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出版者:Artech House

作者:Irons, Fred H.

出品人:

页数:445

译者:

出版时间:2005-2

价格:$ 152.55

装帧:

isbn号码:9781580538961

丛书系列:

图书标签:

• 专业书
• Active Filters
• Analog Circuits
• Filter Design
• Integrated Circuits
• Electronics
• Signal Processing
• RF Filters
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精密模拟电路设计与实现：前沿技术与实践指南 本书深入探讨了现代模拟集成电路设计与实现领域的核心挑战与前沿解决方案，旨在为电子工程师、系统架构师以及相关领域的研究人员提供一套全面、实用的技术参考与实践指导。全书结构严谨，内容详实，覆盖了从基础理论到高级系统集成的多个关键层面。 第一部分：模拟电路基础与器件特性重构 本部分聚焦于构建高性能模拟电路所需的坚实理论基础与对半导体器件物理特性的深刻理解。 第一章：CMOS 器件的非理想效应与模型精修 本章详细分析了在先进工艺节点下，MOSFETs（金属氧化物半导体场效应晶体管）所表现出的各种非理想效应，包括短沟道效应（SCEs）、亚阈值摆幅（Subthreshold Slope）的恶化、载流子速度饱和（Velocity Saturation）以及热载流子效应（Hot Carrier Effects）。重点讨论了如何利用更精确的物理模型（如BSIM系列模型）来捕捉这些复杂行为，并探讨了在电路仿真和版图设计中如何量化和补偿这些效应，以确保电路在不同工作点和工艺角（PVT corners）下的鲁棒性。特别关注了亚阈区（Subthreshold Region）的电流泄漏机制及其对低功耗设计的影响。 第二章：噪声分析与抑制技术 噪声是限制模拟电路性能的根本因素之一。本章系统阐述了各种噪声源的统计特性及其在电路中的传递机制，包括热噪声（Thermal Noise）、散粒噪声（Shot Noise）和闪烁噪声（Flicker Noise，即1/f噪声）。深入探讨了如何通过先进的噪声分析技术，如蒙特卡洛噪声仿真，来预测系统的整体信噪比（SNR）和无杂散动态范围（SFDR）。针对特定应用场景，详细介绍了噪声优化策略，例如：通过优化晶体管尺寸、偏置电流的分配、以及采用特殊的噪声整形（Noise Shaping）技术来提高关键路径的噪声性能。 第三章：匹配性、失配建模与补偿 在集成电路中，器件参数的随机失配（Mismatch）是导致共模抑制比（CMRR）下降和直流增益损失的主要原因。本章首先建立了描述随机失配的统计模型，包括对电阻、电容和晶体管参数失配的区域效应和全局效应分析。随后，详细介绍了多种提高匹配性能的版图设计技术，如共质心（Common Centroid）布局、交错（Interleaving）结构和匹配校验电路。对于那些对失配极其敏感的电路，如高精度运算放大器和电压基准源，本章还讨论了动态失配补偿技术（如数字校准和自举技术）。 第二部分：高性能模拟核心电路设计 本部分着重于构建现代模拟前端（AFE）和数据转换器所需的高性能电路模块。 第四章：深度优化型运算放大器（Op-Amp）设计 本章超越了传统的两级或米勒补偿运算放大器设计，专注于实现高增益、宽带宽和低功耗的平衡。详细分析了各种补偿技术（如Miller、Folded Cascode、Nulling-Resistor补偿）的优缺点及其对相位裕度的影响。内容涵盖了零输入极点-零点对消（Zero-Pole Cancellation）技术，以及如何使用电流效率高的偏置电路来最大化单位增益带宽（GBW）与功耗的比值。重点案例研究了在RF和高速ADC驱动应用中所需的超高摆幅和高速共源共栅（Telescopic Cascode）结构。 第五章：高速开关电容电路与采样保持（S/H）技术 本部分探讨了开关电容（Switched-Capacitor, SC）网络在滤波器和数据转换器中的应用。详细分析了SC电路中的非理想效应，特别是开关注入开关噪声（Charge Injection）和时钟前馈（Feedthrough）。针对高速数据采集，深入研究了采样保持电路的设计：包括输入缓冲器（Buffer）的选择、前馈误差的最小化、以及如何设计具有高压摆率（Slew Rate）和低毛刺（Droop Rate）的保持阶段。介绍了用于高阶SC滤波器的时钟前馈消除技术。 第六章：高线性度与高动态范围混频器 本章聚焦于射频（RF）和中频（IF）电路设计中至关重要的混频器（Mixer）技术。全面比较了不同架构的混频器，如乘法器型（Gilbert Cell）、开关式混频器（Switched Mixer）和基于负载调制的混频器。核心内容在于如何通过优化晶体管的尺寸、偏置电流以及采用先进的线性化技术（如负反馈偏置、输入信号预失真）来提高混频器的输入三阶交点（IIP3）和电源抑制比（PSRR），同时最小化LO馈通（LO Leakage）。 第三部分：系统集成与先进工艺挑战 本部分面向系统级集成，讨论了跨学科的设计考量，特别是针对新型半导体工艺和低功耗要求。 第七章：低电压与低功耗设计哲学 随着技术节点进入深亚微米乃至纳米级别，供电电压的持续下降对模拟电路设计构成了严峻挑战。本章阐述了从晶体管级别到系统级别的低功耗设计策略。详细介绍了亚阈值偏置（Subthreshold Biasing）的使用边界、动态电压频率调节（DVFS）在模拟模块中的应用限制。重点分析了如何利用新兴技术，如零阈值电压（Zero-Vt）晶体管的混合集成，以在保持必要速度的同时大幅削减静态功耗。 第八章：混合信号系统中的时钟抖动（Jitter）管理 在混合信号系统中，时钟信号的质量直接决定了系统性能。本章深入研究了时钟抖动（Jitter）的来源，包括周期抖动（Periodic Jitter）和随机抖动（Random Jitter），以及它们如何通过采样过程对数据转换器的有效位数（ENOB）造成不可逆的影响。本章提供了量化抖动对系统影响的数学模型，并介绍了先进的抖动抑制技术，如：锁相环（PLL）的设计优化、时钟缓冲器的隔离技术，以及在接收端进行数字时钟恢复（CDR）以补偿传输路径上的抖动。 第九章：版图级寄生参数提取与鲁棒性验证 成功的集成电路设计离不开精确的版图实现。本章强调了从版图到电路仿真反馈的闭环验证过程。详细讨论了关键寄生参数（如栅极电阻、互连电容、衬底耦合噪声）对高频和低噪声电路的实际影响。重点介绍了先进的寄生提取工具（如PEX）的使用方法，以及如何应用版图感知型仿真（Layout-Aware Simulation）来验证设计在实际制造条件下的性能裕度。探讨了处理电磁干扰（EMI）和静电放电（ESD）保护电路对模拟性能的影响。 --- 本书特点： 本书的独特之处在于其高度的实践导向性。它不仅提供了扎实的理论推导，更侧重于在实际设计流程中遇到的具体工程问题，并提供了经过验证的、可立即部署的解决方案。大量的案例分析和设计流程图穿插于各个章节，帮助读者构建从规格定义到最终版图签收的完整设计思维框架。对于处理高精度、高速率和高集成度系统的工程师而言，本书是不可或缺的参考资料。

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这本书的参考文献列表非常详尽，几乎囊括了所有1980年代之前模拟滤波领域的奠基性论文和专著，这无疑佐证了作者深厚的学术功底和对该领域历史脉络的清晰把握。对于想要追溯特定滤波器理论起源的学者而言，这无疑是一份宝贵的资源库。然而，这种对“历史经典”的偏爱，似乎限制了对当前主流设计范式的接纳。书中对新型器件如SOI技术、FinFET结构对滤波器性能的影响几乎是绝口不提，这在当今所有模拟设计都必须面对先进工艺节点挑战的背景下，显得有些格格不入。我期待的是一本能将经典理论与前沿CMOS工艺实现紧密结合的著作，例如如何利用先进工艺的低寄生效应来优化高频性能，或者如何利用先进的工艺模型来精确预测电容的温度系数。这本书更像是一部静止的时间胶囊，完美地封存了某个历史时期的最佳实践，但对于那些在最尖端设计前沿挣扎的工程师来说，它提供的直接可用的新工具和新思维方式非常有限。

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这本书的排版风格极其古典，那种厚重的、几乎是教科书式的布局，让我想起上世纪八十年代的工程文献。内容组织上，它采用了一种自下而上的方法论：先从最基础的二端、三端有源网络开始，逐步引入高阶滤波器结构。这种结构清晰的逻辑链条对于纯粹的理论学习者来说是极好的，每引入一个新的拓扑结构，作者都会提供一套完整的传递函数推导和频率响应分析。然而，这种“自下而上”的模式在时间紧迫的工程实践中暴露了弊端。例如，当我们已经知道需要一个三阶巴特沃斯响应时，我们更希望直接查阅到对应拓扑的最佳设计指南，而不是从头开始推导其Z参数矩阵。书中并没有提供足够清晰的“设计表格”或“快速参考指南”来弥补理论的深度。更让我感到困惑的是，在讨论到滤波器级联与级间缓冲时，作者似乎默认了所有设计都在一个理想化的、带宽无限的假设下进行，直到最后才零散地提及“实际限制”。这种处理方式使得初次接触有源滤波器设计的读者可能会先构建一个理论上完美但实际中完全不可实现的系统。

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这本书，初拿到手里，包装扎实，厚度也相当可观，封面上“Active Filters for Integrated-Circuit Applications”几个字带着一种技术深度特有的沉稳感。我本来是抱着学习经典模拟电路设计，特别是滤波器理论与实践的期望。然而，阅读深入后，我发现它似乎更侧重于一个特定的应用领域，而非一个全面的理论综述。例如，书中对各种二阶滤波器结构（如萨伦-凯、巴特沃斯、切比雪夫）的推导过程描述得一丝不苟，公式繁复而精确，让人感觉仿佛回到了大学课堂的模拟电路实验课上。作者对元件的非理想性，尤其是运放的带宽限制和失真对高频响应的影响，进行了大量的篇幅阐述。但是，对于现代设计中日益重要的数字信号处理（DSP）在滤波领域的地位，几乎没有提及，这对于一个追求全面知识体系的读者来说，是个明显的缺憾。特别是当提到滤波器设计流程时，大部分案例都围绕着传统的基于运算放大器的有源RC网络展开，缺乏对开关电容（Switched-Capacitor）滤波器或更高集成度技术在现代CMOS工艺中的应用探讨，这使得这本书的实用性在快速迭代的集成电路领域显得略微滞后。整体来看，它更像是一本为资深模拟工程师准备的、专注于特定技术栈的“工具书”，而非面向广泛工程群体的入门或中级教程。

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说实话，我是在一个项目中被推荐使用这本书的，当时我们需要针对一个特定的射频前端设计一个低噪声、高Q值的模拟抗混叠滤波器。翻开这本书，我立刻被其中大量的案例分析和参数计算表格所吸引。作者在处理滤波器耦合和极点配置的章节上展现了极高的专业素养，每一步的数学推导都严谨到令人发指。我尤其欣赏其中关于灵敏度分析的部分，它清晰地展示了当外部温度变化或元件老化时，滤波器响应的漂移情况，并提供了相应的补偿策略。但奇怪的是，尽管书名强调了“集成电路应用”，书中对于如何将这些精妙的电路结构真正转化为硅片上的实际版图设计，着墨甚少。我期待看到更多关于跨导放大器（OTA）的设计考量、功耗预算的权衡，或者是在多晶硅/多晶硅栅氧化物工艺下电容匹配精度的讨论。相反，书中花了太多篇幅在离散元件级的RC值计算和波特图的解读上，这让一本“IC应用”的书籍读起来，更像是“分立元件电路设计手册的升级版”。对于急需快速原型设计和验证的工程师来说，这种对底层物理实现细节的侧重，反而成了一种信息冗余，真正关键的IC设计流程细节被淹没在海量的经典理论公式中了。

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我借阅这本书主要是想了解当前工业界对“低功耗”和“高动态范围”滤波器的实现策略。市面上很多优秀的模拟IC设计书籍都会将这两个指标作为核心的权衡点进行深入探讨。这本书中，虽然提到了噪声分析，特别是热噪声和闪烁噪声对低频性能的影响，但对于如何通过精巧的晶体管偏置、共模抑制比优化等IC层面的手段来提升信噪比（SNR）的叙述非常笼统。它似乎更关注“滤波器功能本身”是否能被实现，而非“如何以最低成本、最低功耗在特定工艺节点上实现”。举例来说，书中对于多路复用或可调谐滤波器的设计展示得相对谨慎，更多地停留在理论分析层面，没有展示出任何采用数字控制或电流可调电阻来实现参数灵活性的现代IC设计手法。如果这本书的目标是为集成电路设计师服务，那么对现代低电压、低功耗（VLSI）设计约束的关注度显得严重不足，读完之后，我感觉自己掌握了如何设计一个完美的模拟滤波器——只要我们拥有无限的电源电压和足够大的芯片面积。

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