Last Update 2021/04/09
LSI設計者のための
CMOSアナログ回路入門
A5判 336ページ
定価3,080円(税込)
JAN9784789830379
2005年1月1日発行
好評発売中！
現在，アナログ回路とディジタル回路を一つのLSIに集積することが珍しくなくなっています．また，LSI の高性能化にともない，ディジタル回路設計においても，アナログ回路の知識が要求されるようになってきました．
本書は，CMOS LSI時代に求められるアナログ回路の基礎を，わかりやすく解説しています．CMOSアナログ回路のエンジンであるMOSFETの動作原理から，増幅回路，バイアス回路，フィードバック回路などの回路ブロック，OPアンプ，A-Dコンバータ，スイッチト・キャパシタ回路などの応用回路を取り上げています．
本書は，CMOS LSI時代に求められるアナログ回路の基礎を，わかりやすく解説しています．CMOSアナログ回路のエンジンであるMOSFETの動作原理から，増幅回路，バイアス回路，フィードバック回路などの回路ブロック，OPアンプ，A-Dコンバータ，スイッチト・キャパシタ回路などの応用回路を取り上げています．
目次
第1章 アナログ集積回路の予備知識
1.1 アナログ回路設計者の心構え
1.1.1 ディジタル回路でもアナログの知識が要求される
1.1.2 アナログ回路設計に適した人とは
1.2 シリコン基板を理解する
1.2.1 シリコン結晶の構造
1.2.2 ドナーとアクセプタ
1.2.3 pn接合の電気的特性
1.3 MOS素子の構造
1.4 MOS型集積回路の製造工程(素子形成工程)
1.5 MOS型集積回路の製造工程(配線工程)
コラムA 先端ディジタル回路設計者に期待される能力
コラムB キルビー特許について
第2章 MOSFETの動作
2.1 MOS素子の動作原理
2.1.1 MOS素子の電気的特性
2.1.2 弱反転領域(VGS>VT)の電気的特性
2.1.3 強反転領域(VGS<VT)の電気的特性
2.1.4 最先端MOSFETの特性
2.1.5 ID-VDS特性の傾斜(λ)
2.1.6 飽和ドレイン電圧(VDsat)
2.2 MOS素子の小信号等価回路モデル
2.2.1 相互コンダクタンス
第2章のまとめ
コラムC MOSFET発展の経緯
コラムD 高電界中では電子の速度は飽和する
第3章 MOS増幅回路の基礎
3.1 基本増幅回路
3.1.1 ソース接地増幅回路
3.1.2 ゲート接地増幅回路
3.1.3 ドレイン接地増幅回路
3.2 カスコード増幅回路
第3章のまとめ
コラムF MOSFETの真性利得の意味を理解する
コラムG 増幅回路の利得
第4章 増幅回路の周波数特性
4.1 フィルタ特性を理解する
4.2 周波数特性を決める要素
4.2.1 MOSFETの増幅機能を理解する
4.2.2 出力端子側のローパス・フィルタ特性を考慮する
4.2.3 高域遮断周波数ωpoについて
4.2.4 入力端子側のフィルタ特性
4.2.5 入出力間容量を介した信号の伝播
4.3 増幅回路の周波数特性
4.3.1 ソース接地増幅回路の周波数特性
4.3.2 カスコード増幅回路の周波数応答特性
第4章のまとめ
コラムH 寄生キャパシタ
第5章 アナログ回路のノイズ
5.1 ノイズを伝える三つの要素
5.1.1 寄生キャパシタを介して伝播するノイズ
5.1.2 寄生インダクタを介したノイズの伝播
5.1.3 寄生(基板)抵抗を介したノイズの伝播
5.2 ノイズに強いアナログ回路設計
5.2.1 差動信号による処理
5.2.2 差動信号利用時の注意
第5章のまとめ
コラムI シリコン基板は誘電体それとも抵抗体？
コラムJ MOSFETが発生するノイズ
第6章 差動増幅回路
6.1 ソース接地増幅回路の入力許容範囲
6.2 差動増幅回路
6.3 差動電圧利得と同相電圧利得
6.4 差動増幅回路の許容入力範囲
第7章 バイアス回路と参照電源回路
7.1 基本電流源回路
7.2 カスコード電流源回路
7.3 低電源電圧用電流源回路
7.4 参照電圧源回路
7.5 参照電流源回路
第7章のまとめ
コラムK 新しいシリコン材料
第8章 コンパレータ回路
8.1 サンプル&ホールド回路
8.1.1 理想的なサンプル&ホールド回路の基本動作
8.1.2 現実のサンプル&ホールド回路の問題点
8.2 増幅器とラッチ回路の過渡応答特性
8.2.1 増幅回路の過渡応答特性
8.2.2 ラッチ回路の過渡応答特性
8.3 前置増幅器とラッチ回路を組み合わせた高速コンパレータ
8.4 高速ラッチ回路のオフセット・キャンセル法
8.5 コンパレータの出力バッファ回路
コラムL 電荷注入量を入力電圧によらず一定とするくふう
コラムM OPアンプの基本動作
コラムN kBT/Cノイズ
第9章 素子マッチングとレイアウト
9.1 MOSFET特性のばらつき
9.1.1 ウェハ内の特性ばらつき
9.1.2 隣接するMOSFET対の特性ばらつき
9.1.3 回路動作時の特性ばらつき
9.1.4 製造工程特有の特性ばらつき
9.1.5 パッケージングで発生する特性ばらつき
9.2 MOSFET対のばらつきの影響を軽減する方法
9.2.1 差動入力段でのオフセット電圧を低減するバイアス設定
9.2.2 カレント・ミラー回路における電流誤差を小さくする方法
9.3 MIMキャパシタと多結晶シリコン抵抗
コラムO 微小MOSFETの電気的特性のばらつき
第10章 フィードバック回路
10.1 帰還回路の概念
10.2 帰還回路の効用
10.2.1 出力信号を帰還するとひずみが小さくなる
10.2.2 帰還するとアンプの帯域幅が広がる
10.2.3 帰還量をまちがえると増幅回路は不安定になる
10.2.4 帰還量βFの周波数依存性を考える
10.3 帰還増幅回路
10.3.1 4種類の帰還回路
10.3.2 帰還回路の入出力インピーダンス
10.3.3 帰還増幅回路の実際例
第10章のまとめ
第11章 OPアンプ―基礎編―
11.1 OPアンプとは
11.2 OPアンプを構成する要素回路
11.3 差動入力段
11.3.1 基本差動増幅回路
11.3.2 カスコード差動増幅回路
11.3.3 折り返しカスコード差動増幅回路
11.3.4 利得強化型カスコード差動増幅回路
11.4 2段構成のOPアンプの設計法
11.4.1 OPアンプを構成する素子が飽和領域で動作する条件
11.4.2 OPアンプが安定に動作する条件
11.4.3 手計算によるOPアンプの設計
第11章のまとめ
コラムP 2段OPアンプの周波数応答特性
第12章 OPアンプ―応用編―
12.1 入力段の許容電圧範囲を拡大する
12.1.1 基本的な差動増幅回路で発生する問題
12.1.2 nチャネルとpチャネルの特徴を生かす
12.1.3 入力段の改良
12.1.4 相互コンダクタンスを一定にする回路
12.2 出力バッファ回路の低電圧化
12.2.1 ソース接地のnチャネル，pチャネルMOSFETによる回路
12.2.2 従来型AB級出力バッファ回路
12.2.3 フィードバック型AB級バッファ回路
12.3 位相補償
12.3.1 周波数応答特性
12.3.2 パルス応答
12.4 全差動型OPアンプ
12.4.1 コモン・モード・フィードバック回路
12.4.2 全差動型OPアンプの種類
第12章のまとめ
第13章 フィルタの伝達関数
13.1 フィルタの種類と歴史
13.2 伝達関数の物理的なイメージ
13.2.1 インパルス応答
13.2.2 振動様式パラメータpiの決めかた(ラプラス変換)
13.2.3 極と零点の意味
13.3 フィルタの周波数特性
13.4 フィルタの実現法
13.4.1 基本伝達関数を持つフィルタ
13.4.2 基本伝達関数を実現する方法
13.5 理想的なフィルタ特性の実現法
13.6 フィルタの基本回路―積分器
13.6.1 積分回路の作りかた
13.6.2 OPアンプを用いた積分器
13.7 積分器で1次伝達関数を実現する
第13章のまとめ
第14章 連続時間フィルタ回路
14.1 OPアンプを使った積分器で2次伝達関数を実現する
14.2 OTAを使ったフィルタ回路
14.2.1 電圧電流変換回路(OTA)
14.2.2 全差動型OTAを用いたフィルタ回路の実現法
コラムQ 携帯電話の中で活躍するアナログ回路
第15章 スイッチト・キャパシタ
15.1 基本スイッチト・キャパシタ回路
15.1.1 スイッチト・キャパシタ回路の動作原理
15.1.2 スイッチト・キャパシタ回路で積分器を作る
15.2 離散時間系の伝達関数の実現法
15.2.1 要素回路のコンダクタンス
15.2.2 1次の伝達関数
15.2.3 2次の伝達関数
15.3 現実のOPアンプによる誤差
15.3.1 OPアンプの有限の利得による影響
15.3.2 OPアンプの有限の帯域による影響
15.3.3 OPアンプのオフセット電圧の影響
コラムR 離散時間信号処理の基礎
第16章 Δ-Σ変調器
16.1 Δ-Σ変調器
16.2 Δ-Σ変調器の特徴：ノイズ・シェーピング機能
16.3 高次のΔ-Σ変調器
16.4 Δ-Σ変調器の回路構成
16.5 Δ-Σ変調器の応用例
16.5.1 オーディオ用A-Dコンバータ
16.5.2 携帯電話用バンドパス・フィルタ
第16章のまとめ
コラムS エイリアシング
コラムT 折衷案を模索しながらディジ-アナ混載回路との共存を図る
第17章 A-Dコンバータ
17.1 A-D変換の原理
17.2 A-Dコンバータ固有のノイズ
17.2.1 量子化ノイズ
17.2.2 サンプリング・クロック・ジッタ
17.3 A-Dコンバータの性能指標
17.4 A-Dコンバータの種類
17.5 フラッシュ型A-Dコンバータ
17.5.1 抵抗ラダー
17.5.2 コンパレータ群
17.5.3 エンコーダ部
17.6 パイプライン型A-Dコンバータ
17.6.1 スイッチト・キャパシタ回路(機能回路ブロック)
コラムU 機能回路ブロックに誤差があると…
第18章 D-Aコンバータ
18.1 参照電圧を抵抗列で分圧する方法
18.2 電流源を用いたD-Aコンバータ
18.2.1 R-2R抵抗ラダー(バイナリ方式)
18.2.2 MOSFETスイッチのON抵抗を考慮する
18.2.3 温度計コードを用いた電流源方式
18.2.4 セグメント方式
18.3 電荷転送(キャパシタ)方式によるD-Aコンバータ
18.4 14ビット以上の高精度D-Aコンバータを実現する方法
第1章 アナログ集積回路の予備知識
1.1 アナログ回路設計者の心構え
1.1.1 ディジタル回路でもアナログの知識が要求される
1.1.2 アナログ回路設計に適した人とは
1.2 シリコン基板を理解する
1.2.1 シリコン結晶の構造
1.2.2 ドナーとアクセプタ
1.2.3 pn接合の電気的特性
1.3 MOS素子の構造
1.4 MOS型集積回路の製造工程(素子形成工程)
1.5 MOS型集積回路の製造工程(配線工程)
コラムA 先端ディジタル回路設計者に期待される能力
コラムB キルビー特許について
第2章 MOSFETの動作
2.1 MOS素子の動作原理
2.1.1 MOS素子の電気的特性
2.1.2 弱反転領域(VGS>VT)の電気的特性
2.1.3 強反転領域(VGS<VT)の電気的特性
2.1.4 最先端MOSFETの特性
2.1.5 ID-VDS特性の傾斜(λ)
2.1.6 飽和ドレイン電圧(VDsat)
2.2 MOS素子の小信号等価回路モデル
2.2.1 相互コンダクタンス
第2章のまとめ
コラムC MOSFET発展の経緯
コラムD 高電界中では電子の速度は飽和する
第3章 MOS増幅回路の基礎
3.1 基本増幅回路
3.1.1 ソース接地増幅回路
3.1.2 ゲート接地増幅回路
3.1.3 ドレイン接地増幅回路
3.2 カスコード増幅回路
第3章のまとめ
コラムF MOSFETの真性利得の意味を理解する
コラムG 増幅回路の利得
第4章 増幅回路の周波数特性
4.1 フィルタ特性を理解する
4.2 周波数特性を決める要素
4.2.1 MOSFETの増幅機能を理解する
4.2.2 出力端子側のローパス・フィルタ特性を考慮する
4.2.3 高域遮断周波数ωpoについて
4.2.4 入力端子側のフィルタ特性
4.2.5 入出力間容量を介した信号の伝播
4.3 増幅回路の周波数特性
4.3.1 ソース接地増幅回路の周波数特性
4.3.2 カスコード増幅回路の周波数応答特性
第4章のまとめ
コラムH 寄生キャパシタ
第5章 アナログ回路のノイズ
5.1 ノイズを伝える三つの要素
5.1.1 寄生キャパシタを介して伝播するノイズ
5.1.2 寄生インダクタを介したノイズの伝播
5.1.3 寄生(基板)抵抗を介したノイズの伝播
5.2 ノイズに強いアナログ回路設計
5.2.1 差動信号による処理
5.2.2 差動信号利用時の注意
第5章のまとめ
コラムI シリコン基板は誘電体それとも抵抗体？
コラムJ MOSFETが発生するノイズ
第6章 差動増幅回路
6.1 ソース接地増幅回路の入力許容範囲
6.2 差動増幅回路
6.3 差動電圧利得と同相電圧利得
6.4 差動増幅回路の許容入力範囲
第7章 バイアス回路と参照電源回路
7.1 基本電流源回路
7.2 カスコード電流源回路
7.3 低電源電圧用電流源回路
7.4 参照電圧源回路
7.5 参照電流源回路
第7章のまとめ
コラムK 新しいシリコン材料
第8章 コンパレータ回路
8.1 サンプル&ホールド回路
8.1.1 理想的なサンプル&ホールド回路の基本動作
8.1.2 現実のサンプル&ホールド回路の問題点
8.2 増幅器とラッチ回路の過渡応答特性
8.2.1 増幅回路の過渡応答特性
8.2.2 ラッチ回路の過渡応答特性
8.3 前置増幅器とラッチ回路を組み合わせた高速コンパレータ
8.4 高速ラッチ回路のオフセット・キャンセル法
8.5 コンパレータの出力バッファ回路
コラムL 電荷注入量を入力電圧によらず一定とするくふう
コラムM OPアンプの基本動作
コラムN kBT/Cノイズ
第9章 素子マッチングとレイアウト
9.1 MOSFET特性のばらつき
9.1.1 ウェハ内の特性ばらつき
9.1.2 隣接するMOSFET対の特性ばらつき
9.1.3 回路動作時の特性ばらつき
9.1.4 製造工程特有の特性ばらつき
9.1.5 パッケージングで発生する特性ばらつき
9.2 MOSFET対のばらつきの影響を軽減する方法
9.2.1 差動入力段でのオフセット電圧を低減するバイアス設定
9.2.2 カレント・ミラー回路における電流誤差を小さくする方法
9.3 MIMキャパシタと多結晶シリコン抵抗
コラムO 微小MOSFETの電気的特性のばらつき
第10章 フィードバック回路
10.1 帰還回路の概念
10.2 帰還回路の効用
10.2.1 出力信号を帰還するとひずみが小さくなる
10.2.2 帰還するとアンプの帯域幅が広がる
10.2.3 帰還量をまちがえると増幅回路は不安定になる
10.2.4 帰還量βFの周波数依存性を考える
10.3 帰還増幅回路
10.3.1 4種類の帰還回路
10.3.2 帰還回路の入出力インピーダンス
10.3.3 帰還増幅回路の実際例
第10章のまとめ
第11章 OPアンプ―基礎編―
11.1 OPアンプとは
11.2 OPアンプを構成する要素回路
11.3 差動入力段
11.3.1 基本差動増幅回路
11.3.2 カスコード差動増幅回路
11.3.3 折り返しカスコード差動増幅回路
11.3.4 利得強化型カスコード差動増幅回路
11.4 2段構成のOPアンプの設計法
11.4.1 OPアンプを構成する素子が飽和領域で動作する条件
11.4.2 OPアンプが安定に動作する条件
11.4.3 手計算によるOPアンプの設計
第11章のまとめ
コラムP 2段OPアンプの周波数応答特性
第12章 OPアンプ―応用編―
12.1 入力段の許容電圧範囲を拡大する
12.1.1 基本的な差動増幅回路で発生する問題
12.1.2 nチャネルとpチャネルの特徴を生かす
12.1.3 入力段の改良
12.1.4 相互コンダクタンスを一定にする回路
12.2 出力バッファ回路の低電圧化
12.2.1 ソース接地のnチャネル，pチャネルMOSFETによる回路
12.2.2 従来型AB級出力バッファ回路
12.2.3 フィードバック型AB級バッファ回路
12.3 位相補償
12.3.1 周波数応答特性
12.3.2 パルス応答
12.4 全差動型OPアンプ
12.4.1 コモン・モード・フィードバック回路
12.4.2 全差動型OPアンプの種類
第12章のまとめ
第13章 フィルタの伝達関数
13.1 フィルタの種類と歴史
13.2 伝達関数の物理的なイメージ
13.2.1 インパルス応答
13.2.2 振動様式パラメータpiの決めかた(ラプラス変換)
13.2.3 極と零点の意味
13.3 フィルタの周波数特性
13.4 フィルタの実現法
13.4.1 基本伝達関数を持つフィルタ
13.4.2 基本伝達関数を実現する方法
13.5 理想的なフィルタ特性の実現法
13.6 フィルタの基本回路―積分器
13.6.1 積分回路の作りかた
13.6.2 OPアンプを用いた積分器
13.7 積分器で1次伝達関数を実現する
第13章のまとめ
第14章 連続時間フィルタ回路
14.1 OPアンプを使った積分器で2次伝達関数を実現する
14.2 OTAを使ったフィルタ回路
14.2.1 電圧電流変換回路(OTA)
14.2.2 全差動型OTAを用いたフィルタ回路の実現法
コラムQ 携帯電話の中で活躍するアナログ回路
第15章 スイッチト・キャパシタ
15.1 基本スイッチト・キャパシタ回路
15.1.1 スイッチト・キャパシタ回路の動作原理
15.1.2 スイッチト・キャパシタ回路で積分器を作る
15.2 離散時間系の伝達関数の実現法
15.2.1 要素回路のコンダクタンス
15.2.2 1次の伝達関数
15.2.3 2次の伝達関数
15.3 現実のOPアンプによる誤差
15.3.1 OPアンプの有限の利得による影響
15.3.2 OPアンプの有限の帯域による影響
15.3.3 OPアンプのオフセット電圧の影響
コラムR 離散時間信号処理の基礎
第16章 Δ-Σ変調器
16.1 Δ-Σ変調器
16.2 Δ-Σ変調器の特徴：ノイズ・シェーピング機能
16.3 高次のΔ-Σ変調器
16.4 Δ-Σ変調器の回路構成
16.5 Δ-Σ変調器の応用例
16.5.1 オーディオ用A-Dコンバータ
16.5.2 携帯電話用バンドパス・フィルタ
第16章のまとめ
コラムS エイリアシング
コラムT 折衷案を模索しながらディジ-アナ混載回路との共存を図る
第17章 A-Dコンバータ
17.1 A-D変換の原理
17.2 A-Dコンバータ固有のノイズ
17.2.1 量子化ノイズ
17.2.2 サンプリング・クロック・ジッタ
17.3 A-Dコンバータの性能指標
17.4 A-Dコンバータの種類
17.5 フラッシュ型A-Dコンバータ
17.5.1 抵抗ラダー
17.5.2 コンパレータ群
17.5.3 エンコーダ部
17.6 パイプライン型A-Dコンバータ
17.6.1 スイッチト・キャパシタ回路(機能回路ブロック)
コラムU 機能回路ブロックに誤差があると…
第18章 D-Aコンバータ
18.1 参照電圧を抵抗列で分圧する方法
18.2 電流源を用いたD-Aコンバータ
18.2.1 R-2R抵抗ラダー(バイナリ方式)
18.2.2 MOSFETスイッチのON抵抗を考慮する
18.2.3 温度計コードを用いた電流源方式
18.2.4 セグメント方式
18.3 電荷転送(キャパシタ)方式によるD-Aコンバータ
18.4 14ビット以上の高精度D-Aコンバータを実現する方法