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电路 III · 模拟集成电路

层次:本科核心 + 硕博主要方向之一。 模拟设计在业内有个说法:它是一门手艺。这话半对——它有扎实的理论,但也确实高度依赖经验,且几乎无法自动化(数字有综合工具,模拟至今主要靠人手工设计与仿真迭代)。本页讲清模拟设计的核心量、核心结构,以及一个重要的产业现实:模拟电路享受不到工艺缩放的红利,反而被它伤害。

学习层:精度、速度和功耗,为什么不能同时免费得到?

1. 具体谜题:同一个 \(100\ \mu\mathrm A\),该换成增益、带宽还是匹配?

设计一只输入晶体管,电流预算固定为 \(100\ \mu\mathrm A\),负载 \(C_L=1\ \mathrm{pF}\)。若选择 \(g_m/I_D=8\)、15 或 \(20\ \mathrm{V^{-1}}\),跨导、带宽和小信号增益怎样变化?若两只匹配晶体管的面积从 \(100\) 增到 \(400\ \mu\mathrm m^2\),Pelgrom 失配标准差会变成原来的几分之一?

先预测:增大 \(g_m/I_D\) 在固定电流下会让 \(g_m\) 上升,但弱反型是否就自动同时获得更高速度、更小面积和更好匹配;把面积扩大四倍能否把阈值失配减半。

2. 先预测:用预算而不是单一指标做选择

交互台会先要求你选一个工作区,再预测:

  1. \(g_m/I_D\) 从 8 提到 16 时,\(g_m\)、\(g_m/I_D\) 与本征增益的方向是什么?
  2. 电流加倍时,热噪声等效输入电压与带宽会怎样变化?
  3. 面积加倍是把随机失配减半,还是只减小一半?
  4. 低压下再叠一只 cascode,增益增加的代价是什么?

提交后才显示 \(g_m\)、\(r_o\)、增益、带宽、功耗、失配和“所需面积 proxy”的完整账本。

3. 最小心智模型:四个旋钮围绕一个工作点互相收费

把 \(I_D\) 看成速度和功耗的货币,把 \(g_m/I_D\) 看成单位电流换来的控制效率,把面积看成随机精度的货币,把 \(C_L\) 看成必须充放电的惯性。设计不是寻找一个最大值,而是在给定电源、噪声、线性度、摆幅和带宽约束下选一个可行工作点。

实验的 \(r_o=V_A/I_D\) 和弱反型面积 proxy 只用于把权衡显式化;真实器件要用工艺的 \(g_m/I_D\)–\(I_D/W\) 曲线、噪声模型、版图寄生和 PVT 仿真校准。

4. 形式机制与不变量:\(g_m/I_D\) 和 Pelgrom 同桌出现

小信号中心关系是

\[ g_m=\left(\frac{g_m}{I_D}\right)I_D,\qquad f_{-3\mathrm{dB}}\approx\frac{g_m}{2\pi C_L},\qquad A_v\approx g_mr_o. \]

用 \(r_o\approx V_A/I_D\) 的一阶模型,则 \(A_v\approx V_A(g_m/I_D)\),说明提高效率能换增益,但不代表电路的摆幅、稳定性和失真自动改善。匹配的 Pelgrom 关系为

\[ \sigma_{\Delta V_{th}}=\frac{A_{V_{th}}}{\sqrt{WL}}. \]

面积乘四,\(\sigma_{\Delta V_{th}}\) 才除以二;电流乘二且 \(g_m/I_D\) 固定,\(g_m\) 与一阶带宽乘二,而功耗 \(P\approx V_{DD}I_D\) 也乘二。可审计的不变量是这些比例关系,而不是某个跨工艺的绝对增益。

5. 交互实验:把模拟设计变成多目标账本

无 JavaScript 时的静态读法:取 \(V_{DD}=1\ \mathrm V\)、\(V_A=8\ \mathrm V\)、\(C_L=1\ \mathrm{pF}\)、\(A_{V_{th}}=3\ \mathrm{mV\cdot\mu m}\)。表中的 \(r_o=V_A/I_D\),带宽是 \(g_m/(2\pi C_L)\),失配只读 \(\sigma_{\Delta V_{th}}=A_{V_{th}}/\sqrt{A}\)。

工作区 \(I_D\) \(g_m/I_D\) \(g_m\) 带宽 \(A_v\) proxy 面积 \(A\) \(\sigma_{\Delta V_{th}}\)
强反型 \(250\ \mu\mathrm A\) 8 2.0 mS 318 MHz 64 \(25\ \mu\mathrm m^2\) 0.60 mV
中等反型 \(100\ \mu\mathrm A\) 15 1.5 mS 239 MHz 120 \(100\ \mu\mathrm m^2\) 0.30 mV
弱反型 \(25\ \mu\mathrm A\) 20 0.50 mS 79.6 MHz 160 \(400\ \mu\mathrm m^2\) 0.15 mV

脚本可调 \(I_D\)、\(g_m/I_D\)、负载电容和面积,实时显示增益–带宽–功耗–失配四项结果,并把强/中/弱反型预设放在同一张 SVG 权衡图上。面积不足以满足一个指定失配目标时,结果会明确标出“需要加面积”,而不是悄悄替换设计。

6. 反例与失效边界:教学比例不是工艺承诺

  • “\(g_m/I_D\) 越大,设计一定越好”忽略速度、线性度、噪声带宽、漏电和面积;弱反型还可能受 \(1/f\) 噪声与寄生支配。
  • “面积扩大四倍,所有误差都减半”只对应独立随机失配的平方根项;系统性梯度、布局不对称、接触电阻不会按同一规律消失。
  • “本征增益 \(A_v=g_mr_o\) 给出运放增益”忽略多级拓扑、负载、频率补偿、相位裕度和输出摆幅。
  • “低电压只需把电流加大”会把功耗和热噪声预算推高,且不能恢复被电源轨截断的摆幅。

7. 迁移题:为一个传感器前端写规格分解

若传感器需要 \(100\ \mathrm{MHz}\) 带宽、\(0.2\ \mathrm{mV}\) 的随机阈值失配、总电流不超过 \(150\ \mu\mathrm A\),请先由 \(g_m\ge2\pi fC_L\) 和 Pelgrom 关系求出跨导与最小面积,再判断 \(g_m/I_D\) 是否有可行区间。最后指出还需加入哪一个噪声、摆幅或稳定性约束,才能把 proxy 变成真正的电路规格。

一、模拟设计的中心量

承第三页的小信号模型。模拟设计者脑中反复权衡的是这几个量:

量 含义 典型冲突
增益 \(g_m r_o\) 单管本征增益 与带宽、摆幅冲突
带宽 \(f_T = g_m/2\pi C_{gs}\) 器件速度上限 与功耗冲突
噪声 热噪声、闪烁(1/f)噪声 与功耗、面积冲突
失配 同版图器件的随机差异 与面积冲突(见下)
摆幅 输出电压可用范围 与增益冲突
功耗 — 与几乎一切冲突

核心工具是 \(g_m/I_D\) 方法论:以 \(g_m/I_D\)(单位电流换来的跨导)为设计变量,它与过驱动电压 \(V_{ov}\) 一一对应,且跨工艺可移植。

这是模拟设计的第一权衡,几乎每个设计决策都要回到它。

二、失配:模拟电路的独有敌人

数字电路只关心"够快够省电",模拟电路还必须面对器件之间的随机差异。两个版图完全相同的晶体管,其 \(V_{th}\) 也会有随机偏差,服从 Pelgrom 定律:

\[\sigma_{\Delta V_{th}} = \frac{A_{V_{th}}}{\sqrt{WL}}\]

失配反比于面积的平方根。含义极其重要:

这一条直接解释了为什么模拟电路不随工艺缩放:数字电路可以享受尺寸变小带来的一切好处,模拟电路却必须为了精度而保持较大面积。结果是:在同一颗 SoC 上,数字部分随节点推进不断缩小,模拟部分几乎原地不动,占比越来越高。

三、模拟不缩放:一个产业级的事实

除了失配,还有几条使模拟设计在先进节点变难而非变易:

产业后果:

  1. 许多模拟/射频芯片故意停留在成熟节点(如 28nm、40nm、甚至 180nm BCD),因为先进节点对它们并无好处却极其昂贵;
  2. 这正是 Chiplet 的强动机之一——把数字逻辑做在最先进节点、模拟与 I/O 做在成熟节点,然后封装在一起(第十五页)。"不是所有电路都想去 2nm"是理解现代芯片架构的关键一句。

四、几个基石结构

电流镜:模拟电路的"电源分配网络"。利用两管 \(V_{GS}\) 相同则电流成 \(W/L\) 比例,把一个基准电流复制到各处。精度受失配与沟道长度调制限制,故有共源共栅(cascode)等改进版本——用摆幅换精度的典型权衡。

差分对:模拟设计的核心结构。两管共享尾电流源,放大两输入之差。

共源共栅(cascode):叠一管以提高输出阻抗 → 提高增益。代价是摆幅减小——在低压工艺下这个代价越来越难承受,于是有折叠式共源共栅等结构。

运算放大器:以上结构的组合。两级密勒补偿运放是教科书起点;实际设计中要在增益、带宽、相位裕度、摆幅、噪声、功耗、稳定性之间反复折衷。运放设计是模拟课程的核心训练,因为它把所有权衡浓缩在一个电路里。

带隙基准(bandgap reference):产生与温度无关的电压基准。原理漂亮——把负温度系数的 \(V_{BE}\) 与正温度系数的热电压 \(V_T\) 按比例相加,一阶温度系数相消:

\[V_{REF} = V_{BE} + K\cdot V_T \approx 1.2\ \mathrm{V}\]

结果约等于硅的带隙电压(故得名,回忆第一页 \(E_g = 1.12\) eV)。几乎每颗芯片里都有一个带隙基准——它是模数转换、电源管理、传感器的精度之源。

五、反馈:与自动化站的直接接口

模拟电路大量使用负反馈来换取精度与线性度:

\[A_{\text{closed}} = \frac{A}{1+A\beta} \approx \frac{1}{\beta}\quad (A\beta \gg 1)\]

闭环增益由反馈网络(通常是电阻或电容比值)决定,而非由不精确的开环增益决定——用增益换精度。

但反馈会引入稳定性问题:环路中的多个极点带来相移,若在增益仍大于 1 时相移达到 180°,系统振荡。于是要看相位裕度(通常要求 45°–60°),并用密勒补偿等手段做极点分裂。

这与 🔗 自动化站的经典控制是同一套数学(Bode 图、增益裕度、相位裕度、根轨迹)。区别在语境:控制工程师面对的是机械、化工、飞行器等慢系统;模拟设计者面对的是 GHz 级的电路,且反馈网络本身就是被设计的电路元件。两站在这里可以互相参照阅读——同一个 Bode 图,两种工程直觉。

六、噪声

模拟电路的性能下限由噪声决定:

七、要点


下一页:数据转换器与锁相环——模拟与数字世界之间的桥梁。它们的性能指标(有效位数、抖动)直接限制了整个系统能达到什么水平。