CMOS模拟集成电路设计-理论、方法与工程实现 教学大纲

CMOS模拟集成电路设计：理论、方法与工程实现—课程大纲一、课程基本信息1．课程编号：QSK-IC0112．课程体系/类别：专业课3．课程性质：必修4．学时/学分：54+18/3.55．先修课程：《电路原理》、《集成电路导论》、《半导体物理与器件》6．适用专业：集成电路设计与集成系统、电子信息科学与技术（集成电路方向）、微电子科学与工程等二、课程教学目标CMOS模拟集成电路设计是集成电路设计相关专业方向的专业课程。本课程旨在教授学生模拟集成电路的基本概念、分析方法和设计技术。学生将学习模拟集成电路的基本构件，包括晶体管、基本放大器、差分放大器、电流源与偏置电路等，并探究这些构件是何在复杂电路中相互作用。课程同时注重工程应用，引入放大器设计、带隙基准电路、振荡器等工程设计项目，通过系统地学习这门课程，学生可以为未来从事模拟集成电路设计及相关领域的研究和开发打下坚实的基础，在知识、能力和素质等方面应达到的如下目标：1.使学生掌握模拟电路的基本理论概念，包括电子器件的工作原理、小信号模型和大信号特性、频率响应等。能够分析模拟集成电路的性能，包括静态分析（直流工作点）、动态分析（瞬态和稳态响应）、噪声分析等。针对模拟集成电路中的复杂工程问题，能够制定合适的解决方案，设计电路结构，建立合适的电路模型，分析电路指标，并能够基于分析结果开展设计方案优化。使学生在学习与分析的过程中建立科学与工程思维和勇攀科学高峰的使命感。2.使学生了解和掌握模拟集成电路设计中常用的EDA工具，尤其是国产EDA工具：华大九天Aether。能够操作EDA工具完成模拟集成电路的设计、仿真和优化。能够通过仿真分析电路行为，应用EDA工具提高设计效率，包括参数扫描、设计优化和敏感度分析等，从而快速迭代和优化电路设计。能够利用EDA工具实施数据分析和处理，以解释仿真结果，比如对时域和频域数据的分析，以及噪声和稳定性分析等。在实践中，使学生建立严谨的工作态度和匠人精神。3.使学生了解模拟集成电路产业的历史、发展趋势、主要公司和产品、以及市场需求。使学生能够判断未来技术和市场变化，以及这些变化对电路设计的影响。培养学生理解不同社会需求，并将这些需求转化为技术创新的动力。例如，在医疗健康、通信、能源或消费电子等领域，考虑如何通过模拟集成电路的创新来解决实际问题。4.职业道德的培养。教育学生未来成为模拟集成电路设计工程师时应遵守的职业道德准则，包括但不限于诚实、公正、客观和尊重知识产权。质量和标准意识。教育学生认识模拟集成电路对国家电子信息产业以及其他产业的重要价值，激励学生追求卓越，培养一种持续改进和追求更高标准的态度。三、课程目标与毕业要求的对应关系毕业要求毕业要求指标点课程目标1.工程知识及复杂工程问题分析：具有集成电路领域必须的数学、物理、计算机等基础理论知识，具有工程图学、电路、电子技术、半导体物理等工程基础知识，具有集成电路设计、复杂数字系统设计、电子设计自动化等专业知识，并能够将这些知识用于集成电路中复杂工程问题的识别、表达、综合分析并得到有效结论。1.1原理与技术表达：对于集成电路中的复杂工程问题，能够正确使用数学、物理、工程学等知识进行问题的表述，正确使用专业知识进行技术表达。11.2模型建立与求解：能够基于对集成电路复杂工程问题的表达，建立数学模型或电路原理图并求解。1.3问题分析与判断：能够基于模型或原理图，借助专业文献，对复杂工程问题进行推演、分析、判断，提出可能的解决思路。1.4方法优化：能够运用相关专业知识和最新文献，通过数学模型和原理图对不同解决方法进行对比，分析电路系统工作过程中的影响因素，并优化解决思路。2.使用现代工具，设计/开发解决方案：针对集成电路设计、制造或应用中的复杂工程问题，能够开发、选择或使用恰当的集成电路设计自动化辅助工具（EDA）和各种测量仪器，能够在已有解决思路的基础上，结合EDA工具给出复杂工程问题的实际解决方案，设计满足特定需求的集成电路系统、单元或工艺流程。2.1根据分析结果，拟定适当的解决方案：对于集成电路中的复杂工程问题，能够基于已有的分析结果，制定解决方案，并能够考虑到方案全周期/全流程开发方法的实现难度、有无现代化工具的支持等工程问题。22.2现代化工具的选择与优化：能够根据集成电路复杂工程问题的解决方案，选定适当的电路原理图设计与仿真软件、集成电路前/后端设计软件，选定适当的实验仪器。如相关问题有两个以上的备选工具时，能够考虑成本、兼容性等问题并以此优化工具组合方案。2.3在现代化工具的辅助下形成技术路线：针对集成电路相关领域的复杂工程问题，能够综合运用现代化软件工具组，根据解决方案形成技术路线，包括系统总体功能设计、系统单元模块设计等，能够根据软件工具的仿真结果判断设计的解决方案是否合理。4.工程与社会4.1集成电路产业相关工程背景：了解集成电路专业相关领域的技术标准体系、知识产权、产业政策和法律法规，理解不同社会文化对集成电路设计、制造及用用等方面的影响。34.2对社会影响的思考能力：能分析和评价集成电路在设计、制造和应用的过程中，其对社会、健康、安全、法律、文化的影响，以及这些制约因素对项目实施的影响，并理解应承担的责任。6.职业规范：具有人文社会科学素养，能够认识到集成电路产业作为中国国家战略的重要性，并自觉树立社会责任感，能够在集成电路设计、制造等工程实践中理解并遵守相关职业道德和规范，履行责任。6.1正确价值观的树立：理解个人与社会的关系，了解中国目前集成电路的发展情况和产业的国家战略地位，树立正确的价值观，以国家集成电路产业的发展和壮大为己任。46.2职业道德和规范：理解诚实公正、诚信守则的工程职业道德和规范，并能在集成电路工程实践中自觉遵守。在集成电路的设计和制造过程中严格按照标准执行，不以次充好，不伪造数据，保证集成电路在生产和使用中的安全性和品质。6.3社会责任感：理解工程师对公众的安全、健康和福祉，以及环境保护的社会责任，在对集成电路产品的设计和制造过程中，能够做到保护环境，保护公众的健康安全。四、课程教学内容和要求序号知识单元（章节）知识点要求推荐学时支撑毕业要求指标点1绪论模拟集成电路的基本概念，常见类别及应用场景。了解34-1，4-2，6-1，6-26-3放大器的主要指标。熟练贯穿本书的工程项目，包括功能、组成部分及对应章节。熟练模拟集成电路对我国的重要意义，成为模拟设计工程师所需要具备的素养。了解2MOS器件基础MOS器件的基本结构、I-V特性。精通61-1，1-2，1-3MOS器件的沟道长度调制效应、小信号模型。精通MOS器件的版图和电容模型。熟练使能电路的原理，MOS器件的SPICE参数提取方法，新型MOS器件。了解3放大器的电流偏置基本电流镜的工作原理和设计步骤。精通31-1，1-2，1-3，2-1，4-1电流复制误差的来源以及相应的改善策略。熟练产生基准电流的方法和电路实现，深电源电压独立的电流基准以及温度变化对其的影响。精通4放大器输入级一：共源放大器及基本差分对放大器放大器的基本原理及相关概念（增益、静态偏置电压、非线性等）。精通61-2，1-3，2-1，2-2共源放大器的工作原理及特性，增益带宽积的概念并应用。精通基本差分放大器的工作原理及特性，电流镜负载差分放大器工作原理。熟练5放大器输入级二：共源共栅放大器及其差分结构共源共栅放大器以及其差分形式的工作原理及特性。精通61-2，1-3，2-1，2-2根据上述放大器类型的设计指标计算电路参数并仿真优化。熟练6放大器的输出级设计选择合适输出级的方法。精通61-2，1-3，2-1，2-2放大器相位补偿的方法。熟练7放大器的工程分析与设计理想放大器和实际放大器在性能指标上的异同。精通61-4，2-1，2-2，2-3，4-1对多个参数的调整，设计参数与性能指标间的关系。熟练放大器整体设计与仿真方法。熟练8低压差线性稳压器简介与设计低压差线性稳压器的基本原理。精通61-4，2-1，2-2，2-3，4-1低压差线性稳压器相关的性能指标和影响因素。熟练gm/ID法及其在设计LDO的误差放大器中的应用。熟练9基于放大器的带隙基准电路带隙基准的基本原理，带隙基准电压的产生方法。精通61-4，2-1，2-2，2-3，4-1带隙基准电压电路的性能指标及测试方法。熟练基于放大器的带隙基准电压电路结构。熟练10张弛振荡器张弛振荡器的工作原理和设计方法。精通61-4，2-1，2-2，2-3，4-1制约张弛振荡器频率稳定性的各种因素，相应的解决策略。熟练五、课程教学方法（一）课堂讲授（54学时）：引入问题/场景/案例，分析解决思路，讲述案例相关知识点定义及用法、原理与方法；总结和补充，提出新任务，扩展知识点学习深度，启发学生自我解决问题，在实例中体现集成电路设计过程、设计方法的规范性，在教学过程中展示发现问题和解决的过程。（二）作业和实验（18学时）1.根据知识点设计作业题目：每章针对本章知识要点留4道左右的课后练习题。2.综合运用知识模拟小项目：模拟1个小型项目，项目贯穿整个学期，不断丰富，最终实现完整的应用程序。3.自主学习扩展知识：根据已学的知识，通过举一反三，自主学习相关理论和技术。这部分内容针对学习能力强，学有余力的学生，不做统一要求。4.其中实验课时安排及要求如下：实验项目及要求：序号实验名称目的与要求实验学时主要仪器设备实验类型性质1使能电路的设计掌握反相器在使能电路中的设计和应用，熟悉仿真软件的操作流程，以及如何进行电路仿真测试和结果分析。学生需要了解使能电路的设计重点，并对仿真过程中可能遇到的问题有初步的处理能力。3PC+集成电路设计实验箱设计必做2电流镜仿真准确描述MOS器件电流镜的结构和工作原理，并能够应用所学知识进行电流镜仿真设计与分析。熟练运用仿真软件模拟电流镜，理解并分析其电学特性，掌握电流复制的精确性和稳定性提升方法。此外，还应了解不同电流镜设计的适用场景及其在集成电路设计中的实际应用。3PC+集成电路设计实验箱设计必做3电阻负载放大器能够清楚地描述电阻负载放大器的构成，并理解其基本工作原理。熟练运用至少两种方法来调节放大器增益，并能够通过仿真软件验证这些调节方法的有效性。此外还需认识到放大器设计中指标的权衡。3PC+集成电路设计实验箱设计必做4折叠共源共栅放大器能够掌握折叠共源共栅放大器设计。利用仿真工具模拟折叠共源共栅放大器的电学特性，并理解设计中的关键参数如何影响电路的性能。同时应该能够识别并分析电路设计中可能出现的非理想因素。3PC+集成电路设计实验箱设计必做5放大器输出级仿真掌握放大器输出级的基础概念，并理解不同设计方案的特点。能够运用仿真工具来调参并实现预定的放大器增益变化。能够分析调参过程中各项性能指标的变化，并理解这些变化背后的原因。3PC+集成电路设计实验箱设计必做6两级放大器的DC和STB仿真能够描述两级放大器的组成部分，并理解其工作原理。能够运用仿真工具执行STB和直流仿真，并从结果中提取关键信息来评估和优化电路设计。能够根据仿真数据调整电路参数，优化放大器的整体性能。3PC+集成电路设计实验箱设计必做7两级放大器的瞬态仿真描述两级放大器的基本配置并理解其在复杂电路系统中的作用。运用专业仿真软件评估和分析两级放大器的瞬态性能。准确识别瞬态仿真结果中可能出现的问题，并利用增益裕度和相位裕度等指标评估稳定性。掌握补偿网络的设计原则，并能够应用于实际电路以提高总体性能。3PC+集成电路设计实验箱设计选做六、课程考核考核环节评分标准建议比重对应的课程目标过程性评价（含课堂点名、课堂练习、课堂作业）出勤率，课堂讨论积极，踊跃回答问题30%1、2、3、4实验成绩（含实验操作、实验报告）考察学生动手能力和文档编写能力20%2、3结课考试概念清楚，能综合运用所学知识分析问题、解决问题50%1、2七、本课程与其它课程的联系与分工先修课：《电路原理》、《集成电路导论》、《半导体物理与器件》后续课程：《专用集成电路设计》八、建议教材及教学参考书教材选用理论体系完整且难度适中，有一定的应用技术实例，提供大量参考书和学习资源以满足不同层次学生学