《模擬集成電路設(shè)計》教學(xué)大綱

12/12《模擬集成電路設(shè)計》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/DesignofAnalogintegratedCircuits3、學(xué)時/學(xué)分：56學(xué)時/3.5學(xué)分4、先修課程：電路基礎(chǔ)、信號與系統(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)計方法和設(shè)計流程、仿真分析方法，以及模擬CMOS集成電路的最新研發(fā)動態(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)計奠定堅實的理論基礎(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》，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》（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》，[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)計奠定堅實的理論基礎(chǔ)。本課程主要介紹典型模擬CMOS集成電路的工作原理、設(shè)計方法和設(shè)計流程、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）針對典型模擬電路模塊，包括電流鏡、各種單級放大器、運算放大器、比較器、基準電壓與電流產(chǎn)生電路、時鐘信號產(chǎn)生電路、ADC與DAC電路等，重點介紹其工作原理、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)計方法；4）介紹模擬CMOS集成電路設(shè)計領(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)計方法和設(shè)計流程；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)計實驗》和《模擬集成電路版圖設(shè)計》課程，通過大量實踐，使學(xué)生初步具備模擬CMOS集成電路的設(shè)計和優(yōu)化、仿真驗證、版圖實現(xiàn)和測試評價的基本能力。課堂教學(xué)中，重點講解典型模擬CMOS集成電路的工作原理和設(shè)計方法，為學(xué)生今后從事模擬集成電路設(shè)計奠定堅實的理論基礎(chǔ)。同時，結(jié)合授課教師的科研實踐和國內(nèi)外最新研發(fā)動態(tài)，引入大量新穎和實用的模擬集成電路實例，以科研促進教學(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)計實驗》和《模擬集成電路版圖設(shè)計》課程緊密結(jié)合，使學(xué)生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，通過大量的設(shè)計實踐訓(xùn)練，進一步理解和鞏固所學(xué)理論知識，從而顯著提高學(xué)生的集成電路設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。本課程屬于集成電路設(shè)計的核心課程，是學(xué)生今后從事模擬集成電路、數(shù)字集成電路、混合信號集成電路、射頻集成電路設(shè)計需要具備的最基礎(chǔ)理論知識和設(shè)計能力。為此，在前8章的基礎(chǔ)部分，安排了大部分的課時，使學(xué)生能夠充分消化和吸收相關(guān)的理論基礎(chǔ)知識，為后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)打下扎實的基礎(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，拓展學(xué)生的知識面，進一步加深對所學(xué)知識的理解。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，具體安排如下：第1章緒論（4學(xué)時）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）2.1CMOS器件2.1.1物理結(jié)構(gòu)2.1.2電路符號2.1.3版圖設(shè)計2.1.4工作原理2.1.5大信號模型2.1.6二級效應(yīng)2.1.7小信號模型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、二級效應(yīng)、大信號特性、小信號模型、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章單級放大器（8學(xué)時）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電流鏡的小信號等效電路3.2共源極放大器3.2.1電阻負載共源放大器3.2.2二極管負載共源放大器3.2.3電流鏡負載共源放大器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)）、大信號特性、直流偏置方法、小信號特性、頻率特性；掌握各種單級放大器的性能特點和應(yīng)用場合；掌握電流鏡的結(jié)構(gòu)、工作原理以及大信號和小信號特性；掌握各種單級放大器的設(shè)計方法。第4章運算放大器（8學(xué)時）4.1差動放大器4.1.1電阻負載差動放大器4.1.2二極管負載差動放大器4.1.3電流源負載差動放大器4.1.4電流鏡負載差動放大器4.1.5差動放大器的頻率特性4.2運算放大器的構(gòu)成和實例4.3穩(wěn)定性和相位補償4.4運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4.6兩級運算放大器設(shè)計實例基本要求：掌握單極差動放大器的電路結(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、頻率特性和相位補償方法、性能指標、特性解析和測試方法；掌握普通兩級運算放大器的設(shè)計方法。第5章高性能運算放大器（6學(xué)時）5.1套筒式共源共柵運算放大器（TelescopicCascodeOPAMP）5.2折疊式共源共柵運算放大器（FoldedCascodeOPAMP）5.3高增益運算放大器（Gain-BoostingOPAMP）5.4軌對軌運算放大器（RailtoRailOPAMP）5.5全差動運算放大器（FullyDifferentialOPAMP）5.6微功耗運算放大器5.7輸出驅(qū)動級（OutputStage）5.7.1輸出級電路的類型5.7.2源極跟隨器輸出級5.7.3甲乙類共源輸出級5.7.4低功耗輸出級5.7.5運放的輸出電阻分析和仿真基本要求：掌握各種高性能運算放大器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理和性能特點；熟練掌握典型運算放大器的設(shè)計方法。第6章比較器（4學(xué)時）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)與電路實例6.3.1開環(huán)運放構(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)存儲技術(shù)6.5.2輸出失調(diào)存儲技術(shù)6.5.3改進的輸出失調(diào)存儲技術(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)計方法；了解如何提高比較器的動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)計方法。第7章基準電壓與電流（4學(xué)時）7.1基準電壓和電流的應(yīng)用場合7.2MOS管型基準源7.2.1MOS管型分壓電路7.2.2自偏置MOS管型基準源7.3二極管型基準源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具有負溫度系數(shù)的基準源7.3.3具有正溫度系數(shù)的基準源7.3.4帶隙基準電壓7.3.5高精度電流源7.4基準電壓調(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/負溫度系數(shù)電壓的產(chǎn)生方法；掌握典型的帶隙基準電壓產(chǎn)生電路的工作原理和設(shè)計方法；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；掌握典型的基準電流產(chǎn)生電路的工作原理和設(shè)計方法，掌握運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）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差動放大器8.4.6運算放大器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)計實例基本要求：了解噪聲的統(tǒng)計特性；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）；掌握單級放大器（含差動放大器）的噪聲特性和分析方法；了解低噪聲放大器的設(shè)計方法。第9章時鐘信號產(chǎn)生電路（4學(xué)時）9.1時鐘信號的應(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；掌握時鐘信號產(chǎn)生電路的性能指標及其分析方法；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)動態(tài)。第10章數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路（6學(xué)時）10.1ADC的基礎(chǔ)知識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；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)動態(tài)。四、思政育人課程思政育人目標：通過將集成電路的重要性、發(fā)展歷史、產(chǎn)業(yè)鏈特點和分工以及國內(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)生充分認識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)受制于人的被動局面，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷、全球視野和學(xué)習(xí)主動性，激勵學(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)生充分認識到建設(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)的成長實例（例如華為手機基帶芯片的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過程），讓學(xué)生體會到發(fā)展集成電路的艱巨性，同時對我國集成電路產(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、不斷進取、追求卓越、引領(lǐng)未來的意志和決心，同時引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生腳踏實地、一絲不茍、精益求精的科學(xué)精神。課程思政教學(xué)設(shè)計：課堂教學(xué)中，結(jié)合一些典型的集成電路芯片或器件，分析其在整機系統(tǒng)中的重要性，介紹近年我國企業(yè)實現(xiàn)國產(chǎn)替代的成功案例以及經(jīng)驗教訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識以及嚴謹科學(xué)的專業(yè)素養(yǎng)。五、各教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時分配章節(jié)章節(jié)名稱課內(nèi)講授學(xué)時課外自學(xué)學(xué)時備注第1章緒論42第2章CMOS元器件及其模型83第3章單級放大器83第4章運算放大器88第5章高性能運算放大器62第6章比較器42第7章基準電壓與電流42第8章電路噪聲43第9章時鐘信號產(chǎn)生電路42第10章數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路63合計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)生對模擬集成電路基礎(chǔ)知識的掌握程度以及集成電路的設(shè)計能力，在課程結(jié)束后進行。2、考核資格：學(xué)生必須按要求完成教師平時布置的課后作業(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)嚴重違紀現(xiàn)象（參照學(xué)校以及學(xué)院相關(guān)紀律要求），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)生獨立完成課后作業(yè)和設(shè)計實踐，嚴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算。4、各部分考核內(nèi)容所占比例：平時成績（含作業(yè)、報告、課堂出席情況）占20%，期末筆試