模擬集成電路

模擬集成電路 ^[1]  主要是指由電容、電阻、晶體管等組成的模擬電路集成在一起用來處理模擬信號的集成電路。有許多的模擬集成電路，如運算放大器、模擬乘法器、鎖相環、電源管理芯片等。模擬集成電路的主要構成電路有：放大器、濾波器、反饋電路、基準源電路、開關電容電路等。模擬集成電路設計主要是通過有經驗的設計師進行手動的電路調試，模擬而得到，與此相對應的數字集成電路設計大部分是通過使用硬件描述語言在EDA軟件的控制下自動的綜合產生。

1958年,傑克·基爾比在鍺材料上用5個元件實現了一個簡單的振盪器電路，成為世界上第一塊集成電路。這一發明揭開了20世紀信息革命的序幕，標誌着電子時代的到來。隨着以計算機和通信技術為代表的高科技產品在國防科技、工業生產和日常生活中越來越廣泛的應用，以集成電路為代表的微電子產業也進入了一個前所未有的發展階段。

集成電路(簡稱IC)按其功能、結構的不同，可以分為數字IC和模擬IC兩大類。數字IC用來產生、放大和處理各種數字信號(指在時間和幅度上離散變化的信號。例如VCD、DVD重放的音頻信號和視頻信號)的電路。模擬IC是用來產生、放大和處理各種模擬信號(指幅度隨時間連續變化的信號)的電路，是微電子技術的核心技術之一，能對電壓或電流等模擬量進行採集、放大、比較、轉換和調製。

在信息技術中，數字集成電路是主角，其處理對象是以數字信號承載的信息，而數字信號在時間、量的方面是取離散值的。但是自然界的信號在時間和量方面的變化是連續的，比如風聲、水流量等，這樣的信號稱為模擬信號（Analog Signal），相應地，處理模擬信號的電路稱為模擬電路，而用來處理模擬信號的集成電路則稱為模擬集成電路。顯然數字電路是無法直接跟自然界打交道的，只是為了處理或傳輸的方便，為了充分利用數字系統的優點，把模擬信號先轉換為數字信號，輸入到大容量、高速、抗干擾能力強、保密性好的現代化數字系統處理後，再重新轉換為模擬信號輸出。

集成電路的主角是晶體管，模擬集成電路也不例外，只是其利用的是晶體管的放大作用，而數字集成電路則是利用晶體的開關作用。早期的模擬集成電路大都使用雙極型晶體管，由於CMOS工藝的成熟，克服了早期CMOS電路速度較慢的缺點，並且有着功耗低和工藝升級換代方便的優點（CMOS的等比例縮小），如今模擬集成電路和數模混合集成電路（數字電路和模擬電路集成在一起）也常用CMOS來設計和實現了。 ^[2] 

模擬集成電路的基本電路包括電流源、單級放大器、濾波器、反饋電路、電流鏡電路等，由它們組成的高一層次的基本電路為運算放大器、比較器，更高一層的電路有開關電容電路、鎖相環、ADC/DAC等。根據輸出與輸入信號之間的響應關係，又可以將模擬集成電路分為線性集成電路和非線性集成電路兩大類。前者的輸出與輸入信號之間的響應通常呈線性關係，其輸出的信號形狀與輸入信號是相似的，只是被放大了，並且按固定的係數進行放大的。而非線性集成電路的輸出信號對輸入信號的響應呈現非線性關係，比如平方關係、對數關係等，故稱為非線性電路。常見的非線性電路有振盪器、定時器、鎖相環電路等。模擬集成電路的典型應用如下圖所示，輸入温度、濕度、光學、壓電、聲電等各種傳感器或天線採集的外界自然信號，經過模擬電路預處理後，轉為合適的數字信號輸入到數字系統中；經過數字系統處理後的信號再通過模擬電路進行後處理，轉換為聲音、圖像、無線電波等模擬信號進行輸出。

如圖1所示。

相對於數字集成電路基於標準單元庫使用EDA工具軟件進行自動化設計的方法，模擬電路卻保留了人工設計的方法，當然也有大量的電路畫圖和仿真軟件工具，和一些成熟的電路單元可以使用，但是要設計出好的模擬集成電路，更多的是依靠設計者的經驗。因為模擬電路要考慮的因素更多，除了數字集成電路關注的速度、功耗和麪積之外，還需要考慮增益、精度等性能指標，考慮噪聲、串擾、温度、器件非線性度等對性能的影響。 ^[3] 

模擬IC的使用一直以消費類電子產品為主，這幾年一直保持穩定增長。據Databeans公司對模擬IC市場調研報告顯示，全球模擬市場從2003年～2009年複合增長率為12%。這個數字要高出其它產品的增長率。這也預示着高性能模擬市場在今後的一段時間裏發展潛力巨大。在美國半導體工業協會( SIA )的市場統計中也有數據顯示，在未來的2～3年發展中，模擬市場的發展將快速超越數字市場。模擬器件將成為市場及產品數字化時代的模擬集成電路應用的主流。

模擬IC主要應用於在電子系統中執行對模擬信號的接收、混頻、放大、比較、乘除運算、對數運算、模擬-數字轉換、採樣-保持、調製-解調、升壓、降壓、穩壓等功能。電路形式有數據轉換器(如A /D轉換器、D /A轉換器等)、運算放大器、大器、寬帶放大器等)、非線性放大器(模擬乘法器、數/反對數放大器等)、多路模擬開關、(線性調壓器、開關電源控制器等)、智能功率各類專用IC。模擬IC在其設計和工藝技術的發展過程中，形成了具有自身特點的設計思想和工藝體系;在技術發展水平、產品種類、限度地滿足了信息化技術的需要;其應用已滲透到各個領域，在現代軍、民用電子系統中，模擬了重要角色;在信息化的各種場合，都離不開高性能的模擬IC，模擬IC性能水平的高低常常決定着電子產品或系統的水平高低。

在器件方面,由於應用對模擬IC的要求千差萬別,，因此在器件方面，不僅開發出十餘大類的模擬IC產品，而且對各類模擬數百、數千種產品，產品種類和性能水平應有盡有，可滿足應用的不同需要。

其中，數據轉換器是模擬和數字混合信號處理電路，它的模擬電路部分佔芯片面積的50%以上。早在1986年美國的Gray教授就提出用所謂“雞蛋模型”，形象地表示了數字IC、模擬IC以及模擬/數字轉換(A/D)電路、數字/模擬轉換(D/A )電路間的關係。他把數字IC比作蛋黃，模擬IC比作蛋殼，而A/D和D/A轉換電路自然就成了連接二者的蛋清。可見，三者是一個有機整體，現實世界的非物理信號可以通過模擬電路以及A /D轉換電路轉換成數字信號加工處理，再由D /A轉換電路和模擬電路才能轉化為我們能感知的模擬信號。在數據轉換器方面，8～14位1～80 MHz高速A/D技術已很成熟，產品充足，也可見到16位以上30MHz以上的A/D轉換器產品。同時在A/D轉換器中不僅出現集成了多種功能的模擬IC，如多路轉換器、儀器放大器、採/保放大器等A /D轉換器子系統，而且還將不斷把其它模擬IC和各種數字電路如DSP、存儲器、CPU、I/O等集成在一起。美國模擬器件公司2006年發佈了業界首款採用3 mm ×3 mm 10引腳LFCSP(引腳架構芯片級封裝)超小型封裝的16 bit四數模轉換器(DAC) ，從而滿足了工業和通信設計尺寸不斷減小的需求————這項技術開發將節省高達70%以上的印製電路板面積。

在射頻放大器方面，正採用SiGe雙極技術，以滿足應用的高性能要求。放大器正應用於各種手持式通信設備中，要求功耗低。ADI (美國模擬器件公司)的高性能放大器系列(如AD8350工作頻率達到1 200MHz，在250MHz時噪聲係數為6. 1dB，具有很高的動態範圍、較好的線性度和共模抑制)，可有效地應用於通信收發射機、通用增益放大系統、A /D緩衝器、高速數據接口驅動器等。AD I日前發佈首款AD8352，能夠有效驅動無線基礎設施系統的高速模數轉換器(ADC) ，並達到超低失真性能。AD8352作為ADI擴展種類系列的最新成員，適合於驅動下一代3G和4G蜂窩、寬帶WiMAX無線基礎設備中使用在最高實際中頻( IF)條件下的12bit～16bit ADC，驅動高速ADC達380MHz，超過同類差分放大器能達到的100MHz，具有保持優越性能的能力。

電壓調節器方面，AD I推出的接收機IF子系統AD6121中集成了電壓調節器，它是一種動態範圍很寬的IF放大器，是專門為CDMA (碼分多址)系統應用設計的，可適用於2. 9V～4. 2V的電池電源工作。Motorola推出的電壓調節器系列，開關電流低，噪聲低，靜態電流極小，可在電池電源的額定電壓下降到0. 2V以內都能調整，很適合電池供電系統如蜂窩電話、無繩電話及長壽命電池供電的射頻控制系統應用。

當今電子產品層出不窮、爭奇鬥豔的根本原因，與其説是數字計算技術的飛速提高，不如説是模擬技術推陳出新的結果。小巧、省電、娛樂、方便..能夠滿足消費者這些要求的，正是模擬技術。所以，模擬技術造就了不同特色和檔次的電子產品，也為整個電子工業不斷創造着新的需求。因此，只有模擬技術才可令電子產品具有獨特的個性，突顯自己的特色。 ^[4] 

模擬集成電路產品分為三類：第一類是通用型電路，如運算放大器、相乘器、鎖相環路、有源濾波器和數-模與模-數變換等；第二類是專用型電路，如音響系統、電視接收機、錄像機及通信系統等專用的集成電路系列；第三類是單片集成系統，如單片發射機、單片接收機等。

模擬集成電路種類繁多，其性能要求也各不相同。追求更高的性能將是模擬器件未來主要的發展方向[7]。凌特公司中國區域業務經理李錦華簡單地將其歸納為“三升三降”，即速度、精度、效率上升，而功耗、尺寸與外圍元件數下降。對放大器而言，將向更高速度、更低噪聲、更大動態範圍等方向發展;對數據轉換器而言，將向更高速度、更高精度等方向發展;在信號處理、射頻電路、電源管理等領域，將向更高精度、速度與效率方向發展，同時功耗、尺寸及外圍元件數量則將不斷下降。以手機為例，消費者要求更清晰的語音、更加絢麗的屏幕，同時還要有更長的待機時間，這些都給模擬器件製造商提出了更高的要求，也為設計人員帶來了更大的挑戰。分立模擬電路可以把這些性能做得很高。例如，Maxim轉換速率已經做到了2GSPS，而採用SOC (系統芯片)是做不到這種性能的。

一個單片上組成的開關電容濾波器( SCF)完成對模擬信號的處理隨着超大規模IC的不斷髮展，模擬與數字之間的概念也在不斷模糊。例如如今迅速發展起來的集成濾波技術，就是模數結合的集成電路的一個實例:它利用MOS開關，MOS電容和MOS運算放大器同時集成在[8]。美國國家半導體最新推出的ADC081000芯片就是模擬與數字融合的一個最好例子。這款8位的模數轉換器設有低電壓差分信號(LVDS)接口，最高取樣率可達1. 6GHz，這是業界最快的速度。由於這款模數轉換器具有高速的數據採集能力，因此係統設計工程師可以直接將模擬信號向下轉換，以便進行更快及更有效的後期處理。

隨着工藝水平的提高，EDA工具、Foundry工藝PDK的完善以及設計水平的提高，模擬IC正在步入新的發展時代。為了保證最佳的系統性能、最高的可靠性、最小的體積和最低的成本，數字和模擬IC的設計及製造正在趨向於統一的加工平台，由單一的功能電路向系統級電路發展，這也是最具潛力的IC發展方向——SOC。

SOC是微電子設計領域的一場革命，它從整個系統的角度出發，把智能核、信息處理機制、模型算法、芯片結構、各層次電路直至器件的設計緊密結合起來，在單個或少數幾個芯片上完成整個系統的功能，即我們可以把越來越多的電路設計在同一個芯片中，這裏面可能包含有中央處理器(CPU )、嵌入式內存( Embedded memory)、數字信號處理器(DSP)、數字功能模塊(Digital function)、模擬功能模塊 (Analog function)、模擬數字轉換器(A/D， D/A )以及各種外圍配置(USB， MPEG)等等。這就為設計者進行電子系統設計和開發提供了可利用的最新手段。採用片內可再編程技術，使得片上系統內硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來配置，從而可以實時地進行靈活而方便的更改和開發，甚至可以在系統運行過程中不停機地進行再配置，使相同的硬件可以按不同時段實現不同的功能，提高了系統的效率。這種全新的系統設計概念，使新一代的SOC具有較強的靈活性和適應性。它不僅使電子系統的設計和開發以及產品性能的改進和擴充變得十分簡易和方便，而且使電子系統具有更好的性能、更低的功耗、更小的體積和更低的成本，帶來了電子系統設計與應用的革命性新變革，可廣泛應用於移動電話、硬盤驅動器、個人數字助理和手持電子產品、消費性電子產品等。SOC是21世紀電子系統開發應用的新平台。TI公司推出型號為MSC120產品，它是一款具有8通道24位△-Σ模數/轉換器及單通道8位數/模轉換器的增強型8051 MCU。具有片上温度傳感器、I2C、SP I接口以及低電壓監測功能，非常適合於工業應用，如秤重、過程控制、智能傳感器等。

我國集成電路產業經過30多年的發展，現已形成良好的產業基礎。2004年，中國集成電路設計業和芯片製造業已經取得突破性進展，集成電路市場需求達243億塊，然而在這243億塊集成電路中，中國本地產的產品不到8% ，這其中既藴藏着巨大商機，同時也反映了中國IC設計業與國際IC設計業的差距。中國的集成電路業正面臨着前所未有的機遇與挑戰。2005年中國消費電子產業保持快速增長，對集成電路產品需求大幅增加。

中國廣闊的模擬 IC應用市場，給模擬IC技術帶來足夠的發展空間。模擬電路可以作為我國未來集成電路發展的切入點。做CPU的許多知識不是從書本上可以學到的，而是經驗和竅門。中國缺少這類人才，還需要長時間的經驗積累。並且，經費也是一個問題，芯片每一次投片需要投入幾十萬美元，而高性能的CPU投片七、八次是很正常的。中國集成電路水平在通用CPU產品領域甚至相差20至30年的水平。

因而，我們可以避開高檔的CPU，瞄準國際IC產業發展的趨勢，即SOC，通過嵌入式芯片的設計實施跟蹤和突破。因為在數字設計中，幾乎每件事都可以自動完成;但模擬電路仍然要依靠工程師的智慧來實現設計。採用模擬和數字結合的嵌入式芯片IC製造業無論從質還是從量來説都不算髮達，但是隻要找準了發展方向，伴隨着全球產，能充分發揮我們已有的生產能力;而且，它種類眾多，在諸如手機、數字電視、DVD、電視機頂盒、PDA等不同領域應用廣泛，與高度標準化的PC只有英特爾一家獨大現象不同，國外大公司很難形成壟斷。

雖然中國業東移的大潮、中國的經濟穩定增長，再加上巨大的內需市場，以及充實的人力資源，豐富的自然資源，可以説，中國模擬集成電路的發展盡得天時、地利、人和之優勢。相信在不遠的將來，中國將會繼美國、日本、台灣、韓國、新加坡之後，崛起為新的世界集成電路製造中心。

書 名: 模擬集成電路

如圖2所示

作　者：宋煥明 周志祥

出版社：機械工業出版社

出版時間： 2009年09月

ISBN: 9787111255239

開本： 16開

定價: 19.00 元

《模擬集成電路》圍繞8種通用模擬集成電路，從基本理論、單元電路、整體電路及應用，對模擬集成電路進行較全面的分析和論述。全書共分9章，內容包括：緒論、集成運算放大器、集成振盪電路、集成穩壓器、集成模擬乘法器、集成鎖相環路、數模轉換器、模數轉換器、開關電容電路。《模擬集成電路》深入淺出、簡明扼要、理論聯繫實際，每章均附有練習題，以便學生複習、總結提高和自我檢查。《模擬集成電路》可供工科高等院校電子科學與技術、微電子學、集成電路設計與集成系統、電子封裝技術、微電子製造工程等相關專業使用，也可供相關工程技術人員參考。

宋煥明教授，從事電子技術領域的教學和科研工作達四十餘年，指導通信與電子信息專業多屆碩士研究生。曾兩次榮獲東南大學洛普獎教金。著有《電子電路》、《微型計算機原理基礎》、《VLSI工藝》(譯)、《開關電容資料彙編》等。

出版説明

前言

教學建議

符號説明

第1章 緒論

1.1 模擬集成電路的發展

1.2 模擬集成電路的特點

1.3 模擬集成電路中的元器件

1.4 MOS集成電路

mos管是金屬(metal)—氧化物(oxid)—半導體(semiconductor)場效應晶體管，或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導體。MOS管的source和drain是可以對調的，他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下，這個兩個區是一樣的，即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。

1.5 模擬集成電路製造工藝簡介

練習一

第2章 集成運算放大器

運放是運算放大器的簡稱。在實際電路中，通常結合反饋網絡共同組成某種功能模塊。由於早期應用於模擬計算機中，用以實現數學運算，故得名“運算放大器”，此名稱一直延續下來。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現，也可以實現為半導體芯片當中。隨着半導體技術的發展，如今絕大部分的運放是以單片的形式存在。現今運放的種類繁多，廣泛應用於幾乎所有的行業當中。

2.1 引言

2.2 集成運算放大器的結構和主要技術參數

2.3 鏡像電流源偏置電路

2.4 差分放大電路

2.5 幾種差分輸入電路

2.6 直流電平位移電路

2.7 輸出級和輸出級保護電路

2.8 F007集成運算放大器電路分析

2.9 CMOS運算放大器

2.10 運算放大器的頻率特性和穩定工作的分析

2.11 MOS運算放大器的設計

……

序號 型號 名稱

M001 2P4M 可控硅

M002 4N35 通用光電耦合器

M003 6N135 數字邏輯隔離

M004 24C01 1K/2K 5V I2C 總線串行EEPROM

M005 24LC08B 8K I2C 總線串行EEPROM

M006 93C46 1K 串行EEPROM

M007 AD574 12-BIT,DAC 轉換器

M008 BM2272 遙控譯碼器

M009 CA3140E 4.5MHz，BiMOS 運算放大器

M010 TLP521 可編程控制AC/DC 輸入固態繼電器

M011 7805 正5V 三端穩壓集成電路

M012 LM7905 負5V 三端穩壓集成電路

M013 LA7806 B/W 電視機同步、偏轉電路，16PIN

M014 7906C 負6V 三端穩壓集成電路

M015 7808A 正8V 3 端穩壓器，輸入35V，功率20.8W

M016 7908AC 正8V 3 端穩壓器，輸入35V，功率12W

M017 LM7809 正9V 三端穩壓集成電路

M018 ADS7809 正9V 三端穩壓集成電路

M019 TA7810S 0.5A,3 端穩壓器

M020 TDA7910N 負10V 3 端穩壓器，輸入-35V，1A，功率12W

M021 IRF7811A N-MOSFET,功率場效應管,28V/11.4A/2.5W

M022 7812A 正12V 3 端穩壓器，輸入35V，功率20.8W

M023 LM7912 1A 3 端穩壓器

M024 AD7813 2.5V-5.5V,400kSPS，8/10-BIT，採樣，ADC 轉換器

M025 LM7815 正15V 三端穩壓集成電路

M026 LM7915 負15V1A 3 端穩壓器

M027 AD7819 2.7V-5.5V,200KSPS,8-BIT，採樣，ADC 轉換器

M028 LA7820 彩色電視機同步/偏轉電路

M029 L7920C 負20V1A 3 端穩壓器

M030 LC7821 模擬開關

M031 LM7824 正24V 三端穩壓集成電路

M032 KA7924 負24V1A 3 端穩壓器

M033 AD7825 3Vto5V、2MSPS、1/4/8 通道、8BitAD 轉換器

M034 PJ7925CZ 負25V1A 3 端穩壓器

M035 ADS7826 10/8/12 位取樣模擬數字轉換器用2.7V 的電源

M036 IRF840 功率場效應管,大功率、高速, 500V/8A/125W

M037 ADC0809 8-BIT up 兼容8 通道多路複用器A/D 轉換器

M038 ADC0832 2 路，8-BIT 串行輸入/輸出A/D 轉換多路選擇

M039 LM324N 四路運算放大器

M040 LM339 低功耗低失調電壓四比較器

M041 LM358 低功率雙運算放大器

M042 LM386 低壓音頻放大器

M043 LM747 雙運算放大器

M044 LM2717 降壓/升壓轉換器兩顆脈衝寬度調製(PWM) 直流/直流轉換器

M045 AT24C01A 串行（1K，128×8）

M046 AT28C17 16K EPROM

M047 AT8 9C51 低功耗/低電壓,高性能的8 位單片機

M048 AT89C52 8K Bytes 閃存，8 位微處理器

M049 BT136 雙向可控硅

M050 GAL20V8B 可編程的邏輯器件

M051 HS2262A 低功耗通用編碼器

M052 HT24C02 存儲器

M053 IC7109 3 位半ADC/LED 驅動

M054 ICL7106CPL 類似三位半轉換

M055 ICL8038CCJD 精確波形發生器/伏特控制振盪器

M056 AD9215 10-BIT,65/80/105MSPS,3V,A/D 轉換器

M057 ICL8038CCPD 精確波形發生器/伏特控制振盪器

M058 LF353 雙聲道功率放大器

M059 LF398 功率放大器

M060 LM111-211-311 帶濾波微分比較儀

M061 LM124X-4 低功耗四運放

M062 LM311P 單通道，選通差分比較器

M063 LM317T 3 端可調穩壓器

M064 LM318 單路高速通用OP

M065 LTC1595 連續16 位乘法器DAC

M066 M2764A-2F1 NMOS 64K 8K x 8 UV EPROM

M067 MAX232CPE 線性收發器，2 驅動器，16PIN

M068 MC1403 精密低基準電壓

M069 MJE2955T 晶體管

M070 MJE13005 晶體管

M071 MK2716 HDTU 時鐘合成器

M072 NE5532AP 雙低噪聲運算放大器

M073 NE5532P 雙低噪聲運算放大器

M074 NE5534P 低噪聲運算放大器

M075 NJM2217 帶自動頻率控制的視頻信號疊加

M076 AT28C64B

M077 SST39SF02-70-4C-NH

M078 ST13007DFP

M079 TC14433AEJG 3 位半A/D 轉換器

M080 TDA2003 10W 汽車收音機音頻放大器

M081 TEA2114 4096 Bit 靜態RAM

M082 TH7814A 50 MHz 2048 像素線陣CCD Sensor

M083 TIP31C PNPDARL 硅INGTON 晶體管

M084 TIP41C PNPDARL 硅INGTON 晶體管

M085 TIP42C PNPDARL 硅INGTON 晶體管

M086 TIP127 PNPDARL 硅INGTON 晶體管

M087 TIP122 PNPDARL 硅INGTON 晶體管

M088 TL084CN

M089 TLC7135C ADC/LCD 驅動BCD 輸出

M090 TM7282

M091 TRSTE-8532A

M092 ULN2003AN 周邊七段驅動陳列

M093 W28EE011

M094 GAL22V10 高性能，E2COMS，可編程邏輯器件

M095 GAL16LV8 低電壓，E2COMS，可編程邏輯器件

M096 HM472114

M097 ADS7817

M098 LC7930

M099 PM7830

M100 PM7832

M101 T7932

M102 TPS2817