電子電路設(shè)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(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用。內(nèi)容包括基本放大電路及應(yīng)用、放大器模型和頻率特性、半導(dǎo)體二極管和非線性建模、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)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(shè)計方法，包括用MOSFET和BJT進行集成電路設(shè)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(shù)人員的自學(xué)用書。序2001年7月間，電子工業(yè)出版社的領(lǐng)導(dǎo)同志邀請各高校十幾位通信領(lǐng)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(xué)科的教學(xué)工作會很有好處。教材建設(shè)是高校教學(xué)建設(shè)的主要內(nèi)容之一。編寫、出版一本好的教材，意味著開設(shè)了一門好的課程，甚至可能預(yù)示著一個嶄新學(xué)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(xué)科、特別是對雷達技術(shù)的推動作用，就是一個很好的例子。我國領(lǐng)導(dǎo)部門對教材建設(shè)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(lǐng)導(dǎo)下，匯集了高等院校幾百位富有教學(xué)經(jīng)驗的專家，編寫、出版了一大批教材；很多院校還根據(jù)學(xué)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(xué)工作發(fā)揮了極好的作用。近年來，隨著教學(xué)改革不斷深入和科學(xué)技術(shù)的飛速進步，有的教材內(nèi)容已比較陳舊、落后，難以適應(yīng)教學(xué)的要求，特別是在電子學(xué)和通信技術(shù)發(fā)展神速、可以講是日新月異的今天，如何適應(yīng)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(jīng)驗的業(yè)務(wù)骨干負責有關(guān)工作，收集了230余種通信教材和參考書的詳細資料，調(diào)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(nèi)容豐富，覆蓋了電路理論與應(yīng)用、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、微電子、通信系統(tǒng)、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(xué)用書，也可作為有關(guān)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(xué)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(xiàn)了中國教育工作者和出版工作者的良好美德。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，對高校教學(xué)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(lián)系我國的實際。教材和學(xué)術(shù)專著不同，既要注意科學(xué)性、學(xué)術(shù)性，也要重視可讀性，要深入淺出，便于讀者自學(xué)；引進的教材要適應(yīng)高校教學(xué)改革的需要，針對目前一些教材內(nèi)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(xué)科的參考書；要與國內(nèi)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(xué)生們的課桌上，發(fā)揮一定的作用。最后，預(yù)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(xué)和通信產(chǎn)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(lián)網(wǎng)絡(luò)為主要載體、以信息高速公路為代表、以微電子技術(shù)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(chǎn)生了巨大的影響。作為信息技術(shù)的先導(dǎo)和核心，電子電路設(shè)計與制作已發(fā)生了本質(zhì)性的變化。從最初的真空管及其電路，經(jīng)過晶體管及其電路階段，現(xiàn)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(nèi)電子電路課程的一些教材內(nèi)容陳舊，課程體系老化，已不適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對人才的要求。美國布里格姆揚大學(xué)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(nèi)容編排合理，理論與工程實際結(jié)合緊密，反映了近十幾年來電子電路設(shè)計發(fā)展變化的新成就。本書的特點主要有：（1）內(nèi)容以集成電路為主，適當保留了作為電子電路基礎(chǔ)的分立電路的部分內(nèi)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(yīng)用等；（2）對電子器件以及各種集成電路內(nèi)部的工作原理做了適當?shù)膲嚎s，注重電子電路的組成及結(jié)構(gòu)的基本分析方法，突出了電子電路設(shè)計原理的闡述，減少了繁瑣復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)；（3）在電路設(shè)計的有關(guān)章節(jié)中，本書添加了一些集成電路設(shè)計的模擬實例，通過使用Spice軟件的仿真技術(shù)，可以大大提高學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的能力（目前在國內(nèi)電子電路課程的教材中，有關(guān)Spice軟件的介紹還不多見）；（4）將理論闡述與具體的例題相結(jié)合，通過大量豐富的例題和練習題來說明有關(guān)電子電路的設(shè)計方法。這些例題，在數(shù)據(jù)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(lián)系實際應(yīng)用，這就更增加了本書的應(yīng)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(shù)基礎(chǔ)課程的教材，也可供有關(guān)科技工作者自學(xué)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(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，大學(xué)中有關(guān)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(xué)計劃都是通過壓縮數(shù)字信號處理方面的基礎(chǔ)課程來增加計算機工程的系列教程，這就導(dǎo)致了電子電路課時數(shù)的減少。某些教學(xué)計劃甚至安排電氣工程專業(yè)的學(xué)生只學(xué)一門電子電路課程。當今，金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）已經(jīng)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(shè)計和高速異質(zhì)結(jié)技術(shù)，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(shè)計。所以不論從事哪個領(lǐng)域的電氣工程師都應(yīng)掌握用MOSFET設(shè)計集成電路的方法?，F(xiàn)代研究方法本書對電子技術(shù)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(shè)計的基本概念在本書占據(jù)了一定的篇幅。有關(guān)電子設(shè)計的課題和內(nèi)容可安排為6學(xué)分小時①。本書若用于3學(xué)分2門課的教學(xué)，教師應(yīng)補充少量的課外材料；若用于4學(xué)分1門課的教學(xué)，本書內(nèi)容富余，教師應(yīng)做適當取舍。考慮到MOSFET的重要性，在教材內(nèi)容的安排上，首先介紹MOSFET，然后介紹BJT。另外，在關(guān)于集成電路設(shè)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。現(xiàn)在幾乎所有的工業(yè)公司都會有機會接觸各種半導(dǎo)體廠。為此，本書在第8章、第9章、第10章專門對集成電路設(shè)計做了介紹。根據(jù)過去所學(xué)的課程，雖然學(xué)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(shè)計的重要性，本書專門在電路設(shè)計章節(jié)中添加了一些模擬實例，試圖從各方面來調(diào)動學(xué)生的學(xué)習興趣。本書的組織結(jié)構(gòu)第1章介紹電子的發(fā)展史以及在這個領(lǐng)域做出過重大貢獻的杰出人士。通過了解這些內(nèi)容可以激發(fā)同學(xué)為這一領(lǐng)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(shè)計比較重要的理論，如戴維南定理、密勒效應(yīng)。通過學(xué)習這部分內(nèi)容可以使同學(xué)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(guān)因子。通過討論這部分內(nèi)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(xué)生了解在以后的章節(jié)學(xué)習放大器設(shè)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(guān)電路分析的課程中已經(jīng)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(yīng)的一些限制。第5章討論半導(dǎo)體物理學(xué)和pn結(jié)的基本概念，非線性元件建模機理也予以涉及。在本章的結(jié)尾還討論了二極管和擊穿二極管的應(yīng)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(xué)生理解放大器的基本原理，而對這些放大器的詳盡構(gòu)造則涉及較少。在前面各章的基礎(chǔ)上，第8章、第9章、第10章闡述了集成電路的設(shè)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(chǔ)設(shè)計以及SPice模擬的方法。第9章介紹了在MOSFET集成電路放大設(shè)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(guān)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(shè)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(nèi)。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(shù)字電路。第13章首先論述了開關(guān)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(xiàn)組合邏輯功能之后重點介紹了與非門。更多先進的數(shù)字CMOS電路將在今后的數(shù)字電路設(shè)計課程里進行討論。本書的教學(xué)特征為了幫助學(xué)生更好地理解電路設(shè)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(xué)生本章研究內(nèi)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(jié)，有助于學(xué)生將學(xué)習的重點集中在這些內(nèi)容上。范例。大多數(shù)章節(jié)在其開頭都提供了一個典型電路設(shè)計范例作為本章的引子，然后將完成這一設(shè)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(yīng)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(shè)計的理論研究與工程實踐相結(jié)合。通過這些內(nèi)容的學(xué)習，可使學(xué)生更加徹底地了解理論對實踐的指導(dǎo)意義。練習題。在學(xué)習新的內(nèi)容之前，學(xué)生可以通過做一些附有答案的練習題來檢查自己對所學(xué)內(nèi)容的掌握情況。小結(jié)。放在每章的最后，用于總結(jié)本章所論述的重點概念。習題。出現(xiàn)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(xué)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(shè)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(xué)生鞏固所學(xué)的知識。Spice實例。全書一直用Spice舉例，有關(guān)集成電路設(shè)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?qū)倦娐愤M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(shè)計工具如LVS程序，其輸出結(jié)果也是nefiist形式。正確使用netlist的有關(guān)信息，對一個設(shè)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(gòu)建一些附錄為本書提供補充內(nèi)容。登錄刪.既.byu.edu／circuit，可以了解到更多關(guān)于Spice的知識并可查詢一些模擬結(jié)果。盡管本書用到的微分公式并不多，但在學(xué)習本書時，還是需要預(yù)先掌握這部分數(shù)學(xué)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(guān)頻率響應(yīng)的概念。本書對一些常用的電子學(xué)專業(yè)詞匯給出了相應(yīng)的工程解說，為學(xué)生學(xué)習電路設(shè)計術(shù)語提供了機會。另外，本書對那些在校期間未曾系統(tǒng)地學(xué)習過電子設(shè)計的電氣專業(yè)和計算機專業(yè)的大學(xué)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(xué)院，波莫納DanChen，弗吉呢.亞理工學(xué)院YogendraP.Kakad，北卡羅萊納大學(xué)，夏洛特RobertJ.Krueger，威斯康星大學(xué)，密爾沃基JeffSchowalter，威斯康星大學(xué)，麥迪遜GuruSubramanyam，代頓大學(xué)TrevorJ.Thornton，亞利桑那大學(xué)DouglasTougaw，瓦爾帕萊索大學(xué)JosephTront，弗吉尼亞理工學(xué)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(nèi)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(xué)教授，博士生導(dǎo)師，信息與通信工程系主任，中國通信學(xué)會高級會員，中國電子學(xué)會高級會員，中國電子教育學(xué)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(nèi)外著名學(xué)術(shù)刊物或會議上共發(fā)表論文60余篇。