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出版者:CRC Pr I Llc

作者:Ayers, John E.

出品人:

页数:952

译者:

出版时间:2003-12

价格:$ 118.59

装帧:HRD

isbn号码:9780849319518

丛书系列:

图书标签:

• 数字集成电路
• 集成电路
• 数字电路
• VLSI
• CMOS
• 电路设计
• 电子学
• 半导体
• 计算机组成原理
• 模拟电路

现代模拟电子系统设计：从器件到系统级优化 本书聚焦于当代电子系统设计中的核心挑战——如何有效地集成和优化模拟、混合信号以及射频（RF）电路，以满足日益增长的低功耗、高精度和高速率要求。 本书并非侧重于数字集成电路（如处理器或存储器）的逻辑设计和制造工艺，而是深入探讨支撑所有现代电子系统的“动力和感知”层面的物理实现与系统级性能权衡。 --- 第一部分：基础理论与先进半导体器件模型 本部分奠定理解高性能模拟和混合信号电路设计所需的坚实物理基础，着重于超越传统MOSFET模型的实际器件行为。 第一章：高性能CMOS器件的物理效应与建模 本章详细解析了深亚微米乃至纳米级别CMOS晶体管在实际工作状态下的非理想特性。我们将深入探讨载流子迁移率降阶（Mobility Degradation）、短沟道效应（Short Channel Effects）的精确建模，以及热载流子注入（Hot Carrier Injection, HCI）对长期可靠性的影响。重点将放在构建适用于电路模拟器（如SPICE）的高精度、紧凑型（Compact）模型，这些模型必须能准确捕捉到器件的噪声特性和匹配（Mismatch）分布，这对设计低噪声放大器（LNA）和高精度数据转换器至关重要。 第二章：噪声、失真与线性度的系统级分析 噪声是所有模拟电路的根本限制因素。本章系统梳理了热噪声、闪烁噪声（Flicker Noise）的产生机制及其在不同工作状态下的功率谱密度（PSD）分析。我们将重点介绍输入参考噪声（Input-Referred Noise）的计算方法，并探讨如何通过电路拓扑选择和偏置点优化来最小化噪声贡献。同时，三阶截点（IIP3）和无杂散动态范围（SFDR）的推导过程将作为衡量电路线性度的关键指标进行详尽阐述，尤其是在RF前端和高动态范围ADC设计中的应用。 第三章：工艺角、失配与Monte Carlo仿真策略 在先进工艺节点下，工艺参数的微小波动会对电路性能产生巨大影响。本章侧重于统计电路设计。详细介绍如何使用Monte Carlo仿真来评估设计对温度、电压和晶体管参数变化的敏感性。尤其关注匹配（Matching）问题——晶体管的阈值电压失配（$Delta V_{TH}$）和跨导失配（$Delta g_m$）对差分对和振荡器性能的影响，并引入先进的版图技术（如共质心、交错布局）来缓解这些影响。 --- 第二部分：核心模拟模块设计与优化 本部分聚焦于构建高性能模拟前端（AFE）和中频（IF）处理链所需的关键电路块。 第四章：高增益、高带宽运算放大器设计 本章深入探讨现代运算放大器（Op-Amp）的设计哲学。从经典的两级CMOS架构开始，延伸至单位增益带宽（GBW）、相位裕度（PM）和压摆率（Slew Rate）的相互制约关系。重点解析Miller补偿、零点/极点补偿技术，以及如何运用共源共栅（Telescopic Cascode）和折叠式共源共栅（Folded Cascode）架构来提升输出阻抗和带宽。此外，还将覆盖低功耗设计中的补偿电容的尺寸优化及其对瞬态响应的影响。 第五章：深度分析：低噪声放大器（LNA）与混频器（Mixer）设计 作为接收机的第一级，LNA和混频器的性能直接决定了整个系统的灵敏度和选择性。LNA设计部分将聚焦于$NF_{min}$（最小噪声系数）与增益-功耗的帕累托优化。我们将详细分析使用电感反馈技术（如源极跟随器反馈）来同时优化输入阻抗匹配（$S_{11}$）和噪声性能的实现。混频器设计则涵盖单边带（SSB）与双边带（DSB）混频，重点分析混频器的线性度、混频损耗（Conversion Loss）以及本底噪声的升高（Noise Figure Degradation）。 第六章：高精度与高速电流/电压基准源 本章探讨模拟电路的“锚点”——高精度、低漂移的电压和电流基准源的设计。详细介绍布罗克豪斯（Brokaw）带隙基准（Bandgap Reference）的原理，分析其温度系数（TC）的产生机理，并介绍通过自加热效应（Self-Heating）和电阻加权技术来消除PN结电压$V_{BE}$的温度依赖性。对于高速应用，则引入电阻反馈式（Resistor Feedback）或电流导引式（Current Steering）的动态基准源设计。 --- 第三部分：高速与数据转换电路系统 本部分专注于系统性能的关键瓶颈——如何精确地将连续时间信号转换为离散数字域，反之亦然。 第七章：高速采样保持电路与ADC架构 本章是对高速数据采集系统的深入剖析。首先，对采样保持（Sample-and-Hold, S/H）电路的时钟前馈效应（Clock Feedthrough）、抖动（Jitter）和建立时间（Acquisition Time）进行量化分析。随后，详细比较并深入分析了主流ADC架构的优缺点：流水线（Pipeline）ADC的校准技术（如残余电荷转移）、逐次逼近寄存器（SAR）ADC的电容阵列设计与比较器优化，以及$SigmaDelta$（Sigma-Delta）调制器的高阶噪声整形理论与环路滤波器设计。 第八章：DAC设计：电流导向型与电荷泵技术 对于数模转换器（DAC），本章着重于失配导致的静态误差和时序误差导致的动态失真。重点解析电流源阵列的设计（如格雷码与自然二进制编码），以及如何使用动态元（Dynamic Element Matching, DEM）技术来抑制匹配不佳引起的谐波失真。此外，对于低功耗便携式应用，将详细介绍开关电容（Switched Capacitor）DAC的工作原理及其在片上电源管理中的应用。 第九章：锁相环（PLL）与时钟生成电路 PLL是实现频率合成、时钟恢复和数据同步的核心。本章从理论上推导锁相环的锁定范围、捕获范围和环路滤波器的设计。重点分析鉴相器（Phase Detector, PD）的非线性区域（如S形曲线）对抖动性能的影响，以及压控振荡器（VCO）的调谐范围、相位噪声与调谐增益（$ ext{Kvco}$）之间的权衡。针对高速串行接口，将引入延迟锁定环（DLL）及其在时钟偏斜（Skew）补偿中的独特优势。 --- 第四部分：系统级集成与低功耗设计方法学 本部分探讨如何将上述模块集成到复杂系统（如无线收发机）中，并关注现代工艺下的能效挑战。 第十章：系统级功耗预算与电源管理集成 在先进工艺节点，静态功耗（漏电）成为主要挑战。本章将介绍系统级功耗预算的自顶向下方法，确定每个功能块（RF、基带、时钟）的最佳功耗分配。深入探讨低压差线性稳压器（LDO）的设计，包括其环路稳定性（相位裕度）与瞬态响应，以及开关稳压器（Switching Regulators）与LDO在不同负载条件下的效率对比。 第十一章：高密度集成中的版图、寄生效应与电磁兼容性（EMC） 本章强调电路设计与物理实现之间的紧密联系。详细分析互连线电感、电容和串扰对高速电路（如LNA和ADC）性能的破坏性影响。介绍RFIC版图设计准则，包括地弹（Ground Bounce）的最小化、敏感节点的屏蔽、以及差分信号线的耦合控制。同时，讨论片上电磁辐射和抗干扰（ESD/EMI）的设计考量。 第十二章：混合信号系统中的校准与自适应技术 为了克服工艺和温度变化带来的性能漂移，系统必须具备自适应能力。本章介绍数字校准技术在混合信号系统中的应用，包括ADC的DAC增益/失调校准、时钟抖动容忍度优化，以及RF接收机中的自动增益控制（AGC）环路的反馈机制与稳定性设计。本章旨在提供一个完整的框架，说明如何用数字后处理来弥补模拟前端的固有缺陷。 --- 目标读者： 本书适合于电子工程、微电子学、射频工程专业的高年级本科生、研究生，以及在模拟、射频和混合信号集成电路领域工作的专业工程师。它假定读者已具备基本的半导体物理和基本电路理论知识。

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