深入理解微电子电路设计——电子元器件原理及应用（原书第5版）

本书内容全面，既有电子学相关的基础概念、分析方法，也有电子元器件相关的电路性能等，内容由浅入深，前后连接紧密，能够激发读者学习兴趣，并能启迪读者创新。本书采用计算机作为辅助工具，许多电路设计提供了SPICE仿真模型，便于读者对所设计电路进行性能上的模拟验证。每一章都提供了大量的设计实例，每一章的*后都会给出专门的设计习题、计算机习题和SPICE习题。

 

本书系统论述了电子元器件主要电路的基本知识及其应用。从电子学的基本原理入手，介绍了基本的分压和分流原理、戴维南定理、放大器等基本概念，给出了元器件的容差数学模型以及电路设计中常用的*差情况分析、蒙特卡洛分析等主要分析方法，详细介绍了半导体材料特性、二极管PN结特性、二极管SPICE模型、整流电路、场效应管及双极型晶体管的特性及SPICE分析等。本书从工程求解角度定义了一种非常清晰的问题求解方法，书中提供的大量设计实例都是采用该方法进行求解，有助于读者加深对相关电路设计的理解与掌握。 通过本书的学习，读者可以全面掌握电子元器件及其电路的概念和知识，能够学会相关电路分析及电路设计方法，书中给了大量的设计练习可供读者进行学习与实践。 本书可以作为电子信息类、电气类专业本科生或研究生作为专业教材或参考书，也可以作为从事固态电子学与器件、数字电路和模拟电路设计或开发的工程技术人员的参考资料。

[美] 理查德·C.耶格（Richard C. Jaeger） ：美国佛罗里达大学电气工程专业博士，奥本大学电气与计算机工程系资深教授，1995年被任命为研究生院杰出导师，主要研究领域为固态电路和器件、电子封装、压阻应力传感器、低温电子设备、VLSI设计以及电子设备和电路中的噪声等。
[美] 特拉维斯·N.布莱洛克（Travis N. Blalock）：美国弗吉尼亚大学电气与计算机工程系教授。

第1章  电子学简介

1.1  电子学发展简史： 从真空管到巨大规模集成电路

1.2  电子学信号分类

1.2.1  数字信号

1.2.2  模拟信号

1.2.3  A/D和D/A转换器——连接模拟与数字信号的桥梁

1.3  符号约定

1.4  解决问题的方法

1.5  电路理论的主要概念

1.5.1  分压和分流

1.5.2  戴维南定理和诺顿定理

1.6  电子学信号的频谱

1.7  放大器

1.7.1  理想运算放大器

1.7.2  放大器频率响应

1.8  电路设计中元器件参数值的变化

1.8.1  容差的数学模型

1.8.2  差情况分析

1.8.3  蒙特卡洛分析

1.8.4  温度系数

1.9  数值精度

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关键词

参考文献

扩展阅读

习题

 

第2章  固态电子学

2.1  固态电子材料

2.2  共价键模型

2.3  半导体中的漂移电流和迁移率

2.3.1  漂移电流

2.3.2  迁移率

2.3.3  速率饱和

2.4  本征硅的电阻率

2.5  半导体中的杂质

2.5.1  硅中的施主杂质

2.5.2  硅中的受主杂质

2.6  掺杂半导体中的电子和空穴浓度

2.6.1  n型材料

2.6.2  p型材料

2.7  掺杂半导体的迁移率和电阻率

2.8  扩散电流

2.9  总电流

2.10  能带模型

2.10.1  本征半导体中电子空穴对的产生

2.10.2  掺杂半导体的能带模型

2.10.3  补偿半导体

2.11  集成电路制造概述

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关键词

参考文献

扩展阅读

习题

 

第3章  固态二极管和二极管电路

3.1  pn结二极管

3.1.1  pn结静电学

3.1.2  二极管内部电流

3.2  二极管的IV特性

3.3  二极管方程： 二极管的数学模型

3.4  反偏、零偏、正偏下的二极管特性

3.4.1  反偏

3.4.2  零偏

3.4.3  正偏

3.5  二极管的温度系数

3.6  二极管反偏

3.6.1  实际二极管的饱和电流

3.6.2  反向击穿

3.6.3  击穿区的二极管模型

3.7  pn结电容

3.7.1  反偏

3.7.2  正偏

3.8  肖特基二极管

3.9  二极管的SPICE模型及版图

3.10  二极管电路分析

3.10.1  负载线分析法

3.10.2  二极管数学模型分析法

3.10.3  理想二极管模型

3.10.4  恒压降模型

3.10.5  模型比较与讨论

3.11  多二极管电路

3.12  击穿区域二极管分析

3.12.1  负载线分析

3.12.2  分段线性模型分析

3.12.3  稳压器

3.12.4  包含齐纳电阻的电路分析

3.12.5  线性调整率和负载调整率

3.13  半波整流电路

3.13.1  带负载电阻的半波整流器

3.13.2  整流滤波电容

3.13.3  带RC负载的半波整流器

3.13.4  纹波电压和导通期

3.13.5  二极管电流

3.13.6  浪涌电流

3.13.7  额定峰值反向电压

3.13.8  二极管功耗

3.13.9  输出负电压的半波整流器

3.14  全波整流电路

3.15  全波桥式整流

3.16  整流器的比较及折中设计

3.17  二极管的动态开关行为

3.18  光电二极管、太阳能电池和发光二极管

3.18.1  光电二极管和光探测器

3.18.2  太阳能电池

3.18.3  发光二极管

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关键词

参考文献

扩展阅读

习题

 

第4章  场效应管

4.1  MOS电容特性

4.1.1  积累区

4.1.2  耗尽区

4.1.3  反型区

4.2  NMOS晶体管

4.2.1  NMOS晶体管的IV特性的定性描述

4.2.2  NMOS晶体管的线性区特性

4.2.3  导通电阻

4.2.4  跨导

4.2.5  IV特性的饱和

4.2.6  饱和(夹断)区的数学模型

4.2.7  饱和的跨导

4.2.8  沟道长度调制

4.2.9  传输特性及耗尽型MOSFET

4.2.10  体效应或衬底灵敏度

4.3  PMOS晶体管

4.4  MOSFET电路模型

4.5  MOS晶体管电容

4.5.1  NMOS晶体管的线性区电容

4.5.2  饱和区电容

4.5.3  截止区电容

4.6  SPICE中的MOSFET建模

4.7  MOS晶体管的等比例缩放

4.7.1  漏极电流

4.7.2  栅极电容

4.7.3  电流和功率密度

4.7.4  功耗延迟积

4.7.5  截止频率

4.7.6  大电场限制

4.7.7  包含高场限制的统一MOS晶体管模型

4.7.8  亚阈值导通

4.8  MOS晶体管的制造工艺及版图设计规则

4.8.1  小特征尺寸和对准容差

4.8.2  MOS晶体管的版图

4.9  NMOS场效应管的偏置

4.9.1  为什么需要偏置

4.9.2  四电阻偏置

4.9.3  恒定栅源电压偏置

4.9.4  Q点的图形分析

4.9.5  包含体效应的分析

4.9.6  使用统一模型进行分析

4.10  PMOS场效应晶体管的偏置

4.11  结型场效应管

4.11.1  偏压下的JFET

4.11.2  漏源偏置下的JFET沟道

4.11.3  n沟道JEFT的IV特性

4.11.4  p沟道JFET

4.11.5  JFET的电路符号和模型小结

4.11.6  JFET电容

4.12  JFET的SPICE模型

4.13  JFET和耗尽型MOSFET的偏置

小结

关键词

参考文献

习题

 

第5章  双极型晶体管

5.1  双极型晶体管的物理结构

5.2  npn晶体管的传输模型

5.2.1  正向特性

5.2.2  反向特征

5.2.3  任意偏置条件下晶体管传输模型方程

5.3  pnp晶体管

5.4  晶体管传输模型的等效电路

5.5  双极型晶体管的IV特性

5.5.1  输出特性

5.5.2  传输特性

5.6  双极型晶体管的工作区

5.7  传输模型的化简

5.7.1  截止区的简化模型

5.7.2  正向有源区的模型简化

5.7.3  双极型集成电路中的二极管

5.7.4  反向有源区的简化模型

5.7.5  饱和区模型

5.8  双极型晶体管的非理想特性

5.8.1  结击穿电压

5.8.2  基区的少数载流子传输

5.8.3  基区传输时间

5.8.4  扩散电容

5.8.5  共发电流增益对频率的依赖性

5.8.6  Early效应和Early电压

5.8.7  Early效应的建模

5.8.8  Early效应的产生原因

5.9  跨导

5.10  双极工艺与SPICE模型

5.10.1  定量描述

5.10.2  SPICE模型方程

5.10.3  高性能双极型晶体管

5.11  BJT的实际偏置电路

5.11.1  四电阻偏置

5.11.2  四电阻偏置电路的设计目标

5.11.3  四电阻偏置电路的迭代分析

5.12  偏置电路的容差

5.12.1  坏情况分析

5.12.2  蒙特卡洛分析

小结

关键词

参考文献

习题

 

附录A标准离散组件值

A.1  电阻

A.2  电容

A.3  电感

 

附录B固态器件模型及SPICE仿真参数

B.1  pn结二极管

B.2  MOS场效应管

B.3  结型场效应管

B.4  双极型晶体管

 

附录C二端口回顾

C.1  g参数

C.2  混合参数或h参数

C.3  导纳参数和y参数

C.4  阻抗参数或z参数

 

原书前言
本书全面讲解了现代电子电路设计中的基本技术，通过学习，读者可以对模拟电路、数字电路及分立元件与集成技术进行深入的理解。尽管大多数读者可能不会从事集成电路设计相关工作，但对于集成电路结构的深入理解，有助于我们从系统设计的角度深刻认识，从而消除系统设计中的隐患，增强集成电路使用的可靠性。

数字电路是电路设计中的重要领域，但许多电子学入门书籍
仅将这部分内容列为补充知识，本书对数字电路和模拟电路部分做了均衡的介绍。本书的创作完成得益于作者在精密数字设计领域多年丰富的工作经历及多年的教学总结。书中涉及范围广泛，读者可以根据需要选择适当的内容作为两个学期或者连续3个学期的电子学教材。
本版说明
本版继续对书中相关资料进行了更新，更利于读者学习和掌握。除了常规的资料更新外，书中强化了一些概念的讲解和改进。

第2章强化了速度饱和的概念。在场效应晶体管章节中增加了Rabaey和Chandrakasan的统一MOS模型的方式，在本书的第2部分和第3部分的讨论、实例和新设问题中，多次给出速度限制对数字电路和模拟电路的影响分析。

第7章在CMOS逻辑电路设计中介绍了触发器和锁存器等基本逻辑电路。近年来，闪存技术发展迅速，第8章重点补充了闪存相关的存储技术、主要电路及存在的问题等内容。当前，TTL电路已经被逐步取代，因此在第9章中相应减少了对该电路的介绍，增加了对正射极耦合逻辑电平（PECL）电路的简短讨论，但网上仍可查到书中删除的电路介绍。

第15章新增了达林顿对的相关内容。第16章改进了偏移电压计算的方法，修正了带隙材料的基准。在第17章对FET栅极电阻的讨论则映射了在BJT中对基极电阻的讨论，同时增加了对互补射极跟随器频率响应的扩展讨论，也增加了FET频率相关的电流增益影响的讨论，包括其对源极跟随器配置的输入和输出阻抗的影响。后，更新了经典和普适的琼斯混音器
讨论方法。第18章用实例讲解了新的偏移电压计算方法，同时增加了对MOS运算放大器补偿的讨论。
由于翻译时将本书拆分成3卷，第1卷《深入理解微电子电路设计——电子元器件原理及应用（原书第5版）》为原书第1~5章，第2卷《深入理解微电子电路设计——数字电子技术及应用（原书第5版）》为原书第6~9章，第3卷《深入理解微电子电路设计——模拟电子技术及应用（原书第5版）》为原书第10~18章。参考文献和扩展阅读影印自原书。

本版增加的主要内容还包括： 
 至少增加了35%的习题。
 可以从McGrawHill获得的PowerPoint幻灯片。

 具有流行的自适应学习工具： Connet、LearnSmart及SmartBook。
 所有示例采用结构化的问题解决方法。
 修订和扩展了流行的ElectroniceinAction功能，包括IEEE社团、SPICE的历史发展、身体传感器网络、琼斯混音器、高级CMOS技术、闪存增长、低压差分信号（LVDS）和全差动放大器。
每一章的开头都给出了本章内容相关的电子学发展历史，能够加深读者对该技术发展进程的了解。重点的设计方法采用高亮显示，以便让电路设计者重点记忆。万维网可以看作本书的扩展。
本书具有鲜明的特点，可以归纳如下： 
 所有实例均采用了结构性问题求解方法。
 每一章都提供了相关的电子应用案例。
 每章开头都给出了与本章内容相关的电子学领域重要发展历程。
 重点强调设计要点，给出了大量的实际电路设计案例。
 本书正文及设计实例中充分利用了SPICE仿真软件。
 在SPICE中整合了器件模型。
 书中给出了大量的练习、例子及设计实例。
 增加了大量新的习题。
 整合了网站素材。

 

书中首先介绍了数字电路的部分内容，便于非电子工程专业的学生学习，尤其是计算机工程或计算机科学专业的学生，他们往往只学习电子学系列课程中的门课程。
第6章和第7章对NMOS和PMOS逻辑设计进行了全面介绍，第8章介绍了存储器单元及其周边电路。第9章给出了有关双极型逻辑设计的介绍，包含对ECL、CML和TTL的讨论。由于MOS工艺的重要性，书中对双极型逻辑相关内容做了删减。本书中没有涉及任何有关逻辑模块层次的设计，因为在数字设计课程中会对此进行全面介绍。
第1~9章仅仅关注的是晶体管的大信号特征，这样可以让读者在学会将电路拆分成不同模块（可能是不同结构）进行直流和交流小信号分析之前，对器件特性和电流电压特性进行深入了解（小信号概念在第13章中正式给出）。

尽管本书涉及数字电路的篇幅比大多数书籍要多，但仍有超过50%的篇幅介绍的是传统的模拟电路。从第10章开始介绍模拟电路内容。第10章中介绍了放大器概念和经典的理想运算放大器电路。第11章对非理想运算放大器进行了详细讨论。第12章给出了大量运算放大器应用实例。第13章全面介绍了二极管、BJT晶体管和FET（场效应管）的小信号模型的研究方法，其中BJT晶体管和FET采用的是混合π模型和π模型。
第14章对单级放大器设计和多级交流耦合放大器进行了深入讨论，对耦合电容和旁路电容设计进行了介绍。第15章讨论了直流耦合多级放大器，并介绍了运算放大器的原型电路。第16章继续介绍集成电路设计中的重要结论，并研究了经典741运算放大器。

第17章研究了晶体管的高频模型，讨论了高频电路特性的分析，并详细介绍了用于估算低频和高频主极点的重要短路和开路时间常数技术。第18章给出了晶体管反馈放大器的实例，并探讨了它们的稳定性和补偿，同时在第18章
中还总结了关于高频LC、负gm和晶体振荡器的相关讨论结果。  

设计
在工程师培训中设计仍然是一个较难的课题。本书定义了非常清晰的问题求解方法，利用该方法可以加深学生对于设计相关问题的理解能力。书中提供的设计实例有助于建立对设计流程的了解。

本书第6章直接切入到与NMOS和CMOS逻辑门设计相关的问题。在整本书中都讨论了器件的影响和无源元件的容限问题。当前，由于电池供电的低功耗、低电压设计变得越来越重要，逻辑设计实例的电源电压关注更低的电源电压。同时，本书中一直贯穿着计算机技术的使用，包括利用MATLAB、电子表格或者高级语言来开发设计选项。

在本书的模拟部分一直强调采用设计模拟决策的方法。在任何适合的情况下，都在标准混合π模型表示的基础上将放大器特性表达式进行了简化。例如，在绝大多数书籍中放大器的电压增益表达式只能写为： 
|Av|=gmRL，而隐藏了电源电压作为基本设计变量这一事实。本书中对此表达式进行了改进，将双极型晶体管的电压增益近似为
gmRL≈10VCC，或将FET的电压增益近似为
gmRL≈VDD，明确地揭示了放大器设计与电源供电电压选择的关系，为共发射极放大器和共源极放大器的电压增益提供了一种简单的一阶设计估算方法。双极型放大器的增益优势也显而易见。只要有可能，书中经常会给出此类性能估算的近似技巧和方法。
第1章结尾处介绍了差情况分析和蒙特卡洛分析技术。传统上在本科生课程中并不会包含这些内容，然而，在面临较多的元
器件容限和差异情况下进行电路设计是电子电路设计中需要具备的一项重要技能，在书中给出的例子中对采用标准元器件和给定
元器件容限的电路都利用该技术进行了讨论，在众多习题中也包含这一内容。

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计算机利用和SPICE
本书全部采用计算机作为辅助工具，作者坚信这样做比只采用SPICE电路分析软件要好。如今的计算机世界中，相比费力
地将复杂的方程组简化成某种易于处理的分析形式，大家通常更愿意利用计算机来研究复杂设计问题。书中多处给出了利用计算机，采用电子表格、MATLAB和（或）高级语言程序来建立迭代估算方程的实例。MATLAB还可用于生成奈奎斯特图和伯德图，对于蒙特卡洛分析而言非常有用。

另外，书中通篇都有SPICE的使用，SPICE仿真结果全都给出，在习题集中也包含了大量SPICE习题。只要有所帮助，在绝大多数实例中采用了SPICE分析。这一版本仍然强调了SPICE中直流分析、交流分析、瞬态分析及传输函数分析模式的区别与使用。在每种半导体器件的介绍之后都对其SPICE模型进行了讨论，每种模型都给出了典型的SPICE模型参数。使用SPICE可以轻松检查本文中的绝大多数问题，并建议学生能够自己寻找答案。
致谢
感谢对本书编写及筹备做出贡献的工作者。我们的学生在对原稿的润色上提供了极大的帮助，并尽力完成了原稿的多次修订。一直以来，我们的系领导（奥本大学的J.D.Irwin和弗吉尼亚大学的L.R.Harriott），高度支持员工努力写出更高水平的教材。
感谢所有的审阅和审查人员： 
David Borkholder，罗切斯特理工学院
Dimitri Donetski，布法罗大学
Barton Jay Greene，北卡罗来纳州立大学
Marian Kazimierczuk，莱特州立大学
JihSheng Lai，弗吉尼亚理工学院和州立大学
Dennis Lovely，新不伦瑞克大学
Kenneth Noren，爱达荷大学
Marius Orlowski，弗吉尼亚理工大学
还要感谢J.F.Pierce和T.J.Paulus的课堂练习“电子应用”给我们带来的灵感。Blalock教授多年前就跟随Pierce教授学习有关电子学内容，至今仍盛赞他们早已绝版的教材中所采用的诸多分析技术。

在Jaeger教授成为佛罗里达大学Art Brodersen教授的学生之后不久，他很幸运地获得了Pederson的书籍，从头到尾进行了仔细研究。
我们要感谢罗马尼亚ClujNapoca技术大学的Gabril Chindris帮助创建NI Multisim示例的模拟。

后，感谢McGrawHill团队的支持，包括环球出版社的Raghothaman Strinivasam，产品开发员Vincent Bradshaw，市场经理Nick McFadden，项目经理Jane Mohr。
在本书的写作过程中，我们尽力将自身在模拟和数字设计领域的业界背景与多年的课堂经验融合在一起，希望能获得一定程度的成功。欢迎大家提出建设性意见和建议。

Richard C.Jaeger

奥本大学 

Travis N.Blalock

弗吉尼亚大学