CMOS运算放大器和比较器的设计及应用 Roubik Gregorian pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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Roubik Gregorian 著

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• Roubik Gregorian
• 电路分析
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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030406224

商品编码：29659744531

包装：平装

出版时间：2014-07-01

基本信息

书名：CMOS运算放大器和比较器的设计及应用

定价：52.00元

作者：Roubik Gregorian

出版社：科学出版社

出版日期：2014-07-01

ISBN：9787030406224

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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《CMOS运算放大器和比较器的设计及应用》分为5章。章描述了参考源的基本原理以及模拟电路的基础知识；第2章分析了参考电流源的设计，包括基本的CMOSPTAT电路和复杂的biCMOS电流源；第3章在前两章的基础上，讲解了电压参考源的设计，包含了从零阶到高阶补偿电路的实现；第4章分析了高精度基准源设计的考虑因素，包括工艺偏差、负载效应和工作环境等；第5章从工程和应用的角度讨论了修调、版图设计和封装等对电路性能的影响。《CMOS运算放大器和比较器的设计及应用》内容全面，包含了从参考源设计的理论基础到工程实践的内容。分析深刻、实用性强，具有的指导意义。

目录

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章 引言
1.1 信号处理技术的分类
1.2 模拟MOS电路中运算放大器和比较器的应用实例
习题
参考文献
第2章 电路的基本器件——MoS晶体管
2.1 半导体
2.2 MOS晶体管
2.3 晶体管类型：衬底效应
2.4 MOS晶体管小信号工作状态和等效电路
2.5 弱反型区
2.6 碰撞电离
2.7 MOSFET晶体管的噪声
2.7.1 散粒噪声
2.7.2 热噪声
2.7.3 闪烁噪声(噪声)
2.8 CMOS工艺
习题
参考文献
第3章 CMoS模拟集成电路的基本模块
3.1 MOS工艺中的偏置电路
3.2 MOS电流镜和电流源
3.3 MOS增益级
3.4 MOS源极跟随器
3.5 MOS差分放大器
3.6 MOS放大器的频率响应
习题
参考文献
第4章 CMoS运算放大器设计
4.1 运算放大器
4.2 单级运算放大器
4.3 两级运算放大器
4.4 CMOS放大器的稳定性和频率补偿
4.5 CMOS运算放大器的动态范围
4.6 补偿CMOS运算放大器的频率响应、瞬态响应和摆率
4.7 CMOS运算放大器的噪声性能
4.8 全差分运算放大器
4.9 CMOS输出级
4.10 轨到轨共模输入范围运算放大器
习题
参考文献
第5章 比较器设计
5.1 比较器的电路模型
5.2 单端输出自动稳零比较器
5.3 差分比较器
5.4 滞回比较器
5.5 全差分比较器
5.6 锁存器
习题
参考文献
第6章 数模转换器设计
6.1 数模转换基本原理
6.2 电压型DAC
6.3 电荷型DAC
6.4 混合型DAC
6.5 电流型DAC
6.6 分段电流型DAC
习题
参考文献
第7章 模数转换器设计
7.1 模数转换基本原理
7.2 快闪型ADC
7.3 插值快闪型ADC
7.4 两级ADC
7.5 逐次逼近型ADC
7.6 计数型和跟踪型ADC
7.7 积分型ADC
习题
参考文献
第8章 工程考虑和设计实例
8.1 CMOS运算放大器设计中的工程考虑
8.2 运算放大器设计技术和设计实例
8.3 比较器设计技术和设计实例
习题
参考文献

作者介绍

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文摘

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序言

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模拟电路设计精要：深入理解运算放大器与比较器 这是一本关于模拟集成电路设计领域的深度探索之作，专注于运算放大器（Op-amp）和比较器（Comparator）这两类核心模拟电路单元的原理、设计考量以及实际应用。本书并非仅仅罗列公式和电路图，而是力求为读者提供一个全面而深入的理解框架，从基本概念出发，逐步剖析复杂的设计挑战，并最终引导读者掌握如何根据具体需求，设计出性能卓越、稳定可靠的模拟电路。 核心内容与结构： 本书的编写遵循逻辑递进的原则，旨在构建一个扎实的理论基础，并在此之上进行工程实践的延伸。 第一部分：模拟电路基础与运算放大器原理 集成电路制造工艺概述： 在深入讨论电路设计之前，我们首先需要了解电路是如何被制造出来的。本部分将简要介绍半导体制造的基本流程，包括晶圆制备、光刻、刻蚀、掺杂、金属化等关键步骤。重点将放在这些工艺参数（如沟道长度、氧化层厚度、器件阈值电压等）如何影响晶体管的电学特性，以及这些特性反过来如何制约模拟电路的设计。理解工艺的限制和特性，对于进行实际的电路设计至关重要，能够帮助工程师做出更切合实际的设计决策。 CMOS器件模型与特性： 深入剖析CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技术中的PMOS和NMOS晶体管的物理模型和电学特性。我们将详细探讨亚阈值区、线性区和饱和区的工作状态，分析跨导、输出电阻、结电容等关键参数，以及它们如何随工艺变量和工作电压的变化而变化。对于电压控制下的跨导（gm）和输出电阻（ro）的理解，是后续分析运算放大器性能的基础。此外，还将讨论沟道长度调制效应、体效应、短沟道效应等实际工程中不可忽视的非理想因素。 基本运算放大器结构： 介绍最基础的运算放大器拓扑，例如差分放大器（Differential Amplifier）。详细分析差分放大器的共模抑制比（CMRR）、差模增益、输入失调电压等基本性能指标的来源。在此基础上，将引入差分对的各种改进型结构，如电流镜负载（Current Mirror Load）差分放大器，分析其增益、输入阻抗、输出阻抗的提升，以及引入的共模反馈（Common-Mode Feedback）电路的重要性。 多级运算放大器设计： 随着对增益要求的提高，单级运算放大器往往难以满足需求。本部分将深入探讨多级运算放大器的设计原理，包括两级（Two-Stage）和三级（Three-Stage）运放的典型结构。重点分析如何组合不同功能的增益级（如跨导级、电压增益级）和输出级，以实现高增益、低功耗和优良的频率响应。在分析中，将详细阐述各级之间的偏置设计、输入/输出电容的加载效应以及频率补偿（Frequency Compensation）的必要性。 第二部分：运算放大器性能指标与设计优化 增益与带宽： 深入解析运算放大器的主要性能指标：DC增益（DC Gain）、单位增益带宽（Unity Gain Bandwidth, UGBW）和增益带宽积（Gain Bandwidth Product, GBP）。分析影响DC增益的因素，如晶体管的输出电阻、负载的灵敏度等。详细讲解单位增益带宽的定义，以及如何通过选择合适的偏置电流、跨导和负载电阻来提高带宽。同时，将探讨如何根据不同应用场景，权衡增益和带宽之间的取舍。 频率响应与稳定性： 频率响应是决定运算放大器动态性能的关键。本部分将详细讲解伯德图（Bode Plot）在分析运算放大器频率响应中的应用，识别主极点（Dominant Pole）、非主极点（Non-dominant Poles）和零点（Zeros）。重点阐述频率补偿技术，如极点分裂（Pole Splitting）补偿（例如使用密勒电容）、零点补偿（例如使用零点提升电路）等，以及这些补偿技术如何影响稳定性。引入相位裕度（Phase Margin）和增益裕度（Gain Margin）的概念，并给出计算和保证稳定性的方法，这是设计可靠模拟电路的基石。 噪声分析： 噪声是模拟电路的固有问题，对于低噪声设计至关重要。本部分将系统地分析运算放大器中各类噪声的来源，包括热噪声（Thermal Noise）、闪烁噪声（Flicker Noise，也称1/f噪声）、散粒噪声（Shot Noise）等。详细讲解如何计算输入参考噪声电压和电流，并介绍降低噪声的设计策略，例如选择低噪声器件、优化偏置电流、采用差分结构抑制共模噪声等。 功耗与电源抑制比（PSRR）： 功耗是影响集成电路性能和封装的关键因素。本部分将分析不同运算放大器结构对功耗的影响，并介绍低功耗设计技术，如使用亚阈值偏置、动态偏置等。电源抑制比（PSRR）是衡量电路抵抗电源纹波能力的重要指标。将详细分析正电源抑制比（PSRR+）和负电源抑制比（PSRR-）的产生机理，并给出提高PSRR的设计方法，例如使用差分结构、增加电源滤波等。 输入/输出特性与动态范围： 介绍运算放大器的输入共模范围（Input Common-Mode Range, ICMR）、输出电压摆幅（Output Voltage Swing）等重要参数，并分析它们如何受限于工艺和电路拓扑。动态范围（Dynamic Range）是信号能够被有效处理的范围，它受到输入失调、噪声和输出摆幅的共同影响。本部分将讲解如何评估和优化动态范围。 第三部分：比较器设计与应用 比较器基本原理： 介绍比较器的核心功能，即比较两个输入信号的大小并输出高低电平。深入分析比较器的基本结构，例如基于差分放大器和再生电路（Regenerative Latch）的结构。 比较器性能指标： 讲解比较器的关键性能指标，如传播延迟（Propagation Delay）、建立时间（Settling Time）、迟滞（Hysteresis）、共模抑制比（CMRR）、电源抑制比（PSRR）和输入失调电压等。重点分析传播延迟的来源（如跨导、负载电容、再生速度）以及如何优化。 比较器的高速设计： 针对高速应用，介绍提高比较器速度的设计策略，包括采用前馈（Feedforward）结构、优化再生电路（如交叉耦合晶体管）、减小寄生电容等。 迟滞与自举比较器： 详细讲解迟滞（Hysteresis）的作用，如何利用施密特触发器（Schmitt Trigger）原理引入迟滞以提高抗噪声能力，以及如何设计具有可调迟滞的比较器。介绍自举（Bootstrapping）技术在提高输入阻抗和动态范围方面的应用。 比较器的输出级设计： 分析不同输出级结构对比较器性能的影响，例如推挽输出（Push-Pull Output）、集电极开路输出（Open-Collector Output）和三态输出（Tri-State Output）。 比较器应用电路： 演示比较器在各种实际应用中的典型电路，例如： 电压比较器： 实现简单的电压阈值检测。 窗口比较器： 同时检测输入信号是否在两个预设的电压阈值之间。 过零检测器（Zero-Crossing Detector）： 检测信号穿过零点的瞬间。 函数发生器（Function Generator）： 利用比较器和积分器（Integrator）生成三角波、方波等。 脉冲整形器（Pulse Shaper）： 将不规则的脉冲信号转换为标准的方波。 模数转换器（ADC）中的应用： 介绍比较器在逐次逼近型ADC（SAR ADC）和闪速ADC（Flash ADC）中的核心作用。 第四部分：实际设计考量与进阶主题 工艺角（Process Corners）与温度效应： 强调在实际芯片设计中，必须考虑不同工艺角（如FF、SS、TT，分别代表快、慢、典型工艺）和工作温度下的性能变化。介绍如何进行跨角（Across Corners）仿真和设计，以保证电路在宽泛条件下的鲁棒性。 版图设计（Layout Design）考量： 介绍版图设计对模拟电路性能的重要性，包括匹配（Matching）、寄生效应（Parasitic Effects）、衬底噪声（Substrate Noise）耦合等。重点讲解如何进行器件匹配（如差分对的匹配）、接地设计（Grounding）、电源分配（Power Distribution）以及屏蔽（Shielding）以降低噪声。 设计自动化与仿真工具： 简要介绍主流的EDA（Electronic Design Automation）工具，如Cadence Virtuoso, Synopsys, Spectre, HSPICE等，以及它们在模拟电路设计流程中的作用。强调仿真（Simulation）在验证设计、优化性能和发现问题中的不可替代性。 低压/低功耗设计技术： 针对移动设备和物联网等低功耗应用场景，介绍一些先进的低压/低功耗设计技术，例如使用电荷泵（Charge Pump）、低压差分信号（LVDS）等。 本书的目标读者： 本书适合所有对模拟集成电路设计感兴趣的读者，包括但不限于： 在校本科生和研究生： 希望深入理解模拟电路原理，为毕业设计和进一步深造打下坚实基础。 初级模拟电路设计工程师： 希望系统学习运算放大器和比较器的设计方法，提升工程实践能力。 资深模拟电路设计工程师： 希望回顾和深化对基本概念的理解，接触更先进的设计理念和技术。 系统工程师和数字设计工程师： 希望了解模拟电路在系统中的作用和接口，与模拟设计团队进行更有效的沟通。 学习方法建议： 本书的设计理念是鼓励读者主动思考和动手实践。建议读者在阅读理论部分时，结合具体的电路图进行分析，尝试进行手工计算（Hand Calculation），并利用仿真工具（如SPICE）来验证理论结果，观察不同参数变化对电路性能的影响。每一章的最后，都可以尝试布置一些设计问题，促使读者将所学知识应用到实际的电路设计任务中。 通过对本书内容的系统学习，读者将能够全面掌握CMOS运算放大器和比较器的设计精髓，不仅能够理解现有电路的设计思路，更能够独立进行具有挑战性的模拟电路设计，满足日益严苛的应用需求。

评分☆☆☆☆☆

这本书，初拿到手，就被它扎实的厚度和印刷的质感所吸引。我对模拟电路，尤其是运算放大器的研究一直抱有浓厚的兴趣，市面上不乏介绍性的读物，但真正能深入到设计细节和底层原理的却凤毛麟角。我翻开前几页，就被作者那种直击核心的叙事方式所折服。它没有过多地停留在基础概念的简单罗列，而是迅速切入了复杂电路拓扑的剖析。特别是关于噪声分析和失真抑制的章节，作者的处理方式非常精妙，不仅仅是给出了公式，更重要的是阐述了在实际晶体管级别上，这些参数是如何相互制约、如何通过结构优化来获得最佳平衡点的。我感觉这不像是在阅读一本教科书，更像是在一位经验极其丰富的工程师的指导下，一步步搭建和调试一个高性能放大器。那种将理论与实践完美结合的叙事节奏，让人读起来酣畅淋漓，每读完一章，都会有一种豁然开朗的感觉，仿佛对“为什么这样设计”有了更深层次的理解，而不是停留在“就这样设计”的表面认知上。这本书对于想要从“会用”跨越到“精通”的工程师群体，无疑是提供了极其宝贵的路线图。

评分☆☆☆☆☆

从整体的知识体系构建来看，这本书展现出一种宏大而严谨的结构。它并非孤立地讨论运算放大器或比较器，而是将它们置于更广阔的系统背景下进行考量。例如，在讨论输入级设计时，作者立刻会引申到共模抑制比（CMRR）的实际应用，以及如何通过精确匹配的晶体管对来最大限度地提升这一指标，这远比那种孤立地讲解差分对的教科书式描述要深刻得多。更令人称道的是，作者似乎对不同技术代际之间的设计演进有着深刻的洞察。他会在讨论某个经典拓扑的同时，对比在新一代工艺下，由于栅氧电容变化和短沟道效应带来的设计挑战和相应的改进策略。这使得这本书的内容不仅对掌握当前主流技术有指导意义，也为读者未来应对工艺演进带来的设计变革做好了知识储备。它不仅仅是讲解“如何做”，更在引导我们思考“为什么是这样设计，以及未来可能如何改变”。

评分☆☆☆☆☆

我带着审视的目光进入了关于比较器设计的篇章，这部分内容常常是很多模拟IC书籍中相对薄弱的环节，往往只停留在理想化的阈值比较层面。然而，这本书的深度远超我的预期。它花了相当的篇幅去探讨高速比较器中至关重要的“锁存器（Latch）”的设计权衡，从跨耦合对的偏置电流到再生速率（Slew Rate）的极限控制，每一个细节都被剖析得淋漓尽致。我特别欣赏作者对于瞬态响应和亚稳态处理的论述，这正是高速系统中决定最终性能的关键。作者似乎毫不吝啬地分享了许多业内流传的“秘诀”，比如如何巧妙地利用电荷泵效应来加速锁存器的建立时间，以及在不同工艺节点下，选择合适的输入级架构以应对输入共模范围的挑战。读到这里，我感到这本书已经超越了纯粹的理论构建，它更像是一部实战手册，指导读者如何在高频、低功耗的约束下，打造出既稳定又快速的比较器，这种对工程实践的关注度，是极其罕见的。

评分☆☆☆☆☆

对于我个人而言，最受益匪浅的部分在于作者对“非线性”和“限制条件”的探讨。在理想化的电路模型中，所有元件都是线性的，但现实世界中的晶体管充满了各种复杂的非线性效应。这本书并没有回避这些难题，而是非常坦诚地剖析了饱和区、线性区和截止区切换时产生的各种寄生现象，比如关断延迟、瞬态电流毛刺等。在某些章节，作者甚至深入到了版图布局对寄生电感和电容的影响，虽然篇幅不长，但其重要性不言而喻，它提醒着读者，一个优秀的电路设计，必须从逻辑层面延伸到物理实现层面。这种将电路理论推向集成电路物理实现的视角，使得整本书的价值得到了极大的提升。它不再只是纸面上的公式堆砌，而是真正指导工程师如何交付一个可以在实际硅片上稳定运行、并满足严苛性能指标的器件。这本书无疑是一部值得反复研读、并在实际工作中随时翻阅的案头必备工具书。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图示质量，也值得大书特书一番。在复杂的模拟电路设计中，清晰的示意图是理解电路行为的生命线。这本书在这方面做得非常出色，无论是晶体管级别的开关网络图，还是系统级的方框图，都绘制得极其精确和直观。尤其是在讲解反馈回路和稳定性分析时，作者使用的伯德图和相频特性图，标注得异常详尽，不仅给出了数值计算的步骤，还直观地展示了极点和零点对系统瞬态响应的影响。我习惯于在阅读技术书籍时，随时准备笔和草稿纸进行推演，但这本书的很多推演过程，作者已经提前帮我们完成得非常详尽，甚至会预留出一些空白点让读者自己填充，这极大地提高了阅读的互动性和效率。它成功地在“填鸭式”灌输知识和“过于简略”留白之间找到了一个完美的平衡点，让读者既能跟上思路，又能保持独立思考的空间，读起来十分顺畅，减少了查阅其他参考资料的需要。