模拟集成电路设计 以LDO设计为例（原书第2版）

《模拟集成电路设计——以LDO设计为例》（原书第2版）进行了全面修订并扩充了大量内容，旨在满足新兴的混合信号系统需求。本书讲述了模拟集成电路设计的概念，并详细阐述了如何用这些概念来指导低压差线性稳压器（LDO）集成电路的设计、分析以及如何基于双极、CMOS和BiCMOS半导体工艺技术来构建LDO电路系统。本书十分重视对电路洞察力的培养，对提出的课题进行直观分析并得出结论。本书还展示了如何开发和评估针对当今日益增长的无线和移动市场应用的模拟集成电路芯片。另外，书中大量的实例和章末复习思考题帮助读者加深对这一前沿指导中所发展出的重要概念和技术的理解。 通过本书的学习，读者将学会如何： 1）评估供电电源系统； 2）预测并制定线性稳压器的性能指标以及其对电源、负载和工作条件变化的响应特性； 3）更好地利用半导体器件——电阻、电容、二极管和晶体管； 4）通过组合微电子元件设计电流镜、差动对、差动放大器、线性稳压器以及这些电路的变体； 5）闭合和稳定调整电压和电流的反馈控制环路； 6）设计可靠的偏置电流和电压基准电路； 7）确定模拟集成电路和模拟系统的小信号动态响应； 8）建立独立、稳定、无噪声和可预测的供电电压； 9）实现过电流保护、热关断、反向电池保护和ESD保护电路； 10）测试、测量和评估线性稳压器芯片。 

本书借由集成线性稳压器的设计，全面介绍了模拟集成电路的设计方法，包括固态半导体理论、电路设计理论、模拟电路基本单元分析、反馈和偏置电路、频率响应、线性稳压器集成电路设计以及电路保护和特性等。本书从面向设计的角度来阐述模拟集成电路的设计，强调直觉和直观、系统目标、可靠性和设计流程，借助大量的实例，向初学者介绍整个模拟集成电路的设计流程，并引导其熟悉应用，同时本书也适用于有经验的电源集成电路设计工程师，不仅能帮助他们对模拟电路和线性稳压器的理论有更深刻的理解，而且书中所呈现的线性稳压器的技术发展也可以给予他们很多启发，是一本难得的兼具实用性和学术价值的模拟集成电路和集成线性稳压器设计的教科书和参考书。

Gabriel Alfonso Rincón-Mora博士，1994～2003年供职于德州仪器公司，担任一个高级集成电路设计团队的领导。1999年Rincón-Mora博士受聘为佐治亚理工学院的兼职教授，并在2001年受聘为全职教授，自2011年起，受聘为台湾成功大学的客座教授。他是IEEE和IET院士，同时也是38项专利的发明人/共同发明人和超过160篇论文的作者/共同作者。Rincón-Mora博士已经写过8本著作，成功设计26余款商用电源芯片，并且获得了多项奖励。目前他主要致力于利用微型电池和环境能量为无线和移动设备供电的集成电路系统的研究。

目 录译者序原书前言作者简介第1章电源系统11.1电源管理中的稳压器11.2线性稳压器和开关稳压器的对比21.2.1响应时间的折中31.2.2噪声41.2.3功率转换效率41.3市场需求51.3.1系统51.3.2集成61.3.3工作寿命61.3.4电源净空71.4电源81.4.1早期电池81.4.2锂离子电池91.4.3燃料电池91.4.4核能电池101.4.5能量收集器101.5计算机仿真111.6总结121.7复习题13第2章线性稳压器142.1工作区域142.2性能指标152.2.1精度152.2.2功率转换效率252.2.3工作要求272.2.4品质因子292.3工作环境302.3.1负载312.3.2稳压点322.3.3寄生效应332.4分类342.4.1输出电流342.4.2压差342.4.3补偿342.4.4类别352.5模块级构成362.6总结372.7复习题38第3章微电子器件393.1电阻393.1.1工作原理393.1.2寄生元件403.1.3版图403.1.4精度和相对精度423.2电容433.2.1工作原理433.2.2寄生元件443.2.3版图453.2.4精度和相对精度453.3PN结二极管463.3.1工作原理463.3.2寄生元件493.3.3版图和匹配503.3.4小信号模型523.4双极型晶体管（BJT）533.4.1工作原理533.4.2纵向BJT563.4.3横向BJT573.4.4衬底BJT583.4.5小信号模型593.5金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）613.5.1工作原理613.5.2寄生电容663.5.3P沟道MOSFET673.5.4晶体管变化673.5.5版图和匹配693.5.6小信号模型713.5.7MOS电容733.5.8沟道电阻733.6结型场效应晶体管(JFET)733.6.1工作原理733.6.2P沟道JFET753.6.3大信号模型753.6.4版图和匹配763.6.5小信号模型763.6.6相对性能783.7精度和相对精度783.8总结793.9复习题80第4章单晶体管基本单元824.1二端口模型824.2频率响应834.2.1极点844.2.2零点854.2.3米勒分裂874.2.4电容-分流-电阻法884.3信号流894.3.1输入和输出894.3.2极性894.3.3单晶体管基本单元904.4共发射极/共源极跨导器904.4.1大信号工作904.4.2小信号模型914.4.3频率响应934.4.4发射极/源极负反馈954.5共基极/共栅极电流缓冲器994.5.1大信号工作994.5.2小信号模型1004.5.3频率响应1034.5.4基极负反馈1044.6共集电极/共漏极电压跟随器1044.6.1大信号工作1044.6.2小信号模型1054.6.3频率响应1084.7小信号概括和近似1094.7.1功能1094.7.2电阻1104.7.3频率响应1124.8总结1134.9复习题114第5章模拟电路基本单元1155.1电流镜1155.1.1工作原理1155.1.2小信号模型1185.1.3带基极电流校正的电流镜1195.1.4电压校正共源共栅/共射共基（Cascode）电流镜1205.1.5低电压Cascode电流镜1215.2差动对1235.2.1大信号工作1245.2.2差分信号1255.2.3共模信号1275.2.4发射极/源极负反馈1285.2.5CMOS差动对1295.3基极/栅极耦合对1305.3.1大信号工作1305.3.2小信号响应1325.3.3输入参考失调和噪声1345.4差动级1365.4.1大信号工作1375.4.2差分信号1385.4.3共模信号1405.4.4输入参考失调和噪声1435.4.5电源抑制1455.4.6折叠式Cascode1475.5总结1515.6复习题152第6章负反馈1546.1反馈环路1546.1.1环路构成1546.1.2调整1556.1.3输出转化1566.2反馈效应1566.2.1灵敏度1566.2.2阻抗1576.2.3频率响应1606.2.4噪声1626.2.5线性度1636.3负反馈结构1666.3.1跨导放大器1666.3.2电压放大器1676.3.3电流放大器1686.3.4跨阻放大器1696.4分析1706.4.1分析过程1706.4.2叠加器1736.4.3采样器1746.4.4跨导放大器1756.4.5电压放大器1796.4.6电流放大器1836.4.7跨阻放大器1886.5稳定性1936.5.1频率响应1936.5.2补偿1956.5.3反相零点2006.5.4嵌入式环路2026.6设计2026.6.1设计概念2026.6.2系统结构设计2036.6.3频率补偿2046.7总结2046.8复习题205第7章偏置电流和基准电路2077.1电压基元2077.2PTAT电流2087.2.1交叉耦合四管单元2097.2.2锁存单元2107.3CTAT电流2137.3.1电流采样BJT2147.3.2电压采样二极管2147.4温度补偿2157.4.1带误差补偿的BJT电流基准源2167.4.2基于二极管的电流基准源2177.4.3带误差补偿的基于二极管的电流基准源2187.5启动电路2187.5.1连续导通启动电路2197.5.2按需导通启动电路2207.6频率补偿2227.7电源噪声抑制2237.8带隙电流基准源2247.8.1基于BJT的带隙电流基准源2247.8.2基于二极管的带隙电流基准源2257.9带隙电压基准源2267.9.1电流-电压转换2267.9.2输出电压调整2277.10精度2307.11总结2317.12复习题232第8章小信号响应2348.1小信号等效电路2348.2无补偿时的响应2368.2.1相关电容和电阻2368.2.2环路增益2368.3频率补偿2398.3.1输出端补偿2408.3.2内部补偿2428.4电源抑制2458.4.1分压器模型2468.4.2馈通噪声2478.4.3米勒电容2538.4.4分析2558.4.5结论2618.5补偿策略对比2618.6总结2628.7复习题264第9章集成电路设计2659.1设计流程2659.2功率晶体管2669.2.1备选方案2669.2.2版图2699.3缓冲器2769.3.1驱动N型功率晶体管2769.3.2驱动P型功率晶体管2789.3.3版图2909.4误差放大器2909.4.1净空2919.4.2电源抑制2949.4.3输入参考失调2969.4.4版图2999.5总结3079.6复习题309第10章线性稳压器31010.1低压差稳压器31010.1.1输出端补偿的PMOS稳压器31010.1.2米勒补偿的PMOS稳压器31410.2宽带稳压器31810.2.1内部补偿的NMOS稳压器31910.3自参考稳压器32210.3.1零阶温度无关性32210.3.2温度补偿32310.4性能增强33010.4.1功率晶体管33010.4.2缓冲器33310.4.3环路增益33510.4.4负载调整率33610.4.5负载突变响应33910.4.6电源抑制34010.5电流调整34310.5.1电流源34310.5.2电流镜34410.6总结34710.7复习题347第11章保护与特性34911.1保护34911.1.1过电流保护34911.1.2热关断35311.1.3反向电池保护35511.1.4静电放电保护35611.2特性35811.2.1模拟负载35911.2.2调整性能36011.2.3功率性能36611.2.4工作要求36811.2.5启动37011.3总结37111.4复习题371

原 书 前 言 我写作本书第1版的初衷是为了介绍、讨论并分析怎样设计、仿真、构建、测试和评估线性低压差（Low DropOut，LDO）稳压器集成电路。LDO稳压器集成电路在现代生活和新兴的应用中起到了重要的作用，并且随着片上系统（SoC）集成需求的不断增大，在持续推动已有市场的同时，开创出更多新市场，这些因素构成了写作本书第1版的动力。事实上，由于噪声的普遍性，输入信号的未知性，以及功能负载要求负载点（Point of Load，PoL）稳压器消耗极少的功率就可以产生精确且快速响应的电源电压，因此，现在不包含功率调整特性的传统混合信号芯片必须将系统和PoL电源整合在一起。在稳压器选择方面，由于开关稳压器的输出包含了大量噪声，而这是不能容忍的，因此线性稳压器在模拟和混合信号芯片中占据了重要地位。 然而，对于线性稳压器的教学，若没有相关模拟集成电路基础的介绍，将是不完整的。因此，与业界流行书籍的写作方式类似，本书也介绍模拟集成电路的基本理论，但是本书将从模拟集成电路直观、面向设计的角度来介绍模拟集成电路设计，我认为这在设计芯片时是非常有用和必要的。该理念是，不需要借助于工具书上的公式（这些公式的成立前提并非总是适用，特别是在开发新技术时），对预测半导体器件的各自特性和在电路中的组合特性有必要的认识。当然，具备了这样的洞察力，读者将可能具备重现和验证教科书上已有的公式和理论的能力。 关于本书第2版 本书第2版旨在扩充、提高和更新第1版的描述，以使概念和研究进展更加清晰和深刻。从很多角度来看，本版都是一本全新的书。首先，我重组了章节并重写了内容，同时更新了几乎全部的公式和图标，增加了实例和思考题，并几乎在每个章节都增加了新的内容。此外，本书还包括关于偏置电流和基准电路的一个章节，像大部分的模拟系统一样，线性稳压器必须依靠它们才能被唤醒和正常工作。 举例来说，第1版的第1章，在本版中被分为两个部分：一个部分介绍电源系统；另一部分更具体地介绍线性稳压器。类似地，第3章也被分为两个部分：一个部分介绍单晶体管基本单元；另一部分介绍模拟电路基本模块。第1-3章中新的内容包括带宽延时、品质因子、开放式设计变量、偏置点、小信号、和相对精度，以及金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）中的亚阈值、弱反型、MOS电容和沟道电阻等内容。第4章和第5章中新的内容包括二端口模型、频率响应、信号流、信号延时、增益分析、直接转换、基极退化、基极/栅极耦合差分对和折叠式共源共栅放大器等，其中包括关于转换速度、电源抑制、输入参考失调和噪声的讨论。 除了一些基本概念之外，第6章中关于负反馈的描述完全是新的。关于灵敏度、频率响应、噪声、线性度、反馈结构、嵌入式和并行式反馈环的内容都是新的，同时本章还介绍了13个反馈实例，并对负反馈环路的设计进行了深入解析。第7章也是新章节，内容包括带隙电路中的正温度系数（Proportional To Absolute Temperature，PTAT）和负温度系数（Complementary To Absolute Temperature，CTAT）电流、温度补偿、启动、频率补偿和噪声抑制。第10章和第11章介绍了电源抑制性能提高技术和基准电压修调技术。 目标读者 本书从线性稳压器的角度，借助大量的实例，向初级微电子工程师介绍了整个模拟集成电路的设计流程，并引导其熟悉应用。同时，本书也可以对几乎没有线性稳压器和集成电路设计概念的电力电子领域模拟电路工程师起到启蒙引导作用。当然，本书也适用于有经验的电源集成电路设计工程师，相信本书不仅能帮助他们在回顾模拟电路和线性稳压器的理论时有更深刻的理解，而且能从的线性稳压器的技术发展中得到启发和激励。 组织 本书分为11个章节。第1章和第2章类似于产品定义阶段（但是以更偏向学术的方式），这个阶段，半导体公司通过定义产品的作用和工作目标来评估设计工作的难度，在此处，针对的是线性稳压器。然而，在承担某项设计工作之前，一个没有经验的工程师必须在模拟集成电路设计领域得到适当的训练，这也是第3-7章讨论的内容，即固态电子学理论和器件、单晶体管基本单元、模拟电路基本模块、负反馈和偏置电路。有了这些背景知识，第8章又回到了线性稳压器，更具体地介绍了线性稳压器的小信号响应，这对应于原型开发周期的第二阶段，在此阶段，设计者可以运用第3-6章中讨论的电路和反馈理论着手设计系统，以满足第1-2章提出的要求。 第9-10章结合第3章的器件知识、第4-6章的电路理论和第8章的补偿策略设计实际的稳压器电路，首先是第9章器件级设计，然后进入第10章系统级设计。从设计者的角度来看，因为所有的模拟电路的设计训练以及芯片设计都会重点关注这部分内容，所以这两章就是开发流程的重点。本书的后一章即第11章讨论集成电路的保护和特性，这也是产品设计周期的后两个步骤。整体来看，本书是一个自顶向下再到顶（Top-Down-Top）的设计实例，全书从抽象视角开始系统分析，然后进入器件级进行基础分析，之后逐渐上升到电路设计，后再到系统设计，但终设计以晶体管级的形式实现。 初级工程师可以按照顺序学习本书全部11章的内容，回顾整体设计流程，充分学习模拟集成电路设计；也可以只看特定的章节以加强对特定模拟电路设计原则的理解，比如第3-7章关于器件、电路、反馈与偏置，第1-2章和第8-10章关于线性稳压器集成电路，第11章关于保护与特性。对于一个几乎未涉足过稳压器设计领域但有一定经验的模拟电路设计工程师，可以不需要回顾基本模拟电路原理，直接参考第1-2章和第8-11章学习稳压器的特定知识。另外，资深稳压器芯片设计者也可以通过第1-2章和第8-11章加深对现有技术的理解，同时在第3-7章中回顾模拟集成电路的设计原则。 为了方便读者找到目标章、节和小节，我尽量使每一章都独立，将我认为彼此相关联的内容放在一起，且针对特定内容划分小节、合理命名。希望通过这样的方式，工程师们可以更容易地找到他们感兴趣的部分，并且通过内容导航到相关章节。 关于写作 总体而言，本书全面介绍了模拟集成电路的设计方法，包括固态半导体理论、电路设计、模拟电路基本模块分析、反馈概念与偏置电路、频率响应、集成电路设计以及电路的保护与特性。与其他模拟电路书籍不同的是，本书强调模拟集成电路设计直观，并将其应用于基准电路和线性稳压器的设计。本书呈现的风格、形式和思想方式是我在该领域超过20年的设计经验的总结：作为一个模拟集成电路设计师，开发了多款商用电源微电子芯片；作为教授和研究员，在电源和能量调节集成电路领域引领当前的技术发展。 从工业界的角度，我发现了设计的艺术和产品开发的价值，因此，本书强调直觉和直观、系统目标、可靠性和设计流程。作为一个学者，我坚持学习教学展示的艺术，理解技术深度的价值，跳出惯性思维的束缚。因此读者会在本书中发现，我试图呈现一个兼具实用性和学术价值的模拟集成电路和线性稳压器集成电路设计方法。毋庸置疑，我还有许多东西需要学习，尽管如此，希望我对本书的付出和对该领域的贡献能够赢得广大读者的充分支持，并希望读者对于书中的不足、矛盾和不准确描述给予谅解。 Gabriel Alfonso Rincón-Mora博士