深入理解微电子电路设计——电子元器件、数字电路、模拟电路原理及应用（原书第5版）（清华开发者书库）

电子与通信微电子学、集成电路(IC)

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深入理解微电子电路设计——电子元器件、数字电路、模拟电路原理及应用（原书第5版）（清华开发者书库）截图

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[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。

第一部分

固态电子学与器件

第1章

电子学简介

1.1电子学发展简史

1.2电信号的分类

……

念

1.6电信号的频谱

1.7放大器

1.8电路设计中元件参数的变化

1.9数值精度

小结

关键词

参考文献

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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

……

2.9总电流

2.10能带模型

2.11集成电路制造综述

小结

关键词

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习题

第3章

固态二极管和二极管电路

3.1pn结二极管

3.1.1pn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

3.4二极管特性之反偏、零偏和正偏

……

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

小结

关键词

参考文献

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习题

第4章

场效应晶体管

4.1MOS电容特性

4.2NMOS晶体管

4.3PMOS晶体管

4.4MOSFET电路符号

4.5MOS晶体管的电容

4.6SPICE中的MOSFET建模

4.7MOS晶体管的等比例缩放

4.8MOS晶体管的制造工艺及版图设计规则

4.9NMOS场效应管的偏置

4.10PMOS场效应晶体管的偏置

…

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

5.2npn晶体管的传输模型

5.3pnp晶体管

…

5.12偏置电路的容差

小结

关键词

参考文献

习题

第二部分

数字电路

第6章

数字电路简介

6.1理想逻辑门

……

6.4布尔代数回顾

6.5NMOS逻辑设计

6.6晶体管替代负载电阻方案

…

6.7NMOS反相器小结与比较

6.8速度饱和对静态设计的影响

6.9NMOS与非门和或非门

6.10复杂NMOS逻辑设计

6.11功耗

6.12MOS逻辑门的动态特性

6.13PMOS逻辑

6.13.1PMOS反相器

6.13.2与非门和或非门

小结

关键词

参考文献

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习题

第7章

CMOS逻辑电路设计

7.1CMOS反相器

7.2CMOS反相器的静态特性

……

7.9CMOS传输门

7.10双稳态电路

7.11CMOS闩锁效应

小结

关键词

参考文献

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习题

第8章

MOS存储器及其电路

8.1随机存取存储器（RAM）

……

8.5地址译码器

8.6只读存储器(ROM)

8.7闪存

8.7.1浮栅技术

8.7.2NOR电路实现

8.7.3NAND电路实现

小结

关键词

参考文献

习题

第9章

双极型逻辑电路

9.1电流开关(发射极耦合对)

……

9.5ECL或或非门

9.6射极跟随器

……

9.14肖特基钳位TTL

9.15ECL和TTL的功耗延迟对比

9.16BiCMOS逻辑

小结

关键词

参考文献

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习题

第三部分

模拟电路

第10章

模拟系统和理想运算放大器

10.1模拟电子系统示例

10.2放大作用

10.3放大器的二端口模型

10.4源和负载电阻的失配

10.5运算放大器简介

10.6放大器的失真

10.7差分放大器模型

…

10.10反馈放大器的频率特性

小结

关键词

参考文献

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习题

第11章

非线性运算放大器和反馈放大器的稳定性

11.1经典反馈系统

…

11.9使用持续电压和电流注入法计算回路增益

11.10利用反馈减小失真

…

11.13运算放大器的频率响应和带宽

11.14反馈放大器的稳定性

小结

关键词

参考文献

习题

第12章

运算放大器应用

12.1级联放大器

12.2仪表放大器

12.3有源滤波器

12.4开关电容电路

12.5数/模转换

12.6模/数转换

12.7振荡器

12.8非线性电路的应用

12.9正反馈电路

小结

关键词

参考文献

习题

第13章

小信号建模与线性放大

13.1晶体管放大器

13.2耦合电容和旁路电容

…

13.4小信号模型简介

13.5双极型晶体管的小信号模型

13.6共射极放大器

…

13.11共射极放大器和共源极放大器小结

13.12放大器功率和信号范围

小结

关键词

习题

第14章

单晶体管放大器

…

14.5放大器原型回顾和比较

14.6采用MOS反相器的共源极放大器

14.7耦合和旁路电容设计

14.8放大器设计实例

14.9多级交流耦合放大器

小结

关键词

扩展阅读

习题

第15章

差分放大器和运算放大器设计

15.1差分放大器

15.2基本运算放大器的演进

15.3输出级

15.4电子电流源

小结

关键词

参考文献

补充阅读

习题

第16章

模拟集成电路设计技术

16.1电路元件匹配

16.2电流镜

16.3高输出电阻电流镜

…

16.9μA741运算放大器

16.10Gilbert模拟乘法器

小结

关键词

参考文献

习题

第17章

放大器频率响应

17.1放大器频率响应

…

17.4高频晶体管模型

17.5混合π模型中的基区电阻

…

17.11射频电路介绍

17.12混频器和平衡调制器

小结

关键词

参考文献

习题

第18章

晶体管反馈放大器与振荡器

18.1基本反馈系统回顾

18.2反馈放大器的中频分析

18.3反馈放大器电路举例

放大器

18.4反馈放大器稳定性回顾

18.5单极点运算放大器补偿

18.6高频振荡器

小结

关键词

参考文献

习题

附录

附录A标准离散元件参数

附录B固态器件模型及SPICE 仿真参数

附录C二端口网络回顾

本书凝聚了作者多年的微电子电路分析与设计的经验。书中章节安排全面系统，文字叙述言简意赅，逻辑推理周密严谨，并给出了大量具有工程实践指导意义的设计示例，有利于初学者快速掌握微电子电路的设计。对于工程技术人员，本书也具有较高的参考价值。

——黄武教授加州大学洛杉矶分析

本书作者多年来扎根于微电子电路教学、研究与产业一线，编著的此书是一本畅销全球的优秀的教材。本书涵盖了电子元器件、模拟电子、数字电子分析与设计等内容，能够很好地满足国内微电子电路产业人才培养的需要。

——时到南教授上海交通大学

本书秉承深入浅出、图文并茂的写作风格，辅以翔实的习题，令人受益匪浅。无论是从事微电子电路设计的资深研发者，或者是亟待入门的新人，都能从本书中获益。希望本书可以成为广大读者从事微电子电路设计的优秀参考工具书。

——于任东教授中国科学院

伴随着集成电路产业“卡脖子”的困境，我国近年来对集成电路的研发投入越来越大，产业人才需求缺口也愈发凸显，而这其中的微电子电路人才培养需要高等学校与产业相结合, 更是一个难题。本书循序渐进、深入浅出地阐述了微电子电路设计的相关理论与实践知识，是一本能够满足高校本科生及研究生学习需求的优秀教材。

——吴仲恺教授浙江大学

本书系统论述了微电子电路的基本知识及其应用，全书共分为18章，涵盖了固态电子学与器件、数字电路和模拟电路三部分知识体系，通过本书的学习，读者可以对现代电子设计的基本技术、模拟电路和数字电路以及分立电路和集成电路进行全面了解。在固态电子学与器件部分主要介绍了电子学的基本原理以及固态电子学基础，介绍了二极管的i-V特性以及晶体管的SPICE模型等内容，给出了电路设计中常用的最差情况分析、蒙特卡洛分析等主要分析方法。在数字电路部分，作者着重讲解了逻辑电路的基本概念，对于NMOS、CMOS、MOS存储电路以及双极型数字逻辑电路都进行了详细的讲解。模拟电路部分从放大器主要概念入手，详细介绍了放大器相关概念及二端口模型、反馈放大器频率响应、小信号建模、单晶体管放大器、差分放大器、反馈放大器以及振荡器等内容。通过本书的学习，读者可以全面掌握微电子电路相关的概念和知识，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实例以及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。

本书是世界经典名著，全球数千所高校采用的经典教材。本书系统论述了微电子电路的基本知识及其应用，全书共分为18章，涵盖了固态电子学与器件、数字电路和模拟电路三部分知识体系，通过本书的学习，读者可以对现代电子设计技术、模拟电路和数字电路以及分立电路和集成电路进行全面了解。在固态电子学与器件部分主要介绍了电子学的基本原理以及固态电子学基础，介绍了二极管的i-V特性以及晶体管的SPICE模型等内容，给出了电路设计中常用的最差情况分析、蒙特卡洛分析等主要分析方法。在数字电路部分，作者着重讲解了逻辑电路的基本概念，对于NMOS、CMOS、MOS存储电路以及双极型数字逻辑电路都进行了详细的讲解。模拟电路部分从放大器主要概念入手，详细介绍了放大器相关概念及二端口模型、反馈放大器频率响应、小信号建模、单晶体管放大器、差分放大器、反馈放大器以及振荡器等内容。

 注重方法本书从工程求解角度定义了一种非常清晰的9步问题求解方法，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。

 注重实践本书每一章都提供了大量的设计实例，每一章的最后都会给出专门的设计习题、计算机习题和SPICE习题，并具有在线的习题指导。

 软件仿真本书全部采用计算机作为辅助工具，注重电子技术的运用，包括利用MATLAB、电子表格或者利用高级语言来开发设计选项，许多电路设计都提供了SPICE仿真模型，便于对所设计电路进行性能上的模拟验证。

 内容全面本书既有微电子电路相关的基础概念、分析方法，也有电子电路相关的特性、分析及设计，内容由浅入深，前后连接紧密，能够激发读者学习兴趣，启迪创新思想。

本书全面讲解了现代电子电路设计中的基本技术。通过本书的学习，读者可以对模拟电路、数字电路及分立元件与集成电路技术有深入的理解。尽管大多数读者可能不会从事集成电路设计的相关工作，但对于集成电路结构的深入理解，有助于读者从系统设计的角度加深认识，从而消除系统设计中的隐患，增强集成电路的可靠性。

数字电路是电路设计的重要内容，但许多关于电子学的入门书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的内容做了均衡的介绍。本书的创作完成得益于作者在精密数字设计领域多年的丰富工作经历以及多年的教学总结。书中涉及内容广泛，读者可以根据需要选择适当的内容用于两个学期或者连续三个学期的学习。

本书说明

本书第5版对书中内容进行了更新，强化和改进了一些概念的讲解，更利于读者学习和掌握。

第2章强化了速度饱和的概念。第4章增加Rabaey和Chandrakasan的统一MOS模型的方式。本书第二部分和第三部分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章重点补充了与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。

同时，在本书第三部分讨论了速度饱和状态下的偏置、失真及由此引起的一些新问题。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。第17章对FET中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。最后，更新了经典和普适的JONES混频器讨论方法。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。

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。

 每章都提供了相关的电子应用案例。

 每章开始都介绍了与本章内容相关的电子学领域技术的重要发展历程。

 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。

 整合了网站素材。

 至少增加了35%的习题。

 可以从McGrawHill获得最新的PowerPoint幻灯片。

 提供流行的自适应学习工具：Connect、LearnSmart及SmartBook。

 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、JONES混频器、高级CMOS技术、闪存增长、低压差分信号（LVDS）和全差动放大器。

深入理解微电子电路设计

前言

书中首先介绍了数字电路，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学习，因为他们往往只学习电子学系列课程中的第一门课程。

本书数字电路部分主要介绍逻辑门和存储单元设计。第6章和第7章全面介绍了NMOS和PMOS逻辑设计。第8章介绍了存储器单元及其周边电路。第9章介绍了有关双极型逻辑设计，包含ECL、CML和TTL等。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。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。

本书第一和第二部分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（小信号概念在第三部分的第13章中介绍）。

尽管本书涉及数字电路的篇幅比大多数图书要多，但仍有超过50%的篇幅介绍的是传统的模拟电路，即本书第三部分。第10章介绍了放大器概念和经典的理想运算放大器电路。第11章详细讨论了非理想运算放大器。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，其中的BJT晶体管和FET采用的都是混合π模型和π模型。第14章深入讨论了单级放大器设计和多级交流耦合放大器，对耦合电容和旁路电容设计。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μA741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，并详细介绍了用于估算低频和高频主极点的重要的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章中总结了关于高频LC、负gm和晶体振荡器的相关讨论。

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。

本书第二部分直接切入与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，书中一直贯穿着对计算机技术的利用，包括利用MATLAB、电子表格或者利用计算机高级语言来开发设计选项等。

本书模拟电路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，在绝大多数图书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，书中经常会给出近似估算此类性能的技巧和方法。双极型电路和FET电路之间的比较和设计权衡贯穿了第三部分内容。

在第1章结尾处介绍了最差情况分析和蒙特卡洛分析技术。传统的本科生课程并不会包含这些内容，但是这却是在面临较多的元件容限和差异情况下进行电路设计时需要具备的重要技能，在本书的例子和习题中对采用标准元件和给定元件容限的电路利用该技术都进行了讨论。

习题与指导

在每章的最后都给出专门的设计习题、计算机习题和SPICE习题。设计习题用符号表示，计算机习题用符号表示，SPICE习题用符号表示。习题对书中的内容而言十分重要，更难或需要花费更多时间的习题用*和**表示。此外，书中所有图标都制成了PowerPoint文件，可以从Connect提供的教师资源部分获得，也可从网站上进行检索。从中还可以找到制作成PowerPoint幻灯片的指导和注意事项。

McGrawHill SmartBook

SmartBook由智能和自适应LearnSmart引擎提供支持，是目前第一个也是唯一一个提供持续自适应阅读体验的平台。通过区分学生所知道的内容和他们最容易忘记的概念，SmartBook为每个学生提供个性化内容。阅读不再是一种被动和线性的体验，而是一种引人入胜且充满活力的体验，学生更有可能掌握并记住重要的概念，为课堂做好准备。SmartBook包含功能强大的报告，可识别学生需要学习的特定主题和学习目标。这些有价值的报告还可以让教师深入了解学生如何通过教材内容进行学习，并有助于掌握课堂效果，从而集中宝贵的课堂时间为学生提供个性化的反馈及定制评估。

SmartBook如何运作？每个SmartBook包含四个组件：预习、阅读、练习和复习。从每章的初步预习和关键目标学习开始，让学生阅读材料，并根据他们对练习不断适应的反应，引导他们实践最需要的主题，继续阅读和练习。SmartBook指导学生复习他们最有可能忘记的内容，以确保学生掌握概念，并记住重要的内容。

电子版教材

教师和学生都可以从CourseSmart购得此书。CourseSmart是一个在线资源，学生可以从中购买完整的电子版在线教材，而花费几乎是传统教材的一半。购买电子教材可以让学生充分利用CourseSmart网络工具的优势进行学习，这些工具包括全文搜索、做笔记和高亮显示，以及便于同学之间分享笔记的email工具。如要了解有关CourseSmart的更多信息，请与销售代理联系或登录www.CourseSmart.com进行咨询。

COSMOS

COSMOS是完整的在线解决方案指导系统，教师可以从McGrawHill的COSMOS电子解决方案手册中获益。COSMOS可为任课教师生成多项习题布置给学生，同时还可将教师自己设计的习题传输到软件中，更多信息请联系McGrawHill的销售代理。

利用计算机和SPICE电路分析软件

本书将计算机作为辅助工具，作者坚信这样做绝对要比只采用SPICE电路分析软件要好。如今，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，整本书中都有SPICE的使用，SPICE仿真结果也全都给出，在习题集中也包含了大量SPICE习题。只要有所帮助，在绝大多数实例中都采用了SPICE分析。本书仍然强调了SPICE中直流分析、交流分析、瞬态分析以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可以轻松检查本书中的绝大多数问题，并建议学生自己寻找答案。

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J. C. Lach，高度支持员工努力写出更高水平的教材。

感谢下面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。