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模拟微电子学(英文版电子书)

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资源介绍

该书聚焦模拟微电子学,虽所涉一般概念也适用于由单个分立器件构成的电路,但采用的方法更适合模拟微电子学。在模拟微电子学中,设计师在选用有源和无源器件方面拥有很大的自由度;而对于由分立器件构成的电路,设计师只能从有限的预选元件中挑选器件。 全书共分为八章,第一章是电子学的历史之旅,五章阐述理论知识,两章是练习题集合,还有六个附录,主要聚焦一些特殊的数学证明。 第一章讲述了数十年来不同种类电子学的发展历程,包括点接触电子学、真空电子学、pn 结电子学和场效应电子学。除了讲述尝试、错误、想法、意外发现和成就外,还为每种电子学都简要介绍了其早期的军事和民用应用。特别是对于 pn 结和场效应电子学,还提及了早期的集成电路例子。为了强调历史轨迹,阐述遵循时间顺序而非主题标准。引用专利和诺贝尔奖演讲,而不仅仅是书籍和论文,让这段历史之旅更具生动性。在适当的地方,书中引用了专利和诺贝尔奖演讲的摘录,以唤起当时那些微电子学这场惊人冒险中的主角们的声音,而这场冒险在今天依然继续着。 第二章介绍了 pn 结和场效应电子学(半导体或固态电子学)的基本物理学知识,涉及导带和价带、掺杂和电荷传输,但为了使论述简洁,没有涉及量子力学。需要说明的是,这种选择存在明显的历史和知识上的不准确,不过前一章已让读者意识到这一点。书中提到,贝尔实验室的管理层非常希望招募像肖克利这样具有扎实量子力学知识的物理学家,他们相信这种物理学是掌握固态电子学的关键。本章重点介绍了三种基本的固态器件:pn 结、结型晶体管和金属 - 氧化物 - 半导体(MOS)场效应晶体管。对于每种器件,首先通过导带和价带,以能量为导向的解释方式对其工作原理进行定性描述。接着,提供基本的数学物理知识以证明主要的电流 - 电压特性。最后,介绍偏置、等效小信号模型以及作为放大器的晶体管等概念。 第三章专门讨论单晶体管电路(共发射极、共基极、共集电极、共源极、共栅极和共漏极)。分析从一个单一的示意图开始,这个示意图是所有具有增益的电路在学习方法和效率方面的原型。然后将所得结果应用于研究多晶体管电路,如共源共栅电路、电流镜和差分放大器。模式的概念在这种应用中至关重要。认知心理学认为,大脑通过发现模式和关联来学习。为了更好地理解这个概念,可以引入国际象棋的类比,国际象棋是一种理性活动,其能力在于在看似只有错误感知的地方发现规律性和模式。一位国际象棋大师能够同时下多盘棋,而且很多时候能赢,不是因为他能在短时间内计算很多变体,而是因为他知道大量的模式,估计有 10 万个。面对一个从未见过的电路示意图,主要会遇到两个困难:理解电路的工作原理和规划其特性的计算。前面的考虑表明,上述困难可以通过将电路分解成已知的模式来解决。已知模式的数量是电子学爱好者(象棋俱乐部玩家)和设计工程师(象棋大师)之间的一个重要区别。因此,本章强调一种围绕模式概念的方法,不仅用于理解电路操作,也用于计算电路特性。 第四章是练习题集合,旨在加强发现模式的能力及其在计算中的应用。练习题分为三类。第一组练习题仅涉及视觉检查,以激发在中低复杂度电路中发现模式的能力。另外两组练习题将模式识别应用于特定特性的计算,如给定电路的增益以及输入和输出电阻。特别是第二组练习题进行了充分讨论并逐步解答,而第三组练习题只提供最终答案。 第五章借助传统的拉普拉斯变换和傅里叶变换来研究电子放大器的时间和频率响应,这些变换也用于介绍电路物理可行性的条件。本章详细介绍了三种估计零点和极点的方法(时间常数法、科克伦 - 格雷布尔法、时间和传输常数法)。对于每种方法,本章都提供了数学证明,虽然与原始论文和书籍中的思路一致,但进行了更直观的阐述。最后,利用时间和传输常数法研究第三章介绍的基本模式、共源共栅和差分放大器的频率响应。 第六章探讨负反馈这一非常普遍的主题。阐述从自动控制基础课程中通常呈现的理想反馈系统开始,然后逐步使模型复杂化,直到能够应用于电子电路。对于四种可能的反馈类型(电压 - 电压、电压 - 电流、电流 - 电流、电流 - 电压),本章详细介绍了两种通用分析方法(双端口法、回比法)。除了传统情况(单向放大器和双向反馈网络)外,还讨论了双向放大器和单向反馈网络的情况。这确实会得出一些对研究具体反馈电子放大器例子有用的结论,这些例子是本书最后一章(第八章)的主题。 第七章是关于具体反馈电子放大器的充分讨论和解答的练习题集合。特别是,讨论旨在加强对反馈类型的正确识别,并揭示将通用双端口方法应用于电子电路时预计会遇到的局限性。 第八章致力于研究负反馈系统稳定性的主要规则(根轨迹、劳斯 - 赫尔维茨、奈奎斯特)。至于估计零点和极点的方法,对于每条稳定性规则,本章都提供了数学证明,与原始证明思路一致,但形式更直观。本章讨论了反馈环路中放大器传递函数的三种主要情况(三个极点无零点、三个极点一个零点、三个极点两个零点)。本章最后介绍了电子放大器的补偿,特别考虑了米勒补偿和超前补偿技术。 除了第一章特有的历史内容(且在全书都有体现)以及强调模式识别和数学推理的方法学特征外,本书还将通常分散在多篇著作中的概念和定理汇集在一卷中。这些定理分类属于不同学科(如自动控制、信号理论),往往只被阐述而没有数学证明作为支撑,而这些证明必须在不总是为学生和设计师所能获取的书籍和论文中寻找。此外,这些证明在执行和形式上往往都不够直观。本书为所有声称的定理(极少数除外)提供了详细的数学证明,并努力使其尽可能直观。 本书主要面向电子工程硕士研究生和电子工程或物理学博士研究生。也可用于电子工程本科课程,尽管会有相应的限制和注意事项。由于所采用的方法比许多大学教科书通常提供的方法能得出更系统和详细的成果,对于希望从更具方法学和扩展的视角复习自己已熟知主题的设计师来说,本书也可能是一个有用的资源。 六个附录分别涉及费米 - 狄拉克统计、双端口网络的矩阵转换、布罗姆维奇 - 梅林积分、单位阶跃信号 u (t) 的拉普拉斯变换和傅里叶变换、克拉默斯 - 克朗尼格关系以及作为共轭对的 sin (ωt) 和 cos (ωt),为书中的理论内容提供了扎实的数学支撑。 总之,《模拟微电子学》是一本在模拟微电子领域内容全面、讲解深入且具有很强实用性的专业书籍,对于相关专业的学生和设计师都具有重要的参考价值。