電子電路設計：國外電子通信教材

　　本書以清晰、直觀的文體論述了電子電路設計的技術基礎及應用。內容包括基本放大電路及應用、放大器模型和頻率特性、半導體二極管和非線性建模、金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET）放大器、雙極型晶體管（BJT）放大器、運算放大器、反饋放大器、大信號電路，并以較大的篇幅介紹了集成電路的設計方法，包括用MOSFET和BJT進行集成電路設計，最后對CMOS邏輯電路做了簡要介紹。全書概念清晰、取材新穎、深入淺出、易于理解，各章均配有大量富有特色的例題和習題，并在附錄中給出了部分習題的解答?？勺鳛殡婎惐究粕滩?，也可作為研究生的參考書和工程技術人員的自學用書。序2001年7月間，電子工業(yè)出版社的領導同志邀請各高校十幾位通信領域方面的老師，商量引進國外教材問題。與會同志對出版社提出的計劃十分贊同，大家認為，這對我國通信事業(yè)、特別是對高等院校通信學科的教學工作會很有好處。教材建設是高校教學建設的主要內容之一。編寫、出版一本好的教材，意味著開設了一門好的課程，甚至可能預示著一個嶄新學科的誕生。20世紀40年代MIT林肯實驗室出版的一套28本雷達叢書，對近代電子學科、特別是對雷達技術的推動作用，就是一個很好的例子。我國領導部門對教材建設一直非常重視。20世紀80年代，在原教委教材編審委員會的領導下，匯集了高等院校幾百位富有教學經驗的專家，編寫、出版了一大批教材；很多院校還根據學校的特點和需要，陸續(xù)編寫了大量的講義和參考書。這些教材對高校的教學工作發(fā)揮了極好的作用。近年來，隨著教學改革不斷深入和科學技術的飛速進步，有的教材內容已比較陳舊、落后，難以適應教學的要求，特別是在電子學和通信技術發(fā)展神速、可以講是日新月異的今天，如何適應這種情況，更是一個必須認真考慮的問題。解決這個問題，除了依靠高校的老師和專家撰寫新的符合要求的教科書外，引進和出版一些國外優(yōu)秀電子與通信教材，尤其是有選擇地引進一批英文原版教材，是會有好處的。一年多來，電子工業(yè)出版社為此做了很多工作。他們成立了一個"國外電子與通信教材系列"項目組，選派了富有經驗的業(yè)務骨干負責有關工作，收集了230余種通信教材和參考書的詳細資料，調來了100余種原版教材樣書，依靠由20余位專家組成的出版委員會，從中精選了40多種，內容豐富，覆蓋了電路理論與應用、信號與系統、數字信號處理、微電子、通信系統、電磁場與微波等方面，既可作為通信專業(yè)本科生和研究生的教學用書，也可作為有關專業(yè)人員的參考材料。此外，這批教材，有的翻譯為中文，還有部分教材直接影印出版，以供教師用英語直接授課。希望這些教材的引進和出版對高校通信教學和教材改革能起一定作用。在這里，我還要感謝參加工作的各位教授、專家、老師與參加翻譯、編輯和出版的同志們。各位專家認真負責、嚴謹細致、不辭辛勞、不怕瑣碎和精益求精的態(tài)度，充分體現了中國教育工作者和出版工作者的良好美德。隨著我國經濟建設的發(fā)展和科學技術的不斷進步，對高校教學工作會不斷提出新的要求和希望。我想，無論如何，要做好引進國外教材的工作，一定要聯系我國的實際。教材和學術專著不同，既要注意科學性、學術性，也要重視可讀性，要深入淺出，便于讀者自學；引進的教材要適應高校教學改革的需要，針對目前一些教材內容較為陳舊的問題，有目的地引進一些先進的和正在發(fā)展中的交叉學科的參考書；要與國內出版的教材相配套，安排好出版英文原版教材和翻譯教材的比例。我們努力使這套教材能盡量滿足上述要求，希望它們能放在學生們的課桌上，發(fā)揮一定的作用。最后，預祝"國外電子與通信教材系列"項目取得成功，為我國電子與通信教學和通信產業(yè)的發(fā)展培土施肥。也懇切希望讀者能對這些書籍的不足之處、特別是翻譯中存在的問題，提出意見和建議，以便再版時更正。譯者序當前，一個以全球性互聯網絡為主要載體、以信息高速公路為代表、以微電子技術為核心的信息革命正在世界各地蓬勃興起。信息革命已對人類社會的發(fā)展產生了巨大的影響。作為信息技術的先導和核心，電子電路設計與制作已發(fā)生了本質性的變化。從最初的真空管及其電路，經過晶體管及其電路階段，現已發(fā)展成集成電路乃至超大規(guī)模集成電路。但是，目前國內電子電路課程的一些教材內容陳舊，課程體系老化，已不適應現代科學技術對人才的要求。美國布里格姆揚大學DavidComer和DonaldComer教授所著的本書，給人以耳目一新的感覺。本書重點突出，講解細致精辟，內容編排合理，理論與工程實際結合緊密，反映了近十幾年來電子電路設計發(fā)展變化的新成就。本書的特點主要有：（1）內容以集成電路為主，適當保留了作為電子電路基礎的分立電路的部分內容，對分立元件以MOSFET為主做了闡述，重點討論了各種基本放大電路及其分析方法、放大電路中的反饋、模擬集成電路及其應用等；（2）對電子器件以及各種集成電路內部的工作原理做了適當的壓縮，注重電子電路的組成及結構的基本分析方法，突出了電子電路設計原理的闡述，減少了繁瑣復雜的數學推導；（3）在電路設計的有關章節(jié)中，本書添加了一些集成電路設計的模擬實例，通過使用Spice軟件的仿真技術，可以大大提高學生理論與實踐相結合的能力（目前在國內電子電路課程的教材中，有關Spice軟件的介紹還不多見）；（4）將理論闡述與具體的例題相結合，通過大量豐富的例題和練習題來說明有關電子電路的設計方法。這些例題，在數據計算上并不繁瑣，但在形式類別上別具一格，既突出重要概念，又聯系實際應用，這就更增加了本書的應用價值。本書可供大專院校電子、通信、計算機、自動化、電力等專業(yè)作為電子技術基礎課程的教材，也可供有關科技工作者自學參考。本書的翻譯由王華奎主持，第1章至第4章由馬建芬翻譯，第.5章至第7章由趙菊敏翻譯，第8章至第10章由張曉琴翻譯，第1，1章至第14章及附錄由王華奎翻譯。參加本書翻譯的還有張立毅、康亦佳、楊琨、賈蘭芳、李靜、王旭鵬等，在此向他們表示感謝。由于全書篇幅較大，時間倉促，加之譯者水平有限，譯文中難免有錯誤和不妥之處，敬請廣大讀者批評指正。最近二十年，由于科學技術的迅猛發(fā)展，大學中有關電氣工程和電子工程的課程發(fā)生了很大的變化。許多教學計劃都是通過壓縮數字信號處理方面的基礎課程來增加計算機工程的系列教程，這就導致了電子電路課時數的減少。某些教學計劃甚至安排電氣工程專業(yè)的學生只學一門電子電路課程。當今，金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）已經代替了雙極型晶體管（BJT）而成為電子工業(yè)的寵兒。盡管BJT仍用于分立電路設計和高速異質結技術，但與用CMOS工藝制造的集成電路相比，體積過大。MOSFET不僅將個人電腦的時速提高到了千兆赫茲，而且廣泛用于模擬電路設計。所以不論從事哪個領域的電氣工程師都應掌握用MOSFET設計集成電路的方法。現代研究方法本書對電子技術的這些發(fā)展趨勢做了解釋，重點討論MOSFET和BJT，對那些不常使用的器件則很少涉及。電路設計的基本概念在本書占據了一定的篇幅。有關電子設計的課題和內容可安排為6學分小時①。本書若用于3學分2門課的教學，教師應補充少量的課外材料；若用于4學分1門課的教學，本書內容富余，教師應做適當取舍?？紤]到MOSFET的重要性，在教材內容的安排上，首先介紹MOSFET，然后介紹BJT。另外，在關于集成電路設計的章節(jié)中又對MOSFET做了重點闡述。集成電路的重要性決定了其在初級電子教程中是不能忽略的?，F在幾乎所有的工業(yè)公司都會有機會接觸各種半導體廠。為此，本書在第8章、第9章、第10章專門對集成電路設計做了介紹。根據過去所學的課程，雖然學生對電路仿真的基本概念以及分析方法有了大致的了解，但是鑒于電路模擬對集成電路設計的重要性，本書專門在電路設計章節(jié)中添加了一些模擬實例，試圖從各方面來調動學生的學習興趣。本書的組織結構第1章介紹電子的發(fā)展史以及在這個領域做出過重大貢獻的杰出人士。通過了解這些內容可以激發(fā)同學為這一領域做出貢獻的潛力。第2章回顧一些重要的電路分支，以及一些對電路設計比較重要的理論，如戴維南定理、密勒效應。通過學習這部分內容可以使同學們掌握更多的電路和器件。第3章討論普通放大器模型、放大元件以及頻率相關因子。通過討論這部分內容，為后面介紹的MOSFET和BJT做鋪墊。´我們希望通過對這些知識的回顧，使學生了解在以后的章節(jié)學習放大器設計時，需要懂得哪些知識。第4章介紹最重要的放大器件即運算放大器。之所以首先介紹它，是因為其代表了一種近似理想化的模型，便于引入建模課題。盡管在以前有關電路分析的課程中已經討論過運算放大器，但是本章增加了運算放大器對放大器頻率響應的一些限制。第5章討論半導體物理學和pn結的基本概念，非線性元件建模機理也予以涉及。在本章的結尾還討論了二極管和擊穿二極管的應用。第6章討論了簡單的MOSFET放大器和MOSFET的基本工作原理。第7章采用與第6章類似的方法，論述了以BJT為放大元件的BJT放大器。這兩章主要是讓學生理解放大器的基本原理，而對這些放大器的詳盡構造則涉及較少。在前面各章的基礎上，第8章、第9章、第10章闡述了集成電路的設計方法。第8章著重介紹了分立電路和集成電路的區(qū)別、集成電路的基礎設計以及SPice模擬的方法。第9章介紹了在MOSFET集成電路放大設計中常用的單級放大器或基本組件。第10章介紹了與BJT集成電路放大器有關的知識。第11章從集成電路觀點出發(fā)，論述了差分輸入級和運算放大器的設計。其中運算放大器的穩(wěn)定性和補償度也在討論范圍之內。第12章的論題是反饋放大器，重點敘述了反饋的一般理論以及反饋放大器的部分組態(tài)，并用電壓反饋來說明反饋電路的分析方法。第13章、第14章論述數字電路。第13章首先論述了開關電路的基本概念，接著介紹了分立多諧振蕩器，最后分析了集成電路定時器。第14章介紹了組合邏輯電路，如與非門、或非門。在論述完如何用CMOS電路實現組合邏輯功能之后重點介紹了與非門。更多先進的數字CMOS電路將在今后的數字電路設計課程里進行討論。本書的教學特征為了幫助學生更好地理解電路設計，本書中增加了一些提示性的語句。概述。位于每章的主標題之后，告訴學生本章研究內容的要點及范圍。重要概念。位于每節(jié)的開頭，是對本節(jié)主要觀點的總結，有助于學生將學習的重點集中在這些內容上。范例。大多數章節(jié)在其開頭都提供了一個典型電路設計范例作為本章的引子，然后將完成這一設計問題的基本原理貫穿于整個章節(jié)中。在該章的末尾，會應用這些原理去求解這個范例。實際考慮。以整節(jié)的形式廣泛分布在本書中，將電路設計的理論研究與工程實踐相結合。通過這些內容的學習，可使學生更加徹底地了解理論對實踐的指導意義。練習題。在學習新的內容之前，學生可以通過做一些附有答案的練習題來檢查自己對所學內容的掌握情況。小結。放在每章的最后，用于總結本章所論述的重點概念。習題。出現在各章末尾，冠以各節(jié)的標題對這些習題分段。這樣做有助于教師選擇適宜的習題，同時也有助于學生知悉求解該題需要哪些知識。題目前加"太"表示該題的難度較大。設計題目前加字母"D"例題。本書提供了大量的例題，用于驗證前面陳述的理論，以便學生鞏固所學的知識。Spice實例。全書一直用Spice舉例，有關集成電路設計的三章，即第8章、第9章、第10章對Spice模擬進行了重點論述。為了說明Spice的用法，每個示范電路都附有netlist文件和原理圖。盡管用圖解捕獲程序對基本電路進行模擬非常普遍，但是通曉netlist中所使用的符號也很重要。更先進的電路圖形設計工具如LVS程序，其輸出結果也是nefiist形式。正確使用netlist的有關信息，對一個設計者來說是必不可少的。因此對所有要模擬的電路都給出了netlist文件。我們試圖使用Web構建一些附錄為本書提供補充內容。登錄刪.既.byu.edu／circuit，可以了解到更多關于Spice的知識并可查詢一些模擬結果。盡管本書用到的微分公式并不多，但在學習本書時，還是需要預先掌握這部分數學知識和一些基本電路分析方法，如基爾霍夫節(jié)點與回路法、戴維南定理、諾頓定理和一些有關頻率響應的概念。本書對一些常用的電子學專業(yè)詞匯給出了相應的工程解說，為學生學習電路設計術語提供了機會。另外，本書對那些在校期間未曾系統地學習過電子設計的電氣專業(yè)和計算機專業(yè)的大學畢業(yè)生也有一定的參考價值。感謝作者感謝下列同仁，感謝他們審閱了本書的原稿，他們富有想像的意見使本書臻于完善。RobertBemick，加利福尼亞理工學院，波莫納DanChen，弗吉呢.亞理工學院YogendraP.Kakad，北卡羅萊納大學，夏洛特RobertJ.Krueger，威斯康星大學，密爾沃基JeffSchowalter，威斯康星大學，麥迪遜GuruSubramanyam，代頓大學TrevorJ.Thornton，亞利桑那大學DouglasTougaw，瓦爾帕萊索大學JosephTront，弗吉尼亞理工學院很高興與BillZobrist編輯一起負責這項工作。他給了我很多鼓勵，并對本書的內容和封面提出了很多寶貴的建議。最后感謝BarbaraHeaney編輯和ChristineCervoni編輯以及整個團隊，感謝他們所做的出色工作。

　　王華奎，太原理工大學教授，博士生導師，信息與通信工程系主任，中國通信學會高級會員，中國電子學會高級會員，中國電子教育學會理事。曾擔任、參與國家、部（?。┘壷卮罂萍柬椖?0余項，其中4項成果獲科技進步一、二等獎，出版書籍5部，獲國家專利1項，在國內外著名學術刊物或會議上共發(fā)表論文60余篇。