前言

集成电路产业是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。加快推进集成电路产业发展，对转变经济发展方式、保障国家安全、提升综合国力具有重大战略意义。发展集成电路产业已上升为国家战略，拥有强大的集成电路产业和领先的技术，已成为实现科技强国、产业强国的关键标志。

集成电路可以大体划分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，它们既相互独立，又相辅相成，在电路系统中都发挥着不可替代的作用。随着集成电路工艺水平的提高，数字集成电路的信号处理能力越来越强，大有“一统天下”的趋势，但是自然界中的信号是模拟信号，人们能够感知的信号也是模拟信号，数字电路无法直接处理，必须通过模拟电路将其进行模-数、数-模转换，所以模拟集成电路将会伴随着数字集成电路一直存在下去。

模拟集成电路的重要作用不只限于模-数、数-模转换，还包括放大、滤波、存储和电源管理等很多方面，而且数字集成电路内部也必须由很多模拟电路进行辅助。另外，虽然数字集成电路设计过程中的自动化程度很高，但其所依靠的标准逻辑单元和输入/输出单元等器件也是用模拟集成电路的技术实现的。因此，可以说没有模拟集成电路设计，就没有数字集成电路设计，而且无论集成电路工艺发展到哪个工艺节点，模拟集成电路设计的基本理论与方法都不会过时。

本书各章将以CMOS模拟集成电路设计流程为主线，讲述CMOS集成电路工艺与器件、Spice原理与仿真、工艺角与PVT仿真、版图设计技术与常用技巧以及DRC、LVS、RCX/PEX和后仿真。同时在此基础上介绍了一个四运放芯片设计案例，内容涵盖了共源极放大器原理、MOS器件参数获取方法、运算放大器基本结构分析、运算放大器设计指标计算与仿真、版图设计与验证、寄生参数提取与后仿真、芯片整体规划、Padframe搭建和芯片整体版图设计与验证，以及MPW流片、封装与测试等全部内容，充分引导读者完成一个完整的CMOS模拟集成电路设计流程。同时，本书电路图形符号形式与软件保持一致。

CMOS模拟集成电路有几个特殊的专有问题需要考虑，它们对电路的性能和可靠性至关重要，其中主要包括金属电迁移（ElectroMigration，EM）、电压降（IR Drop）、静电放电（Electro-Static Discharge，ESD）、闩锁（Latch-up）、保护环（Guardring）和版图匹配（Layout Matching）等，以及与工艺相关的沟道效应（Channelling Ef fect）、阴影效应（Shadowling Ef fect）、阱邻近效应（Well Proximity Ef fect，WPE）和浅沟槽隔离（Shallow Trench Isolation，STI）等对版图匹配的影响。本书用专门的章节对上述问题进行了讨论，并给出了常用的解决方案，以帮助读者避免因此类问题造成的设计缺陷和电路隐患。

本书的章节安排涵盖原理图输入到后仿真，是一个十分完整的设计流程。对流程中的每个设计步骤先介绍原理，再结合案例给出EDA软件的操作方法，具有完整的可操作性。带隙参考源和运算放大器是学习模拟集成电路设计必备的基础，书中用较大的篇幅对其进行了原理性分析、设计和仿真，努力做到重点突出，理论与实践并重。本书内容由浅入深，力求把复杂问题简单化，并且为了便于理解和记忆，对很多重要公式、方法和结论等进行了分类和归纳。同时为了减少在学习过程中对文献的考证量，并降低对集成电路设计先修课程的依赖程度，本书对相应的背景知识和基本原理都进行了介绍，使各部分内容独立成章，自成体系。

学习和完成每章中的实验，并经过反复实践和练习后，读者将能够熟练地使用EDA软件，独立完成CMOS模拟集成电路的整个流程。电路理论部分可以使读者掌握带隙参考源和运算放大器的基本电路结构和工作原理，能够对带隙参考源进行温度系数仿真，能够对运算放大器进行单位增益带宽、相位裕度，以及其他重要设计指标的仿真，并可根据仿真结果对电路进行调整和优化。通过本书中的四运放芯片设计案例，读者可以了解芯片的设计、流片、封装和测试的基本过程，并掌握CMOS模拟集成电路从原理图到芯片的整个过程。

学习本书一定要理论与实践并重，对书中各章的实验要亲自动手实践，只有这样才能真正掌握CMOS模拟集成电路全流程设计的理论与方法，并能熟练地使用EDA软件完成各个设计步骤。通过动手实践不仅能建立感性认识，提高熟练程度，而且还能提高职业敏感性，减少常见的操作失误，避免常见错误，同时亲身感受设计过程中可能出现的困难和问题，也能有效提高设计实践的自信心。

另外，希望读者学习本书时要反复实践，不仅要学会使用EDA软件完成整个设计流程，而且还要做到脱离书本和熟练使用，以便为今后专注于电路理论深造和电路设计优化打下坚实的基础。如果连基本流程都没走过或者走不通，创新与优化根本无从谈起，一切都只是纸上谈兵，面对实际项目依然是一个新手，在设计过程中会错误百出，失误不断，工作效率低下，导致项目进展缓慢，干劲和热情也可能随之消失。

本书可以作为集成电路专业高年级本科生和研究生的学习参考书，有效地把完整的设计流程和系统的理论体系融合起来，帮助读者在理论和实践方面共同提高。由于目前我国集成电路领域不仅人才严重短缺，而且国内高校集成电路专业招生规模又相对较小，因此每年都会有大量电子信息大类的学生转行进入到集成电路专业攻读研究生，或者从事集成电路领域的相关工作，所以本书立足于电子信息大类学生的专业知识基础，通过合理安排各章内容，适当调整难易程度，使电子信息大类专业的读者也能顺利学习书中的内容。

本书是一本以设计流程为主线的专业书，掌握好本书内容，可以帮读者打下坚实基础，具备从事模拟集成电路设计相关工作的基本能力，为以后的职业生涯和学术深造创造有利条件。另外，本书的理论与实践体系非常完整，有一定基础的读者也可以参考本书来查遗补漏，把自己打造成全流程的设计人才。

感谢鹏城实验室研究员、中国科学院大学兼职教授陈春章博士对本书的审阅和提出的宝贵意见，感谢李力南博士对我在理论和技术上的支持，感谢张育镇和魏荣同学对本书进行的校对、实验验证和提出的改进建议，感谢我的家人对我工作的大力支持，同时也感谢广大同仁对本书内容的肯定。由于作者水平有限，书中难免有错误和不足之处，欢迎广大读者批评指正，并通过交流共同提高。希望本书能为我国集成电路人才培养做出一些贡献。

李金城

2023.9