Digital System Design pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Balakrishnan

出品人:

页数:0

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价格:45.95

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isbn号码:9780195687804

丛书系列:

图书标签:

• 数字系统设计
• 数字逻辑
• 计算机组成原理
• Verilog
• VHDL
• FPGA
• 数字电路
• 嵌入式系统
• 硬件设计
• 系统设计

深入探索数字世界：电子学、电路与现代计算的基石 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，探索电子学的基本原理、模拟与数字电路的设计方法，以及这些基础知识如何构建起现代计算系统的核心。我们不会涉及数字系统设计（Digital System Design）的特定技术或具体流程，而是将焦点放在支撑这些技术背后的物理学、数学模型与工程实践上。 第一部分：电子学的物理基础与元件特性 本部分着重于理解电子学现象的根源。我们从半导体物理学的基础知识入手，详细探讨了晶体结构、载流子输运机制（漂移与扩散）以及PN结的形成与特性。理解这些微观世界的工作方式，是设计任何电子元件的前提。 1.1 半导体材料科学概述： 深入分析硅（Si）和锗（Ge）等关键半导体材料的能带结构、本征与掺杂半导体特性。讨论了N型和P型半导体的载流子浓度计算及其温度依赖性。 1.2 PN结与二极管的建模： 详细推导了PN结的势垒电位、空间电荷区宽度以及其在不同偏置条件下的伏安特性（I-V曲线）。我们随后分析了理想二极管模型、肖特基二极管以及齐纳二极管在稳压电路中的应用，并探讨了它们在开关应用中的动态行为。 1.3 晶体管的物理基础： 重点分析了双极性结型晶体管（BJT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的物理工作原理。对于BJT，将细致解析其Ebers-Moll模型和简化模型，讨论基极电流控制集电极电流的机制。对于MOSFET，我们将详尽阐述其阈值电压的确定、跨导的意义、饱和区和线性区的工作状态，并引入其非理想效应，如沟道长度调制、亚阈值导通等。 第二部分：模拟电路设计与放大技术 在掌握了基本元件的特性后，本部分将引导读者进入模拟信号处理的世界，这是所有信息系统得以感知和驱动物理世界的基础。我们将专注于使用晶体管搭建具备特定增益、带宽和稳定性的放大电路。 2.1 晶体管作为放大器： 讲解如何使用晶体管（BJT或MOSFET）构建共源、共基、共射等基本组态。重点在于小信号模型（如混合-$pi$模型或T模型）的建立，用于精确预测电路的电压增益、输入阻抗和输出阻抗。 2.2 多级放大电路分析： 讨论如何通过级联多个放大级来达到更高的整体增益和更好的性能。分析负载效应、反馈对增益和带宽的影响。 2.3 频率响应与带宽限制： 详细分析放大器在高频和低频端的响应特性。引入米勒效应（Miller Effect）的概念，解释它如何限制高频性能。通过波特图（Bode Plot）来可视化和评估放大电路的通频带。 2.4 线性偏置与功率放大器： 研究晶体管的直流偏置点设置，确保放大器在输入信号变化时仍保持线性工作区。介绍A类、B类和AB类功率放大器的结构、效率计算及其各自的优缺点，尤其是在音频和射频驱动应用中的适用性。 第三部分：线性化与反馈理论 反馈机制是电子工程的核心概念之一，它极大地提升了电路的稳定性、精度和可预测性。本部分将从理论上深入探讨负反馈的原理及其在模拟电路设计中的应用。 3.1 负反馈的基本拓扑： 识别并分析电压串联、电流串联、电压并联和电流并联四种基本的反馈连接方式。推导每种拓扑下的回路增益、输入阻抗和输出阻抗的变化规律。 3.2 稳定性分析： 阐述反馈电路的稳定性问题。引入相频特性和增益裕度的概念，解释补偿技术（如引入极点和零点）如何确保反馈放大器在各种工作条件下保持稳定，避免振荡。 3.3 运算放大器（Op-Amp）的理想化与非理想化： 首先基于差分对和增益级介绍了理想运算放大器的特性（无限开环增益、无限输入阻抗、零输出阻抗）。随后，探讨实际运放的限制，如输入失调电压、共模抑制比（CMRR）和有限的转换速率（Slew Rate）。 3.4 运放的应用电路： 展示运算放大器在精密积分、微分、有源滤波器、电压跟随器以及比较器等基础应用中的实现和性能分析，强调其在信号调理中的核心作用。 第四部分：线性化与振荡器原理 本部分将从能量的产生与控制角度，探讨如何设计产生稳定、精确频率信号的电路——振荡器。 4.1 振荡器的基本条件： 阐述巴克豪森（Barkhausen）准则，解释为什么电路需要满足环路增益等于1且相位移为零（或360度）的条件才能维持持续振荡。 4.2 RC振荡器： 详细分析相移振荡器和文氏桥振荡器的工作原理，关注它们如何通过RC网络实现所需的相位延迟。 4.3 LC振荡器与晶体振荡器： 介绍利用电感和电容构建谐振回路的振荡器（如哈特莱振荡器和科勒普茨振荡器）。深入讨论石英晶体谐振器的等效电路模型，解释其高Q值特性如何提供极高的频率稳定性和精度，这是实现精确时间基准的关键。 4.4 锁相环（PLL）的初步概念： 引入锁相环的基本结构（鉴相器、环路滤波器、压控振荡器VCO），解释PLL如何通过反馈机制锁定并跟踪输入信号的频率和相位，为后续更复杂的频率合成和解调技术奠定基础。 通过对以上四个核心部分的系统学习，读者将建立起对模拟电子系统设计、信号感知与调理的坚实基础，这些知识是所有现代电子和计算系统得以高效运行的物理和电路层面的保障。本书的重点始终聚焦于元件级和电路级的设计与分析，而非高层级的逻辑实现。

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