教材或教学参考书，被多家企业用作员工培训教材，受到业界和读者的普遍好评。2024年11月，本书被评选为工信部“工程硕博士精品教材”。
但是，随着集成电路技术的快速发展，各种先进工艺和电路设计方法不断涌现，急需对本书的第一版进行修订。本次修订的主要内容：（1）每一章都增加了课程思政内容，通过扫描书中的二维码，读者可以在线阅览每章的课程思政内容；（2）结合现代先进集成电路制造工艺，对部分章节内容进行了更新（尤其是第7章的内容更新较多）；（3）在教材的正文和习题中增加了大量的工程实用电路，尤其是针对纳米尺度CMOS工艺，增加了亚阈值CMOS集成电路设计的相关内容，以扩展读者的知识面，并掌握相关领域的最新发展动态；（4）在每章的后面增加了魏廷存教授的授课视频（持续更新中），读者可通过扫描二维码进行浏览；（5）对本书第一版中读者反映的部分问题进行了修改和补充。
本书第二版由西北工业大学的魏廷存、陈楠、阴玥及西安邮电大学的刘伟编著，全书内容由魏廷存教授策划和审校。参加本书编写和习题整理工作的还有西北工业大学的叶鹏昊、张天扬等同学。电子工业出版社的编辑孟宇在本书的编辑和出版过程中付出了非常辛勤的劳动。在此，编者向他们表示衷心的感谢。
本书的编写过程中虽然编者倾注了大量的心血，但仍可能存在诸多不足和不妥之处，非常真诚地欢迎各位读者提出宝贵的建议和意见（编者邮箱：weitc@nwpu.edu.cn）。

编  者    ?   
2025年6月，西安

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模拟集成电路设计（第2版）