序言

  由于数字集成电路的发展速度超过了模拟集成电路，曾有人对模拟集成电路的发展前景感到悲观，更有甚者认为这个世界或许不再需要模拟电路了。实际上，模拟集成电路并没有消亡，而是伴随着数字电路集成电路的成长而发展，成就了今天Linear Technology Corporation，Analog Devices ,Inc.等著名的以模拟集成电路见长的集成电路设计公司。这得益于我们的现实世界是一个模拟的世界，现实世界中的模拟信号需要经过模拟电路的放大和采样后再经模拟/数字转换器（ADC）转化为计算机或数字信号处理器（DSP）容易处理的数字信号。此外，计算机或数字信号处理器输出的数字信号也需要再经过数字/模拟转换器（DAC）转化为现实世界的模拟信号，例如如声音和图像等。因此，我们可将A/D转换器和D/A转换器看成是模拟电路和数字电路之间的桥梁。模拟数字转换器是重要的电路模块，它既可以作为独立的电路单元使用，又可在片上集成系统（SoC）中作为模拟子单元使用。

  目前的集成电路设计是一个数字与模拟并存的混合集成电路时代,尽管数字集成电路的发展速度、产品规模及其市场份额明显领先于模拟集成电路,但由于模拟集成电路的特殊性、复杂性和不可替代性，越发体现出它在数字时代所具有的价值。片上集成系统性能及功能的提高离不开模拟集成电路性能的提高，由于模拟集成电路设计参数之间的相互制约、电路易受噪声干扰的特点以及受制程工艺的限制,它的发展和产品性能指标还不能满足整体系统的需要,甚至成为提高整体性能的瓶颈。随着EDA工具、Foundry工艺PDK的完善以及设计水平的提高,模拟集成电路正在步入新的发展时代，即通过数字处理来提高模拟电路的性能，数字和模拟集成电路的设计正在趋向于数/模混合集成电路的设计和制造。混合信号有些书籍将其定义为具有数字信号处理能力的电路，例如ADC中的sigma-delta架构应该算是其中的一个典型代表。随着数字校准技术的应用，越来越多的ADC开始具备很强的数字处理能力。

  近20年来，CMOS技术已经渗透进入模拟集成电路设计的方方面面，特别是随着CMOS工艺的进步，现在的模拟集成电路中，设计低电源电压，低功耗，同时包含对离散时间信号进行处理的混合信号系统已经成为主流。其中，A/D转换电路和D/A转换电路作为自然世界模拟量与信号处理数字量之间的桥梁，成为模拟集成电路设计中最重要的系统，也一直是产业界、学术界最为重视的模拟集成系统之一。从世界范围内看，模拟集成电路设计人才，尤其是A/D转换电路，D/A转换电路的设计人才由于培养成本高、设计经验要求高，知识面要求宽等原因导致严重人才供给不足。目前，国内专门阐述A/D转换电路设计的教科书相对偏少，大多数教科书更多的偏重于理论讲解，对于高校学生和经验较少的工程师而言难以理解和应用。专门针对数模混合芯片设计进行系统和深入介绍的书籍比较少，除了一些会议合集以及国外一些介绍ADC和DAC的书本外，市面上很难找到和ADC设计实际相关的书籍。作为数模混合芯片设计的一个重要部分，ADC设计在教学、入门和研发方面缺乏一个专门的课本来引导学生进入这个领域，这也是我们撰写这本书的主要目的。

  目前，国外模数转换器的设计和研究开发已经达到了相当高的水平，而我国在这个方面起步较晚，特别是高速、高精度的模数转换器设计和开发尚且比较落后。为了缩短与国外先进水平之间的差距，在《国家中长期科学和技术发展纲要（2006-2020年）》中确定的未来15年国家力争取得突破的16个重大科技专项中，第一项就是“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件”。开展高端通用芯片的研发工作，对于缩短我国与国外高科技水平的差距，提高我国集成电路产业的整体竞争力具有极其重要的意义。作为高端通用芯片家族的重要一员，高精度、高分辨率的ADC，由于其极低噪声和失真的性能要求，实现技术难度很大,一直是模拟集成电路领域兵家争夺的技术高地。

  本书主要涉及ADC模拟电路设计、数字校正和噪声分析等数模混合电路设计领域中的关键技术。主要以实际设计案件为例，更多了阐述了设计本身所注重的过程和各过程中应用的技术，能够使初学者相对容易的领会ADC电路的设计思路及设计过程。主要内容取自研究生课程有关模拟集成电路设计的讲义和研究生论文ADC设计中的相关实际内容，不仅可以作为在校本科生和研究生的主要参考书，也能对已经从事集成电路设计工作的工程师继续学习提供有益的帮助。本书的目标读者是面向从事ADC设计领域的初学者或者专门从事这个领域设计的工程师，尤其是从事流水线ADC设计的研发人员。我们期望通过这本书的学习，读者能掌握模数转换器设计的基本方法、关键电路模块的分析，使他们能很快适应ADC设计和研发的需要。

  本书以混合信号ADC CMOS芯片设计为重点，采用循序渐进的章节安排，将ADC设计的整个流程的相关知识和工具由浅入深地进行介绍。重点介绍ADC领域的理论基础、算法、主流架构和具体电路实现的整个流程，包括主要子模块的架构和具体电路设计/分析，以及设计过程所需的EDA工具使用等。第一章主要介绍了ADC设计的国内外趋势和发展方向，所涉及的设计工具和设计流程。第二章主要介绍了ADC算法及其不同的实现架构，并介绍了ADC的主要指标，包括无杂散动态范围、谐波失真、信噪比、DNL/INL非线性和有效位数等指标。最后针对速度、精度和功耗的三个关键指标，通过系统、电路和校准3个层次介绍了目前国内外研究的主要趋势和实现技术。第三章详细论述了带隙电压源的温度特性和典型的电路架构以及失调电压对带隙基准温度特性的影响。第四章对电流镜及其在偏置电路中的应用进行详细介绍，包括抑制沟道调制效应和宽摆幅电流镜的分析，提高电源抑制的自偏置电路等。第五章介绍ADC设计中的最重要模块运算放大器，分析常用的增益加强型共源共栅放大器。第六章讲述各类比较电路的工作原理，分析影响比较电路工作精度的因素和提高其工作精度的方法。第七章重点介绍了采用斩波技术降低或消除输入失调电压的基本原理和实际电路实现。第八章着重介绍构成流水线ADC的每一级电路的采样/保持、MDAC电路，分析了常用的1.5Bit MDAC架构，以及消除电路失配所需的数字校正算法。第9章介绍了集成电路工艺技术和版图设计的相关内容，详细介绍了工艺中使用的光刻掩膜版层次及作用，以及版图布局中遵从的原则等内容。

  本书的编写组主要成员有邢建力高级工程师、林海军副教授。邢建立高工主要完成了第三章带隙参考电压源，第七章放大器失调和斩波技术和第九章CMOS工艺技术与版图技术三个章节的撰写工作。林海军教授主要完成了第六章比较器电路和第二章的部分内容。本人完成其他章节的撰写。此外，周良希、林春等也帮助完成了书中附图的整理工作。我们对上述人员表示深切谢意。本书撰写过程中，也参考和很多经典教材的特定章节，并列出在每章的参考文献部分。读者如果对特定的ADC细节感兴趣，可以参考这些文章和书籍，以获得进一步的信息。

  本书能够及时出版离不开清华大学出版社人员的辛勤工作，作者极为感谢他们对这本书所提出的宝贵意见，以及对书中的编辑、打印、插图及某些错误等建议。在编写这本书的过程中，尽管作者努力降低错误，但“漏网之鱼”还是会逃过层层筛选，作者希望读者在阅读中找出书中的错误并告知我们，我们会不胜感激。本书对一些部分的介绍还不够系统和全面，特别是在数字校准技术、ADC的测试技术等部分，留待后续版本补齐。此外本书仍可能有不少缺点和不妥之处，垦请读者批评指正。