原 书 前 言
　　我写作本书第1版的初衷是为了介绍、讨论并分析怎样设计、仿真、构建、测试和评估线性低压差（Low DropOut，LDO）稳压器集成电路。LDO稳压器集成电路在现代生活和新兴的最先进应用中起到了重要的作用，并且随着片上系统（SoC）集成需求的不断增大，在持续推动已有市场的同时，开创出更多新市场，这些因素构成了写作本书第1版的动力。事实上，由于噪声的普遍性，输入信号的未知性，以及功能负载要求负载点（Point of Load，PoL）稳压器消耗极少的功率就可以产生精确且快速响应的电源电压，因此，现在不包含功率调整特性的传统混合信号芯片必须将系统和PoL电源整合在一起。在稳压器选择方面，由于开关稳压器的输出包含了大量噪声，而这是不能容忍的，因此线性稳压器在模拟和混合信号芯片中占据了重要地位。
　　然而，对于线性稳压器的教学，若没有相关模拟集成电路基础的介绍，将是不完整的。因此，与业界流行书籍的写作方式类似，本书也介绍模拟集成电路的基本理论，但是本书将从模拟集成电路直观、面向设计的角度来介绍模拟集成电路设计，我认为这在设计芯片时是非常有用和必要的。该理念是，不需要借助于工具书上的公式（这些公式的成立前提并非总是适用，特别是在开发新技术时），对预测半导体器件的各自特性和在电路中的组合特性有必要的认识。当然，具备了这样的洞察力，读者将可能具备重现和验证教科书上已有的公式和理论的能力。
　　关于本书第2版
　　本书第2版旨在扩充、提高和更新第1版的描述，以使概念和研究进展更加清晰和深刻。从很多角度来看，本版都是一本全新的书。首先，我重组了章节并重写了内容，同时更新了几乎全部的公式和图标，增加了实例和思考题，并几乎在每个章节都增加了新的内容。此外，本书还包括关于偏置电流和基准电路的一个章节，像大部分的模拟系统一样，线性稳压器必须依靠它们才能被唤醒和正常工作。
　　举例来说，第1版的第1章，在本版中被分为两个部分：一个部分介绍电源系统；另一部分更具体地介绍线性稳压器。类似地，第3章也被分为两个部分：一个部分介绍单晶体管基本单元；另一部分介绍模拟电路基本模块。第1-3章中新的内容包括带宽延时、品质因子、开放式设计变量、偏置点、小信号、绝对和相对精度，以及金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）中的亚阈值、弱反型、MOS电容和沟道电阻等内容。第4章和第5章中新的内容包括二端口模型、频率响应、信号流、信号延时、增益分析、直接转换、基极退化、基极/栅极耦合差分对和折叠式共源共栅放大器等，其中包括关于转换速度、电源抑制、输入参考失调和噪声的讨论。
　　除了一些基本概念之外，第6章中关于负反馈的描述完全是新的。关于灵敏度、频率响应、噪声、线性度、反馈结构、嵌入式和并行式反馈环的内容都是新的，同时本章还介绍了13个反馈实例，并对负反馈环路的设计进行了深入解析。第7章也是新章节，内容包括带隙电路中的正温度系数（Proportional To Absolute Temperature，PTAT）和负温度系数（Complementary To Absolute Temperature，CTAT）电流、温度补偿、启动、频率补偿和噪声抑制。第10章和第11章介绍了电源抑制性能提高技术和基准电压修调技术。
　　目标读者
　　本书从线性稳压器的角度，借助大量的实例，向初级微电子工程师介绍了整个模拟集成电路的设计流程，并引导其熟悉应用。同时，本书也可以对几乎没有线性稳压器和集成电路设计概念的电力电子领域模拟电路工程师起到启蒙引导作用。当然，本书也适用于有经验的电源集成电路设计工程师，相信本书不仅能帮助他们在回顾模拟电路和线性稳压器的理论时有更深刻的理解，而且能从最新的线性稳压器的技术发展中得到启发和激励。
　　组织
　　本书分为11个章节。第1章和第2章类似于产品定义阶段（但是以更偏向学术的方式），这个阶段，半导体公司通过定义产品的作用和工作目标来评估设计工作的难度，在此处，针对的是线性稳压器。然而，在承担某项设计工作之前，一个没有经验的工程师必须在模拟集成电路设计领域得到适当的训练，这也是第3-7章讨论的内容，即固态电子学理论和器件、单晶体管基本单元、模拟电路基本模块、负反馈和偏置电路。有了这些背景知识，第8章又回到了线性稳压器，更具体地介绍了线性稳压器的小信号响应，这对应于原型开发周期的第二阶段，在此阶段，设计者可以运用第3-6章中讨论的电路和反馈理论着手设计系统，以满足第1-2章提出的要求。
　　第9-10章结合第3章的器件知识、第4-6章的电路理论和第8章的补偿策略设计实际的稳压器电路，首先是第9章器件级设计，然后进入第10章系统级设计。从设计者的角度来看，因为所有的模拟电路的设计训练以及芯片设计都会重点关注这部分内容，所以这两章就是开发流程的重点。本书的最后一章即第11章讨论集成电路的保护和特性，这也是产品设计周期的最后两个步骤。整体来看，本书是一个自顶向下再到顶（Top-Down-Top）的设计实例，全书从抽象视角开始系统分析，然后进入器件级进行基础分析，之后逐渐上升到电路设计，最后再到系统设计，但最终设计以晶体管级的形式实现。
　　初级工程师可以按照顺序学习本书全部11章的内容，回顾整体设计流程，充分学习模拟集成电路设计；也可以只看特定的章节以加强对特定模拟电路设计原则的理解，比如第3-7章关于器件、电路、反馈与偏置，第1-2章和第8-10章关于线性稳压器集成电路，第11章关于保护与特性。对于一个几乎未涉足过稳压器设计领域但有一定经验的模拟电路设计工程师，可以不需要回顾基本模拟电路原理，直接参考第1-2章和第8-11章学习稳压器的特定知识。另外，资深稳压器芯片设计者也可以通过第1-2章和第8-11章加深对现有技术的理解，同时在第3-7章中回顾模拟集成电路的设计原则。
　　为了方便读者找到目标章、节和小节，我尽量使每一章都独立，将我认为彼此相关联的内容放在一起，且针对特定内容划分小节、合理命名。希望通过这样的方式，工程师们可以更容易地找到他们感兴趣的部分，并且通过内容导航到相关章节。
　　关于写作
　　总体而言，本书全面介绍了模拟集成电路的设计方法，包括固态半导体理论、电路设计、模拟电路基本模块分析、反馈概念与偏置电路、频率响应、集成电路设计以及电路的保护与特性。与其他模拟电路书籍不同的是，本书强调模拟集成电路设计直观，并将其应用于基准电路和线性稳压器的设计。本书呈现的风格、形式和思想方式是我在该领域超过20年的设计经验的总结：作为一个模拟集成电路设计师，开发了多款商用电源微电子芯片；作为教授和研究员，在电源和能量调节集成电路领域引领当前的技术发展。
　　从工业界的角度，我发现了设计的艺术和产品开发的价值，因此，本书强调直觉和直观、系统目标、可靠性和设计流程。作为一个学者，我坚持学习教学展示的艺术，理解技术深度的价值，跳出惯性思维的束缚。因此读者会在本书中发现，我试图呈现一个兼具实用性和学术价值的模拟集成电路和线性稳压器集成电路设计方法。毋庸置疑，我还有许多东西需要学习，尽管如此，希望我对本书的付出和对该领域的贡献能够赢得广大读者的充分支持，并希望读者对于书中的不足、矛盾和不准确描述给予谅解。
　　Gabriel Alfonso Rincón-Mora博士 

　　译者序
　　片上系统（System on Chip，SoC）集成需求正不断增大，由于线性稳压器具有噪声小、对负载突变的响应速度快等优点，在模拟和混合信号芯片中占据越来越重要的地位。
　　本书是佐治亚理工学院Rincón-Mora教授的最新著作，是作者20多年的商用电源微电子芯片开发经验以及引领电源和能量调节集成电路领域技术发展的杰出研究工作的总结。本书组织严谨，内容丰富，涵盖了包括固态半导体理论、电路设计、模拟电路基本单元分析、反馈和偏置电路、频率响应、集成电路设计以及电路保护等模拟集成电路设计的所有基本方面。并且，在讲授这些内容时，本书十分强调直觉和直观，通过本书的学习，可以培养读者对于模拟电路的洞察力。本书的另一个特色是，整本书就是一个自顶向下再到顶（top-down-top）的设计实例，以线性稳压器设计的角度，从抽象视角开始系统分析，然后进入器件级进行基础分析，之后逐渐上升到电路设计，最后再到系统设计，但最终设计以晶体管级的形式实现。因此，本书是一本十分难得的兼具实用性和学术价值的参考书籍。
　　本书由华中科技大学的陈晓飞组织翻译，参加翻译工作的人员主要有陈晓飞、邹望辉、刘政林和邹雪城。在本书的翻译工作中，华中科技大学超大规模集成电路与系统研究中心的刘小瑞、张缨洁、王玄、许泽华、资海平、董一帆、邹大鹏等研究生同学提供了许多帮助并参加了部分内容的翻译，机械工业出版社刘星宁老师给予了很大支持，在此一并表示衷心的感谢。
　　译者
　　2016年4月

《模拟集成电路设计——以LDO设计为例》（原书第2版）进行了全面修订并扩充了大量内容，旨在满足新兴的混合信号系统需求。本书讲述了模拟集成电路设计的概念，并详细阐述了如何用这些概念来指导低压差线性稳压器（LDO）集成电路的设计、分析以及如何基于双极、CMOS和BiCMOS半导体工艺技术来构建LDO电路系统。本书十分重视对电路洞察力的培养，对提出的课题进行直观分析并得出结论。本书还展示了如何开发和评估针对当今日益增长的无线和移动市场应用的模拟集成电路芯片。另外，书中大量的实例和章末复习思考题帮助读者加深对这一前沿指导中所发展出的重要概念和技术的理解。
    通过本书的学习，读者将学会如何：
    1）评估供电电源系统；
    2）预测并制定线性稳压器的性能指标以及其对电源、负载和工作条件变化的响应特性；
    3）更好地利用半导体器件——电阻、电容、二极管和晶体管；
    4）通过组合微电子元件设计电流镜、差动对、差动放大器、线性稳压器以及这些电路的变体；
    5）闭合和稳定调整电压和电流的反馈控制环路；
    6）设计可靠的偏置电流和电压基准电路；
    7）确定模拟集成电路和模拟系统的小信号动态响应；
    8）建立独立、稳定、无噪声和可预测的供电电压；
    9）实现过电流保护、热关断、反向电池保护和ESD保护电路；
    10）测试、测量和评估线性稳压器芯片。

《模拟集成电路设计——以LDO设计为例（原书第2版）》借由集成线性稳压器的设计，全面介绍了模拟集成电路的设计方法，包括固态半导体理论、电路设计理论、模拟电路基本单元分析、反馈和偏置电路、频率响应、线性稳压器集成电路设计以及电路保护和特性等。《模拟集成电路设计——以LDO设计为例（原书第2版）》从面向设计的角度来阐述模拟集成电路的设计，强调直觉和直观、系统目标、可靠性和设计流程，借助大量的实例，向初学者介绍整个模拟集成电路的设计流程，并引导其熟悉应用，同时本书也适用于有经验的电源集成电路设计工程师，不仅能帮助他们对模拟电路和线性稳压器的理论有更深刻的理解，而且书中所呈现的线性稳压器的技术发展也可以给予他们很多启发，是一本兼具实用性和学术价值的模拟集成电路和集成线性稳压器设计的优秀教科书和参考书。

GabrielAlfonsoRincón-Mora博士，1994~2003年供职于德州仪器公司，担任一个高级集成电路设计团队的领导。1999年Rincón-Mora博士受聘为佐治亚理工学院的兼职教授，并在2001年受聘为全职教授，自2011年起，受聘为台湾成功大学的客座教授。他是IEEE和IET的院士，同时也是38项专利的发明人/共同发明人和超过160篇论文的作者/共同作者。Rincón-Mora博士已经写过8本著作，成功设计26余款商用电源芯片，并且获得了多项奖励，包括西班牙裔专业工程师协会（SHPE）颁发的全国西班牙裔技术奖，佛罗里达国际大学颁发的CharlesEPerry远见奖，加利福尼亚州副州长颁发的表彰证书，IEEECASS颁发的IEEE服务奖，空军基地颁发的西班牙裔骄傲和遗产奖。2000年，佐治亚理工学院邀请Rincón-Mora博士加入杰出青年工程师校友理事会，同年西班牙商业杂志将其列为“一百个具影响力的西班牙裔”之一。目前他主要致力于利用微型电池和环境能量为无线和移动设备供电的集成电路系统的研究。

译者序
原书前言
作者简介
第1章电源系统1
1.1电源管理中的稳压器1
1.2线性稳压器和开关稳压器的对比2
1.2.1响应时间的折中3
1.2.2噪声4
1.2.3功率转换效率4
1.3市场需求5
1.3.1系统5
1.3.2集成6
1.3.3工作寿命6
1.3.4电源净空7
1.4电源8
1.4.1早期电池8
1.4.2锂离子电池9
1.4.3燃料电池9
1.4.4核能电池10
1.4.5能量收集器10
1.5计算机仿真11
1.6总结12
1.7复习题13
第2章线性稳压器14
2.1工作区域14
2.2性能指标15
2.2.1精度15
2.2.2功率转换效率25
2.2.3工作要求27
2.2.4品质因子29
2.3工作环境30
2.3.1负载31
2.3.2稳压点32
2.3.3寄生效应33
2.4分类34
2.4.1输出电流34
2.4.2压差34
2.4.3补偿34
2.4.4类别35
2.5模块级构成36
2.6总结37
2.7复习题38
第3章微电子器件39
3.1电阻39
3.1.1工作原理39
3.1.2寄生元件40
3.1.3版图40
3.1.4绝对精度和相对精度42
3.2电容43
3.2.1工作原理43
3.2.2寄生元件44
3.2.3版图45
3.2.4绝对精度和相对精度45
3.3PN结二极管46
3.3.1工作原理46
3.3.2寄生元件49
3.3.3版图和匹配50
3.3.4小信号模型52
3.4双极型晶体管（BJT）53
3.4.1工作原理53
3.4.2纵向BJT56
3.4.3横向BJT57
3.4.4衬底BJT58
3.4.5小信号模型59
3.5金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）61
3.5.1工作原理61
3.5.2寄生电容66
3.5.3P沟道MOSFET67
3.5.4晶体管变化67
3.5.5版图和匹配69
3.5.6小信号模型71
3.5.7MOS电容73
3.5.8沟道电阻73
3.6结型场效应晶体管(JFET)73
3.6.1工作原理73
3.6.2P沟道JFET75
3.6.3大信号模型75
3.6.4版图和匹配76
3.6.5小信号模型76
3.6.6相对性能78
3.7绝对精度和相对精度78
3.8总结79
3.9复习题80
第4章单晶体管基本单元82
4.1二端口模型82
4.2频率响应83
4.2.1极点84
4.2.2零点85
4.2.3米勒分裂87
4.2.4电容-分流-电阻法88
4.3信号流89
4.3.1输入和输出89
4.3.2极性89
4.3.3单晶体管基本单元90
4.4共发射极/共源极跨导器90
4.4.1大信号工作90
4.4.2小信号模型91
4.4.3频率响应93
4.4.4发射极/源极负反馈95
4.5共基极/共栅极电流缓冲器99
4.5.1大信号工作99
4.5.2小信号模型100
4.5.3频率响应103
4.5.4基极负反馈104
4.6共集电极/共漏极电压跟随器104
4.6.1大信号工作104
4.6.2小信号模型105
4.6.3频率响应108
4.7小信号概括和近似109
4.7.1功能109
4.7.2电阻110
4.7.3频率响应112
4.8总结113
4.9复习题114
第5章模拟电路基本单元115
5.1电流镜115
5.1.1工作原理115
5.1.2小信号模型118
5.1.3带基极电流校正的电流镜119
5.1.4电压校正共源共栅/共射共基（Cascode）电流镜120
5.1.5低电压Cascode电流镜121
5.2差动对123
5.2.1大信号工作124
5.2.2差分信号125
5.2.3共模信号127
5.2.4发射极/源极负反馈128
5.2.5CMOS差动对129
5.3基极/栅极耦合对130
5.3.1大信号工作130
5.3.2小信号响应132
5.3.3输入参考失调和噪声134
5.4差动级136
5.4.1大信号工作137
5.4.2差分信号138
5.4.3共模信号140
5.4.4输入参考失调和噪声143
5.4.5电源抑制145
5.4.6折叠式Cascode147
5.5总结151
5.6复习题152
第6章负反馈154
6.1反馈环路154
6.1.1环路构成154
6.1.2调整155
6.1.3输出转化156
6.2反馈效应156
6.2.1灵敏度156
6.2.2阻抗157
6.2.3频率响应160
6.2.4噪声162
6.2.5线性度163
6.3负反馈结构166
6.3.1跨导放大器166
6.3.2电压放大器167
6.3.3电流放大器168
6.3.4跨阻放大器169
6.4分析170
6.4.1分析过程170
6.4.2叠加器173
6.4.3采样器174
6.4.4跨导放大器175
6.4.5电压放大器179
6.4.6电流放大器183
6.4.7跨阻放大器188
6.5稳定性193
6.5.1频率响应193
6.5.2补偿195
6.5.3反相零点200
6.5.4嵌入式环路202
6.6设计202
6.6.1设计概念202
6.6.2系统结构设计203
6.6.3频率补偿204
6.7总结204
6.8复习题205
第7章偏置电流和基准电路207
7.1电压基元207
7.2PTAT电流208
7.2.1交叉耦合四管单元209
7.2.2锁存单元210
7.3CTAT电流213
7.3.1电流采样BJT214
7.3.2电压采样二极管214
7.4温度补偿215
7.4.1带误差补偿的BJT电流基准源216
7.4.2基于二极管的电流基准源217
7.4.3带误差补偿的基于二极管的电流基准源218
7.5启动电路218
7.5.1连续导通启动电路219
7.5.2按需导通启动电路220
7.6频率补偿222
7.7电源噪声抑制223
7.8带隙电流基准源224
7.8.1基于BJT的带隙电流基准源224
7.8.2基于二极管的带隙电流基准源225
7.9带隙电压基准源226
7.9.1电流-电压转换226
7.9.2输出电压调整227
7.10精度230
7.11总结231
7.12复习题232
第8章小信号响应234
8.1小信号等效电路234
8.2无补偿时的响应236
8.2.1相关电容和电阻236
8.2.2环路增益236
8.3频率补偿239
8.3.1输出端补偿240
8.3.2内部补偿242
8.4电源抑制245
8.4.1分压器模型246
8.4.2馈通噪声247
8.4.3米勒电容253
8.4.4分析255
8.4.5结论261
8.5补偿策略对比261
8.6总结262
8.7复习题264
第9章集成电路设计265
9.1设计流程265
9.2功率晶体管266
9.2.1备选方案266
9.2.2版图269
9.3缓冲器276
9.3.1驱动N型功率晶体管276
9.3.2驱动P型功率晶体管278
9.3.3版图290
9.4误差放大器290
9.4.1净空291
9.4.2电源抑制294
9.4.3输入参考失调296
9.4.4版图299
9.5总结307
9.6复习题309
第10章线性稳压器310
10.1低压差稳压器310
10.1.1输出端补偿的PMOS稳压器310
10.1.2米勒补偿的PMOS稳压器314
10.2宽带稳压器318
10.2.1内部补偿的NMOS稳压器319
10.3自参考稳压器322
10.3.1零阶温度无关性322
10.3.2温度补偿323
10.4性能增强330
10.4.1功率晶体管330
10.4.2缓冲器333
10.4.3环路增益335
10.4.4负载调整率336
10.4.5负载突变响应339
10.4.6电源抑制340
10.5电流调整343
10.5.1电流源343
10.5.2电流镜344
10.6总结347
10.7复习题347
第11章保护与特性349
11.1保护349
11.1.1过电流保护349
11.1.2热关断353
11.1.3反向电池保护355
11.1.4静电放电保护356
11.2特性358
11.2.1模拟负载359
11.2.2调整性能360
11.2.3功率性能366
11.2.4工作要求368
11.2.5启动370
11.3总结371
11.4复习题