数字设计进阶/入门篇

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isbn号码:9787560622446
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  • 可编程逻辑
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  • 进阶
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具体描述

模拟电子系统设计与分析 本书旨在为电子工程、通信工程及相关专业领域的学生和工程师提供一套全面、深入的模拟电子学理论基础与实践技能指导。内容聚焦于经典模拟电路的原理、分析方法以及现代集成电路设计中的关键技术,旨在培养读者扎实的理论功底和解决复杂模拟系统问题的能力。 --- 第一部分:半导体器件基础与工作原理 本书的开篇部分将系统回顾和深化对半导体物理基础的理解,这是所有模拟电路设计的基石。 第一章:半导体材料与PN结 半导体物理回顾: 深入探讨本征与掺杂半导体的载流子输运机制,包括漂移、扩散电流的精确数学描述。 PN结的建立与特性: 详述势垒的形成、内建电场、以及不同偏置条件下(零偏、正偏、反偏)的电荷分布和伏安特性曲线的推导。重点分析温度对结温特性的影响。 二极管模型与应用: 建立理想二极管模型、工程模型(如肖特基模型)与实际模型(包含过渡电容和存储时间)。详细介绍整流、钳位、削波电路的设计与性能评估。 第二章:双极性晶体管(BJT) BJT的结构与工作区: 详细分析NPN和PNP晶体管的结构、载流子注入过程,以及在截止、饱和、线性(放大)区的工作状态判据。 Ebers-Moll 模型与简化模型: 引入Ebers-Moll模型用于精确仿真,并推导混合π模型(Hybrid-π Model)和T模型,用于小信号分析。 BJT直流偏置电路设计: 覆盖固定偏置、集电极反馈偏置、分压器偏置等多种方法,重点讨论稳定偏置点(Q点)的选择标准——对电源和参数变化的鲁棒性。 BJT小信号放大器分析: 对共源、共基、共射极三种基本组态进行增益、输入/输出阻抗、频率响应的详细分析。 第三章:金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) MOSFET的物理结构与操作: 深入讲解MOS结构,阈值电压($V_{TH}$)的精确计算,以及在弱反型、强反型区的电荷分布和输出特性。 MOSFET的工作模式: 详细分析截止、线性(欧姆区)和饱和区的工作原理和电流方程。 CMOS器件特性: 探讨衬底效应(Body Effect)、沟道长度调制效应(Channel Length Modulation)对跨导的影响。 MOSFET偏置与放大器配置: 介绍自偏置、恒流源偏置技术。分析共源、共栅、共源共栅(Cascade)的基本配置及其优缺点。 --- 第二部分:模拟集成电路基础分析 本部分将视角从分立器件转向集成电路层面,重点分析基本放大电路的性能限制和优化方法。 第四章:运算放大器(Op-Amp)的理论与理想模型 理想运放特性: 总结理想运放的五个核心特性(无限开环增益、无限输入阻抗、零输出阻抗、无限带宽、零输入失调电压)。 负反馈理论: 详细介绍反馈的基本概念,包括反馈拓扑(串联、并联)和反馈因子的计算。利用反馈理论分析闭环增益、输入/输出阻抗的变化。 反馈对稳定性的影响: 引入相位裕度和增益裕度的概念,解释反馈电路的稳定性判据。 第五章:单级与多级放大器设计 BJT/MOS有源负载技术: 引入有源负载(如电流镜)替代电阻负载,分析其如何显著提高电压增益和输出摆幅。 电流镜电路: 深入分析匹配电阻和晶体管构成的基本电流镜,以及Widlar源和Wilson源的改进,重点探讨其输出阻抗的提升机制。 两级运放结构: 详细解析经典两级CMOS运算放大器的结构(输入级、增益级、输出级),重点分析补偿技术(如密勒补偿)以保证整体电路的稳定性。 第六章:频率响应与带宽分析 低频与高频特性: 分析耦合电容和晶体管寄生电容(如米勒电容 $C_{mu}$)对放大器频率响应的影响。 极点与零点分析: 利用复频率 $s$ 平面分析电路的极点位置,确定带宽限制。 增益带宽积(GBW)与转换速率(Slew Rate): 深入探讨GBW的物理来源,并分析Slew Rate限制对大信号响应的制约,以及如何通过设计来改善。 --- 第三部分:高级模拟电路模块与应用 本部分深入研究用于信号调理和转换的高性能模拟模块。 第七章:反馈与稳定性高级主题 根轨迹法与波德图分析: 详细讲解如何使用波德图(Bode Plot)直观地分析开环传递函数,预测闭环系统的相位裕度和增益裕度。 补偿技术详解: 深度解析米勒补偿(Miller Compensation)的原理、引入零点补偿(Nulling Resistor)的必要性,以及何时需要使用Nulling Resistor来抵消引入的零点。 频率补偿的实践: 针对不同增益结构(如单极点、双极点系统)给出具体的补偿策略选择指南。 第八章:线性稳压器与功率放大器 线性稳压器设计: 分析串联型和并联型稳压器的基本结构。重点设计高PSRR(电源抑制比)的线性稳压器,并讨论其热耗散管理。 功率放大器基础: 介绍AB类、B类推挽放大器的设计,重点解决交越失真(Crossover Distortion)问题,并分析效率和热平衡。 第九章:数据转换器基础(ADC/DAC) 数模转换器(DAC): 详细介绍电阻梯形DAC和R-2R梯形DAC的结构、非线性误差(INL/DNL)的来源与分析。 模数转换器(ADC): 重点分析采样与保持电路(Sample-and-Hold Amplifier)的设计要求。深入讲解积分型ADC(如双积分型)的工作原理,并概述逐次比较型ADC(SAR ADC)的关键结构。 --- 附录 Spice仿真指南: 常用SPICE命令(.model, .op, .tran, .ac)在模拟电路分析中的应用。 常用器件参数表: 精选的CMOS工艺参数模型(Level 3或BSIM3/4模型摘要)。 本书特色: 本书强调从基本物理定律出发,推导工程上实用的简化模型,并通过大量实例和仿真结果验证理论分析的准确性。它不仅是电路原理的深化,更是系统级模拟设计思维的培养手册。

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读后感

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用户评价

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说实话,我是在准备某大型芯片设计公司的笔试时接触到这本书的。市面上很多“应试”书籍都只侧重于知识点的堆砌,但《数字设计进阶/入门篇》却展现了一种深层的、系统性的思考方式。它在介绍组合逻辑电路的优化时,不仅仅停留在卡诺图或Quine-McCluskey算法上,而是延伸讨论了实际逻辑综合工具背后的启发式算法思想。这一点非常关键,因为它让你知道,书本上的理论是如何被工业级的EDA工具所“消化”和应用的。我对书中关于系统级同步(System Synchronization)的论述尤为赞赏,作者细致地阐述了如何在高层次上定义时序约束,以及这些约束如何最终影响到布局布线的物理实现结果。这种自顶向下与自底向上相结合的讲解方式,极大地拓宽了我对整个数字IC设计流程的理解深度,让我不再是孤立地看待RTL编码,而是将其置于整个芯片实现链条中去考量其合理性与有效性。

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这本《数字设计进阶/入门篇》的书,简直是为我这种在FPGA设计领域摸爬滚打了几年,但总觉得底层逻辑理解不够透彻的工程师量身定做的。我之前看的很多书要么过于理论化,公式堆砌,读起来晦涩难懂,要么就是直接跳到高层次的HDL应用,对组合逻辑和时序逻辑的本质探讨蜻蜓点水。这本书的精妙之处在于,它并没有急于炫耀最新的工具链或IP核,而是扎扎实实地从晶体管级别开始,循序渐进地剖析数字电路的物理实现和逻辑功能之间的桥梁。特别是关于时序分析那一部分,作者用极其生动的比喻和详实的图例,解释了建立时间和保持时间的物理意义,以及如何通过布局布线和时钟树综合来优化它们。我记得我曾经在一个项目中被亚稳态问题困扰了很久,查阅了大量资料才勉强解决,而这本书里用短短几页纸,就把这个复杂的问题讲得清晰明了,让我有一种醍醐灌顶的感觉。它不只是在教你“如何做”,更是在教你“为什么这样做”。读完之后,我对同步电路和异步电路的设计规范有了全新的认识,感觉自己的设计功底又上了一个台阶,对未来挑战更复杂的系统级设计充满了信心。

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我一直认为,数字设计教学最大的难题在于如何平衡“抽象层级”的选取。太低,则难以实现复杂系统;太高,则会让人失去对底层物理特性的敬畏。《数字设计进阶/入门篇》在这方面找到了一个近乎完美的平衡点。它在讲解数据通路设计时,并没有仅仅停留在对加法器、乘法器的功能描述上,而是深入剖析了不同乘法器结构(如阵列乘法器与Booth乘法器)在资源消耗和延迟上的权衡。对于那些希望从原理图设计转向更现代的结构化设计的读者来说,这本书提供了极其宝贵的参考。特别是关于低功耗设计方法学的探讨,它不仅提到了时钟门控(Clock Gating)这种常见技巧,还引入了多电压域(Multi-Voltage Domain)和动态频率调整等更前沿的概念,并且附带了相关的代码示例,非常实用。这本书的价值不在于它教授了多少“固定”的知识,而在于它教会了读者如何根据特定的性能目标,灵活地选择和组合最优的设计策略。

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我是一个资深软件工程师,最近被公司要求转型做嵌入式系统开发,尤其是底层驱动和硬件加速器部分,这对我来说简直是跨越了两个世界。《数字设计进阶/入门篇》这本书的叙述风格,恰好弥补了我从软件到硬件思维的鸿沟。它的逻辑推导非常严密,从布尔代数到寄存器传输级(RTL)的抽象,每一步过渡都考虑到了非专业读者的认知曲线。我特别欣赏作者在讲解流水线设计时所采用的对比分析法,它将串行处理的低效性与并行处理的优势通过量化的指标展示出来,这对于习惯于软件优化概念的我来说,是一个绝佳的切入点。书里关于时钟域交叉(CDC)处理的章节,更是干货满满,那些关于握手协议和异步FIFO的设计范例,我直接拿去对照我们项目中实际遇到的问题,很快就找到了优化的方向。这本书的价值在于,它用一种“工程化”的语言,将原本高冷的数字电路知识转化成了可以被其他工程背景人员吸收的知识体系。

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我是一个刚接触硬件描述语言(HDL)的学生,面对市场上琳琅满目的教材,说实话,感到非常迷茫。《数字设计进阶/入门篇》这本书给我的感觉是极其的“友好”和“脚踏实地”。它没有一上来就扔给我一堆复杂的VHDL或Verilog语法,而是先花了大篇幅来讲解数字逻辑门、触发器这些最基本单元是如何在实际芯片中构成的。书中的插图质量非常高,那些关于门电路延迟、扇入扇出限制的示意图,比我课堂上老师用白板画的要清晰百倍。最让我印象深刻的是,它不仅展示了如何用代码实现一个有限状态机(FSM),还深入探讨了不同编码方式(如独热码、格雷码)对功耗和速度的影响,这一点在很多入门教材中是被忽略的。这种对细节的关注,让我明白,好的数字设计不仅仅是让仿真器通过,更是要考虑资源的效率和实际的物理性能。这本书让我感觉自己不再是单纯的“代码搬运工”,而是真正开始理解数字系统设计背后的工程哲学。

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