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出版者:清华大学出版社

作者:Chris J. Myers 著，李鹏 译

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2013-9-4

价格:49元

装帧:平装

isbn号码:9787302319153

丛书系列:信息技术和电气工程学科国际知名教材中译本系列

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• 低功耗设计
• EDA
• 计算机体系结构
• 时序电路
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• 芯片设计

模拟集成电路设计：从理论到实践的全面指南 本书旨在为读者提供一个深入且实用的模拟集成电路设计知识体系，重点关注当前主流工艺节点下的电路架构、性能优化与实际工程实现。 本书不涉及同步数字电路的时序、逻辑门设计等内容，而是完全聚焦于模拟信号处理的复杂性和精妙之处。 第一部分：模拟电路基础与器件模型 第一章：半导体器件基础回顾与工艺影响 本章首先回顾了MOSFET的工作原理，但重点迅速转移到集成电路制造工艺对器件特性的深刻影响。我们将详细分析不同工艺节点（如180nm、130nm、90nm及更先进的FinFET技术）下，器件的亚阈值摆幅（Subthreshold Swing）、跨导效率（Transconductance Efficiency）以及沟道长度调制效应（Channel Length Modulation）的变化规律。重点探讨短沟道效应、载流子迁移率降级、以及自热效应如何影响器件的实际性能参数，为后续的电路设计提供准确的物理基础。此外，我们将引入噪声模型，包括热噪声（Thermal Noise）、散粒噪声（Shot Noise）以及闪烁噪声（Flicker Noise），并讨论如何通过器件尺寸和偏置点进行初步的噪声控制。 第二章：有源器件的精确建模与等效电路 本章深入探讨了设计所需的精确晶体管模型。超越简化的平方律模型，本书采用了更符合现代工艺的BSIM模型家族的理论基础。我们将解析其各个参数对电路性能的影响，尤其关注在弱反型、强反型及饱和区过渡区域的数学描述。重点分析了寄生参数（如栅极-源极/漏极电容、体效应电容）对高频性能的限制。随后，将建立适用于交流小信号分析的精确等效电路模型，这些模型将作为设计运算放大器和滤波器等复杂电路的基础。本章也将介绍二级管连接、源极/漏极跟随器作为线性有源负载的替代方案，并分析其在有限电源电压下的动态范围限制。 第二部分：核心模拟电路模块设计 第三章：偏置电路与电流镜技术 电流源和电流镜是所有模拟电路的基石。本章详细介绍了实现高精度、高PSRR（电源抑制比）和高CMRR（共模抑制比）的偏置电路设计。我们将对比分析经典两管/三管电流镜、威式（Widlar）电流镜以及镜像源（Mirrored Source）结构，重点分析其失配（Mismatch）对输出阻抗和增益的影响。针对低电压供电设计，本章深入探讨了带隙基准（Bandgap Reference, BGR）的设计。我们将推导如何利用负温度系数的PTAT（Proportional To Absolute Temperature）电流和正温度系数的CTAT（Complementary To Absolute Temperature）电压实现对温度漂移的精确补偿，目标是设计出温度系数低于 5 ppm/°C 的电压基准源。 第四章：单级和多级放大器设计 本章是模拟电路设计的核心。首先从单位增益缓冲器（Voltage Follower）的带宽限制和瞬态响应分析开始。随后进入到单级运算放大器（Single-Stage Op-Amp）的设计，重点讲解共源共栅（Telescopic Cascode）结构，分析其提供的高输出阻抗和高增益的优势，以及在低压供电下输出摆幅受限的问题。 接着，我们转向更实用的多级放大器，详细剖析了经典的米勒补偿（Miller Compensation）技术，推导了实现单位增益带宽（GBW）和相位裕度（Phase Margin）的精确公式。深入探讨了频率补偿的替代方案，如米勒-卡萨科德（Miller-Cascode）结构和输出驱动补偿，这些方法旨在提高补偿效率并减少对信号摆幅的占用。本章还包括共源共栅差分放大器（Telescopic Cascode Differential Amplifier）的设计，以及如何通过增加共模反馈（Common-Mode Feedback, CMFB）电路来稳定共模输出电压。 第五章：线性与开关器件的匹配与失配分析 在纳米工艺节点，器件参数的随机失配是限制性能的主要因素。本章专注于失配的统计学分析。我们将介绍阈值电压失配（$Delta V_{th}$）和跨导失配（$Delta g_m$）的建模，并展示如何利用Monte Carlo仿真来预测电路性能的统计分布。设计实例将集中于如何通过尺寸匹配（例如，使用更宽的栅宽和更长的沟道）、共质心布局（Common-Centroid Layout）技术来最小化匹配误差。对于低噪声放大器（LNA）和高精度ADC输入级，本章提供了实用的布局与布线指导，以对抗工艺梯度和噪声耦合。 第三部分：高级模拟功能块 第六章：反馈与稳定性分析 反馈理论是模拟电路稳定性的基石。本章详细阐述了负反馈在模拟电路中的应用，包括增益带宽的扩展和输入/输出阻抗的改善。核心内容集中于系统的稳定性分析，使用波特图（Bode Plot）来确定增益裕度和相位裕度。我们将详细推导运算放大器在不同负载下的频率响应，并提供精确的补偿元件值计算方法。对于复杂的振荡器或高Q值的滤波器，本章将引入环路增益分析（Loop Gain Analysis）和根轨迹法（Root Locus），确保闭环系统的稳定性。 第七章：连续时间滤波器设计（OTA-C滤波器） 本章聚焦于集成电路中的连续时间（CT）滤波器实现。我们将详细介绍跨导运算放大器（OTA）的基本结构及其非理想性对滤波器性能的影响。重点讲解二阶极点的实现，包括用反馈结构实现精确的Q值（品质因数）和中心频率（$omega_0$）。我们将对比Sallen-Key、Tow-Thomas以及状态变量（State-Variable）等经典拓扑在集成电路中的实现优缺点，重点分析寄生电容对高Q值滤波器的影响，并提供利用有源器件补偿寄生效应的实用技巧。 第八章：开关电容电路（Switched-Capacitor Circuits） 开关电容（SC）电路是实现高精度模拟信号处理，尤其是在低功耗系统中，不可或缺的技术。本章详细讲解了SC电路的工作原理，包括电荷泵（Charge Pump）的基本概念。核心内容是SC滤波器和采样保持（Sample-and-Hold, S/H）电路的设计。我们将分析电荷注入（Charge Injection）和漏电流（Clock Feedthrough）带来的误差，并给出降低这些误差的设计方法，例如使用“零电荷注入”开关技术。采样保持电路的设计将侧重于实现低残余电荷和高保持时间，以满足高速数据采集的要求。 第四部分：系统集成与版图考虑 第九章：低噪声放大器（LNA）与混频器 本章面向射频（RF）前端的模拟设计。LNA的设计将侧重于在满足特定增益要求的同时，实现最优的噪声系数（NF）。我们将分析不同LNA拓扑（如共源、共栅、共基、反馈式）的噪声贡献，并推导噪声匹配的条件。混频器设计将集中于无源与有源混频器的对比，重点分析其线性度（如IIP3）和转换增益，并讨论如何利用开关技术抑制LO泄漏（Local Oscillator Leakage）。 第十章：电源管理与噪声隔离 在高度集成的系统中，电源噪声是主要的性能杀手。本章专门讨论如何设计高效且低噪声的稳压器。我们将深入分析低压差线性稳压器（LDO）的环路补偿设计，确保其在负载瞬态变化时仍能保持稳定的输出电压和良好的PSRR。此外，还将探讨如何使用片上去耦电容、电荷泵以及噪声隔离技术，如共模扼流圈（Common-Mode Choke）和专用的电源噪声抑制电路，以保护敏感的模拟核心电路不受数字开关噪声的干扰。 第十一章：模拟版图设计与耦合分析 电路仿真结果的实现严重依赖于物理版图。本章将模拟设计与物理实现紧密结合。我们将详细讲解用于匹配的对称性布局（Symmetry Layout）、抗干扰的保护环设计（Guard Rings）、以及热隔离技术。重点分析了交叉耦合噪声（Crosstalk）和衬底噪声（Substrate Noise）的传播机制，并提供了在CMOS工艺中隔离敏感电路（如基准源和高增益放大器）的实用版图规则，确保理论设计的性能能在实际芯片上得到充分体现。 --- 本书的特色： 1. 强调现代工艺限制： 所有的设计和分析都建立在现代CMOS工艺的非理想性基础之上，而非理想的教科书模型。 2. 注重工程实践： 提供了从原理到Spice仿真模型、再到版图考量的完整设计流程。 3. 聚焦性能优化： 针对增益、带宽、噪声和功耗之间的权衡，提供了大量的优化策略和设计案例。

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我购买这本书的初衷是希望找到一些关于低功耗异步设计（Asynchronous Design）的进阶思路，因为传统同步电路的时钟树设计和功耗控制总是让我感到力不从心。我抱着试试看的心态翻阅了后面章节，结果惊喜地发现，作者对无时钟设计范式（Clockless Paradigm）的介绍，简直是为我量身定做。他不仅介绍了经典的握手协议（handshaking protocols），还深入探讨了基于事件驱动（event-driven）的逻辑实现。更令人惊喜的是，书中没有将异步设计描绘成一个神秘的、难以掌握的“黑魔法”，而是用一套严密的数学和逻辑框架将其系统化了。作者讨论了如何避免关键路径的依赖性、如何设计可靠的互锁单元，这些都是我在其他同步设计为主的资料中极少能找到的深度内容。这本书让我对未来芯片设计中，功耗和性能的平衡点有了全新的认识，它拓宽了我的技术视野，让我敢于在项目中尝试更前沿的设计方法。

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这本书的封面设计简洁有力，那种深邃的蓝色调和几何图形的组合，一下子就抓住了我的眼球。我当时在书店里随便翻阅，本以为只是一本偏向理论基础的教材，没想到内容深度和广度都远远超出了我的预期。特别是作者对数字逻辑基础的梳理，简直是教科书级别的清晰。他没有陷入过分晦涩的数学推导，而是用非常直观的例子来解释锁存器、触发器这些核心概念是如何在实际电路中工作的。读起来一点都不觉得枯燥，更像是跟着一位经验丰富的大师在进行一次深入的电路漫游。尤其赞赏的是，书中对时序逻辑的分析部分，那几页关于亚稳态（metastability）和时钟域交叉（CDC）的讲解，简直是我的救星。我之前在工作中总是被这些问题困扰，看很多参考资料都讲得含糊不清，但这本书把这些“灰色地带”的原理和解决思路梳理得井井有条，让我豁然开朗。这本书绝对是为那些想从“能搭出电路”进阶到“能设计出稳定、高性能系统”的工程师准备的宝藏。

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如果要用一个词来概括这本书给我的整体感觉，那就是“架构的深度思考”。它不像市面上很多快速入门手册，只告诉你“怎么做”（How-to），这本书更侧重于“为什么这样设计”（Why-so）。作者在探讨任何一个电路单元，比如FIFO或者PLL的实现时，都会先追溯到其背后的根本约束，比如噪声容忍度、工艺偏差或者系统集成性。这种自底向上（Bottom-up）又自顶向下（Top-down）相结合的分析视角，使得我们对所学的知识不仅仅是记忆公式，而是真正理解了设计决策背后的权衡取舍。比如在讨论可测试性设计（DFT）时，书中没有停留在扫描链（scan chain）的基本介绍上，而是深入分析了在高速、高密度设计中，如何平衡测试覆盖率与电路性能损耗。这种哲学层面的探讨，让这本书的价值远超一本普通的技术手册，它更像是一部关于“优秀电子工程师思维模式”的指南。

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拿到这本书的时候，首先注意到的是它对设计流程的关注度极高。现在的电子设计，光懂原理是不够的，如何高效地利用EDA工具，如何进行规范化的设计和验证，才是决定项目成败的关键。这本书在这方面做得非常出色，它不仅仅停留在理论层面，而是深入到了实践操作的细节。比如，它详细描述了从RTL代码编写到综合、布局布线后仿真（post-layout simulation）的整个链条。我特别喜欢其中关于约束设置（timing constraints）那一章，作者用一种近乎偏执的严谨态度，展示了如何用SDC文件来精确控制时序。对于初学者来说，这部分内容可能略显繁琐，但对于有经验的设计师来说，这正是我们日复一日与之搏斗的难点所在。阅读过程中，我不断地停下来，对照着自己目前正在进行的项目，尝试应用书中的建议去优化约束，效果立竿见影。这本书真正体现了“工程”二字，它教你的不是纸上谈兵，而是如何把设计变成可以量产的实际产品。

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这本书的排版和图示质量，在技术书籍中绝对属于上乘。很多技术书为了压缩篇幅或者降低成本，图总是印得模模糊糊，或者结构混乱，让人看半天也看不懂。然而，这本设计指南在图形的清晰度上令人印象深刻。无论是逻辑门级别的连接图，还是大型状态机的状态转移图，都绘制得极其精准和专业。特别值得一提的是，作者在引入复杂概念时，总是会先用一个非常简化的示意图来建立直观认识，然后再逐步增加细节。这种由浅入深的讲解方式，极大地降低了学习的认知负荷。我甚至觉得，如果把这本书里的所有图例都打印出来，单独看这些图，也能对数字系统的基本架构有一个宏观的把握。对于自学者而言，这种视觉上的友好度，是决定能否坚持读完一本书的重要因素，这本书在这方面做得无可挑剔。

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