微电子与集成电路的发展日新月异，已成为当今全球产业界的重要增长点和学术界的最活跃研究课题之一。随着CMOS集成电路制造工艺的进步和晶体管特征尺寸的不断减小，集成电路从早期的数字或模拟专用集成电路（application specific integrated circuit，ASIC），发展到超大规模集成电路（very large scale integration，VLSI）以及系统芯片（system on chip，SoC），再到目前的混合信号SoC（mixedsignal SoC），单颗芯片的功能愈加强大，性价比不断提高，可极大地提升系统的整体性能和降低系统成本。

在目前的混合信号SoC中，除了微处理器、存储器、数字处理单元和外部接口外，还集成了高性能模拟电路、射频（RF）电路以及电源电路等。由于数字集成电路具有精度高、功耗低和设计灵活的特点，采用标准的数字电路实现复杂的模拟电路功能已经成为趋势。另外，在A/D转换器、锁相环（PLL）和RF电路等混合信号电路中，采用各种数字校准技术来校正和补偿模拟电路的误差，即将模拟电路设计中难以克服的精度问题转移到数字领域中解决，这种方法称为“数字辅助模拟（digitally assisted analog）”技术。尽管数字集成电路可以完成许多模拟信号处理的功能，但模拟集成电路在混合信号SoC中仍然起着非常重要的作用，实践证明它们的功能是无法用数字集成电路完全代替的，而且随着各种复杂高性能混合信号SoC的不断出现，高性能模拟集成电路所起的作用更加重要，其应用领域也更加广泛（详见本书第1章）。

由于CMOS工艺具有低功耗、低成本等优点以及数模混合信号SoC的单片集成需要， CMOS工艺已成为制造模拟集成电路或数模混合信号SoC的主流工艺。因此，本书主要讨论CMOS模拟集成电路的原理和设计。目前，CMOS集成电路制造工艺已进入深亚微米和纳米阶段，电源电压相应降低，这对设计高速高精度模拟集成电路带来了极大的挑战。这是由于，模拟集成电路所处理的信号幅度是连续变化的，任何混入系统的噪声和系统的非线性特性所引起的信号失真都直接造成模拟信号的幅度误差，随着电源电压的进一步降低，信噪比将显著减小。另外，模拟集成电路通常消耗整个系统或芯片的绝大部分功耗和面积。因此，在模拟集成电路设计中，通常需要关心精度（增益和信噪比）、功耗、面积、速度、稳定性以及电源电压等性能指标，而通常这些指标是互相矛盾的，必须在它们之间进行折中或优化。

就设计方法学而言，数字集成电路可利用标准模块实现自动综合和布局布线，而模拟集成电路目前还只能依靠设计工程师的“手工设计”，包括电路和版图设计，因为模拟集成电路模块的标准化困难重重，远未达到实用的程度。另外，模拟集成电路的特性与制造工艺密切相关，而数字集成电路的特性与制造工艺的依赖性则相对较小。因此，作为一名优秀的模拟集成电路设计工程师，应该能够定性地分析理解复杂电路的工作原理； 定量地估算电路的各种主要性能和重要参数； 对半导体制造工艺和元器件特性有充分的了解； 能够不断发明新的电路结构。本书作为教材，只能介绍基本的模拟集成电路设计知识，而为了具备以上素质，需要读者亲身参与大量的工程项目设计，不断积累经验（包括电路、版图和工艺方面的经验），通常一名优秀的模拟集成电路设计工程师需要具备5~10年以上的工程设计经验。

当前，我国集成电路设计人才的数量和质量都远远不能满足国民经济发展的需要。但相对而言，数字集成电路设计工程师较多，模拟集成电路设计工程师较少，而射频集成电路设计工程师则稀缺。这是因为相对数字集成电路设计而言，模拟和射频集成电路设计需要不断地积累经验和电路创新。

本教材是作者结合自己多年的科研实践，在参考国内外同类教材的基础上，精心编著而成的。教材结合现代CMOS工艺的发展，从元器件出发，详细分析了各种典型模拟CMOS电路的工作原理和设计方法，对模拟CMOS集成电路的研究和设计具有学术和工程实用价值。

全书共分10章。第1章绪论，主要介绍了模拟集成电路的功能及其应用领域，以及模拟与数字集成电路的比较和模拟集成电路的设计流程。通过本章的学习，读者可以了解模拟集成电路在系统中所起的作用以及它与数字集成电路的区别。

第2章元器件及其模型，介绍了现代模拟CMOS集成电路设计中用到的各种有源及无源器件的工艺实现方法、工作原理以及模型。作为优秀的模拟集成电路设计者，只有深入地掌握了各种器件的工作原理和特性后，才能设计出高质量的模拟集成电路。由于CMOS模拟集成电路的工艺变化较大，通过本章的学习，可以帮助读者在今后的具体电路设计中掌握所采用工艺和器件的特性。

第3章单级放大器，介绍了五种典型的单级放大器，包括共源、共栅、共漏、共源共栅和差动放大器。这些单级放大器是模拟集成电路中的经典“标准模块”（类似于数字集成电路中的门电路），深入理解它们的工作原理对读者今后设计更复杂的电路或发明新的电路结构是非常有益的，同时也可供工程师在工程设计中参考。

第4章运算放大器，介绍了各种运算放大器的工作原理和特性，包括典型的两级运算放大器以及各种高性能运算放大器。运算放大器在模拟集成电路中应用最为广泛。通过本章的学习，读者可以亲自动手设计一个运算放大器。随着CMOS工艺的微细化和复杂混合信号SoC的发展，各种低压、低功耗运算放大器将会不断涌现。

第5章基准电压与电流，介绍了产生基准电压和电流的典型电路，它们主要用于给各种模拟集成电路（例如，放大器、A/D和D/A变换电路

、时钟信号产生电路等）提供稳定的直流电压或电流。同时，在混合信号SoC中，也需要各种基准电压或电流源。

第6章噪声，首先分析了电阻、场效应管和二极管的器件噪声模型，介绍了热噪声、散粒噪声和闪烁噪声； 然后讨论了第3章和第4章中介绍的共源、共栅、共漏、共源共栅、差动放大器和运算放大器等基本单元电路的噪声性能； 最后以光纤通信系统中的前置放大器为例，分析了其噪声性能，给出了具体电路设计指导。

第7章开关电容电路，首先介绍了用开关电容实现电阻的基本原理，然后介绍了开关电容电压放大器，分析了具有失调电压补偿功能的开关电容电压放大器电路。接着介绍了开关电容积分器电路，重点讨论了对寄生电容不敏感的开关电容积分器电路。最后还讨论了采用开关电容电路实现滤波器的方法，并给出了工程设计实例。

第8章数据转换器，以DAC和ADC为代表的数模混合电路在整个信号处理过程中起着十分重要的作用。本章分别介绍了DAC、ADC和过采样转换器的工作原理以及它们的结构类型，并从应用的角度对各种结构的优缺点进行了分析与比较。

第9章振荡器，首先介绍了振荡器的类型，然后研究了振荡器的起振条件。对CMOS集成振荡器中的两种主要类型——环形RC延时振荡器和LC选频振荡器进行了重点分析，分别介绍了这两种振荡器的工作原理，总结了RC压控振荡器的几种延时方法，

举例分析了LC压控振荡器的相位噪声改进方法。

第10章锁相环，锁相环在电子学和通信领域中具有广泛的应用。首先介绍了锁相环的基本概念与特性，分析了锁相环的各单元模块的线性模型，然后推导了基本类型的锁相环和电荷泵锁相环的线性模型。还对锁相环的跟踪与捕获特性进行了分析，最后分析了锁相环电路中两种主要的噪声源——输入噪声和VCO噪声对锁相环噪声性能的影响。

每章后面的习题，可供读者自己练习，通过做习题，可以帮助读者进一步理解本书的内容，同时习题中给出了大量的经典电路，供读者参考，以扩展视野。

本书可供微电子与集成电路专业的研究生以及高年级本科生作为教材使用（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和信号方面的基础知识，如果读者还具备半导体物理方面的知识，则更容易理解本书的内容。

本书的第1~5章由西北工业大学的魏廷存教授编写，第6~7章由东南大学的陈莹梅教授编写，第8~10章由南京邮电大学的胡正飞教授编写。清华大学的张建人教授审阅了本书的全部内容，并提出了非常有益的建议和修改意见，在此，作者向张建人教授表示衷心的感谢和崇高的敬意。

参加本书编写和整理工作的还有西北工业大学的李博、郑然、刘伟、王佳、仇岩、郭振华、王雷以及韩峰，东南大学的王涛、阎双超。清华大学出版社的陈志辉编辑在本书的出版和编辑过程中付出了非常辛勤的劳动。在此，作者向他们表示衷心的感谢。

本书的编写虽然持续两年多的时间，但仍可能存在不足和不妥之处，非常真诚地欢迎各位读者提出宝贵建议和意见，力争在本书的第二版中给以修改和补充。

编著者

2009年7月