电子电路设计：国外电子通信教材

　　本书以清晰、直观的文体论述了电子电路设计的技术基础及应用。内容包括基本放大电路及应用、放大器模型和频率特性、半导体二极管和非线性建模、金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）放大器、双极型晶体管（BJT）放大器、运算放大器、反馈放大器、大信号电路，并以较大的篇幅介绍了集成电路的设计方法，包括用MOSFET和BJT进行集成电路设计，最后对CMOS逻辑电路做了简要介绍。全书概念清晰、取材新颖、深入浅出、易于理解，各章均配有大量富有特色的例题和习题，并在附录中给出了部分习题的解答。可作为电类本科生教材，也可作为研究生的参考书和工程技术人员的自学用书。序2001年7月间，电子工业出版社的领导同志邀请各高校十几位通信领域方面的老师，商量引进国外教材问题。与会同志对出版社提出的计划十分赞同，大家认为，这对我国通信事业、特别是对高等院校通信学科的教学工作会很有好处。教材建设是高校教学建设的主要内容之一。编写、出版一本好的教材，意味着开设了一门好的课程，甚至可能预示着一个崭新学科的诞生。20世纪40年代MIT林肯实验室出版的一套28本雷达丛书，对近代电子学科、特别是对雷达技术的推动作用，就是一个很好的例子。我国领导部门对教材建设一直非常重视。20世纪80年代，在原教委教材编审委员会的领导下，汇集了高等院校几百位富有教学经验的专家，编写、出版了一大批教材；很多院校还根据学校的特点和需要，陆续编写了大量的讲义和参考书。这些教材对高校的教学工作发挥了极好的作用。近年来，随着教学改革不断深入和科学技术的飞速进步，有的教材内容已比较陈旧、落后，难以适应教学的要求，特别是在电子学和通信技术发展神速、可以讲是日新月异的今天，如何适应这种情况，更是一个必须认真考虑的问题。解决这个问题，除了依靠高校的老师和专家撰写新的符合要求的教科书外，引进和出版一些国外优秀电子与通信教材，尤其是有选择地引进一批英文原版教材，是会有好处的。一年多来，电子工业出版社为此做了很多工作。他们成立了一个"国外电子与通信教材系列"项目组，选派了富有经验的业务骨干负责有关工作，收集了230余种通信教材和参考书的详细资料，调来了100余种原版教材样书，依靠由20余位专家组成的出版委员会，从中精选了40多种，内容丰富，覆盖了电路理论与应用、信号与系统、数字信号处理、微电子、通信系统、电磁场与微波等方面，既可作为通信专业本科生和研究生的教学用书，也可作为有关专业人员的参考材料。此外，这批教材，有的翻译为中文，还有部分教材直接影印出版，以供教师用英语直接授课。希望这些教材的引进和出版对高校通信教学和教材改革能起一定作用。在这里，我还要感谢参加工作的各位教授、专家、老师与参加翻译、编辑和出版的同志们。各位专家认真负责、严谨细致、不辞辛劳、不怕琐碎和精益求精的态度，充分体现了中国教育工作者和出版工作者的良好美德。随着我国经济建设的发展和科学技术的不断进步，对高校教学工作会不断提出新的要求和希望。我想，无论如何，要做好引进国外教材的工作，一定要联系我国的实际。教材和学术专著不同，既要注意科学性、学术性，也要重视可读性，要深入浅出，便于读者自学；引进的教材要适应高校教学改革的需要，针对目前一些教材内容较为陈旧的问题，有目的地引进一些先进的和正在发展中的交叉学科的参考书；要与国内出版的教材相配套，安排好出版英文原版教材和翻译教材的比例。我们努力使这套教材能尽量满足上述要求，希望它们能放在学生们的课桌上，发挥一定的作用。最后，预祝"国外电子与通信教材系列"项目取得成功，为我国电子与通信教学和通信产业的发展培土施肥。也恳切希望读者能对这些书籍的不足之处、特别是翻译中存在的问题，提出意见和建议，以便再版时更正。译者序当前，一个以全球性互联网络为主要载体、以信息高速公路为代表、以微电子技术为核心的信息革命正在世界各地蓬勃兴起。信息革命已对人类社会的发展产生了巨大的影响。作为信息技术的先导和核心，电子电路设计与制作已发生了本质性的变化。从最初的真空管及其电路，经过晶体管及其电路阶段，现已发展成集成电路乃至超大规模集成电路。但是，目前国内电子电路课程的一些教材内容陈旧，课程体系老化，已不适应现代科学技术对人才的要求。美国布里格姆扬大学DavidComer和DonaldComer教授所著的本书，给人以耳目一新的感觉。本书重点突出，讲解细致精辟，内容编排合理，理论与工程实际结合紧密，反映了近十几年来电子电路设计发展变化的新成就。本书的特点主要有：（1）内容以集成电路为主，适当保留了作为电子电路基础的分立电路的部分内容，对分立元件以MOSFET为主做了阐述，重点讨论了各种基本放大电路及其分析方法、放大电路中的反馈、模拟集成电路及其应用等；（2）对电子器件以及各种集成电路内部的工作原理做了适当的压缩，注重电子电路的组成及结构的基本分析方法，突出了电子电路设计原理的阐述，减少了繁琐复杂的数学推导；（3）在电路设计的有关章节中，本书添加了一些集成电路设计的模拟实例，通过使用Spice软件的仿真技术，可以大大提高学生理论与实践相结合的能力（目前在国内电子电路课程的教材中，有关Spice软件的介绍还不多见）；（4）将理论阐述与具体的例题相结合，通过大量丰富的例题和练习题来说明有关电子电路的设计方法。这些例题，在数据计算上并不繁琐，但在形式类别上别具一格，既突出重要概念，又联系实际应用，这就更增加了本书的应用价值。本书可供大专院校电子、通信、计算机、自动化、电力等专业作为电子技术基础课程的教材，也可供有关科技工作者自学参考。本书的翻译由王华奎主持，第1章至第4章由马建芬翻译，第.5章至第7章由赵菊敏翻译，第8章至第10章由张晓琴翻译，第1，1章至第14章及附录由王华奎翻译。参加本书翻译的还有张立毅、康亦佳、杨琨、贾兰芳、李静、王旭鹏等，在此向他们表示感谢。由于全书篇幅较大，时间仓促，加之译者水平有限，译文中难免有错误和不妥之处，敬请广大读者批评指正。最近二十年，由于科学技术的迅猛发展，大学中有关电气工程和电子工程的课程发生了很大的变化。许多教学计划都是通过压缩数字信号处理方面的基础课程来增加计算机工程的系列教程，这就导致了电子电路课时数的减少。某些教学计划甚至安排电气工程专业的学生只学一门电子电路课程。当今，金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）已经代替了双极型晶体管（BJT）而成为电子工业的宠儿。尽管BJT仍用于分立电路设计和高速异质结技术，但与用CMOS工艺制造的集成电路相比，体积过大。MOSFET不仅将个人电脑的时速提高到了千兆赫兹，而且广泛用于模拟电路设计。所以不论从事哪个领域的电气工程师都应掌握用MOSFET设计集成电路的方法。现代研究方法本书对电子技术的这些发展趋势做了解释，重点讨论MOSFET和BJT，对那些不常使用的器件则很少涉及。电路设计的基本概念在本书占据了一定的篇幅。有关电子设计的课题和内容可安排为6学分小时①。本书若用于3学分2门课的教学，教师应补充少量的课外材料；若用于4学分1门课的教学，本书内容富余，教师应做适当取舍。考虑到MOSFET的重要性，在教材内容的安排上，首先介绍MOSFET，然后介绍BJT。另外，在关于集成电路设计的章节中又对MOSFET做了重点阐述。集成电路的重要性决定了其在初级电子教程中是不能忽略的。现在几乎所有的工业公司都会有机会接触各种半导体厂。为此，本书在第8章、第9章、第10章专门对集成电路设计做了介绍。根据过去所学的课程，虽然学生对电路仿真的基本概念以及分析方法有了大致的了解，但是鉴于电路模拟对集成电路设计的重要性，本书专门在电路设计章节中添加了一些模拟实例，试图从各方面来调动学生的学习兴趣。本书的组织结构第1章介绍电子的发展史以及在这个领域做出过重大贡献的杰出人士。通过了解这些内容可以激发同学为这一领域做出贡献的潜力。第2章回顾一些重要的电路分支，以及一些对电路设计比较重要的理论，如戴维南定理、密勒效应。通过学习这部分内容可以使同学们掌握更多的电路和器件。第3章讨论普通放大器模型、放大元件以及频率相关因子。通过讨论这部分内容，为后面介绍的MOSFET和BJT做铺垫。´我们希望通过对这些知识的回顾，使学生了解在以后的章节学习放大器设计时，需要懂得哪些知识。第4章介绍最重要的放大器件即运算放大器。之所以首先介绍它，是因为其代表了一种近似理想化的模型，便于引入建模课题。尽管在以前有关电路分析的课程中已经讨论过运算放大器，但是本章增加了运算放大器对放大器频率响应的一些限制。第5章讨论半导体物理学和pn结的基本概念，非线性元件建模机理也予以涉及。在本章的结尾还讨论了二极管和击穿二极管的应用。第6章讨论了简单的MOSFET放大器和MOSFET的基本工作原理。第7章采用与第6章类似的方法，论述了以BJT为放大元件的BJT放大器。这两章主要是让学生理解放大器的基本原理，而对这些放大器的详尽构造则涉及较少。在前面各章的基础上，第8章、第9章、第10章阐述了集成电路的设计方法。第8章着重介绍了分立电路和集成电路的区别、集成电路的基础设计以及SPice模拟的方法。第9章介绍了在MOSFET集成电路放大设计中常用的单级放大器或基本组件。第10章介绍了与BJT集成电路放大器有关的知识。第11章从集成电路观点出发，论述了差分输入级和运算放大器的设计。其中运算放大器的稳定性和补偿度也在讨论范围之内。第12章的论题是反馈放大器，重点叙述了反馈的一般理论以及反馈放大器的部分组态，并用电压反馈来说明反馈电路的分析方法。第13章、第14章论述数字电路。第13章首先论述了开关电路的基本概念，接着介绍了分立多谐振荡器，最后分析了集成电路定时器。第14章介绍了组合逻辑电路，如与非门、或非门。在论述完如何用CMOS电路实现组合逻辑功能之后重点介绍了与非门。更多先进的数字CMOS电路将在今后的数字电路设计课程里进行讨论。本书的教学特征为了帮助学生更好地理解电路设计，本书中增加了一些提示性的语句。概述。位于每章的主标题之后，告诉学生本章研究内容的要点及范围。重要概念。位于每节的开头，是对本节主要观点的总结，有助于学生将学习的重点集中在这些内容上。范例。大多数章节在其开头都提供了一个典型电路设计范例作为本章的引子，然后将完成这一设计问题的基本原理贯穿于整个章节中。在该章的末尾，会应用这些原理去求解这个范例。实际考虑。以整节的形式广泛分布在本书中，将电路设计的理论研究与工程实践相结合。通过这些内容的学习，可使学生更加彻底地了解理论对实践的指导意义。练习题。在学习新的内容之前，学生可以通过做一些附有答案的练习题来检查自己对所学内容的掌握情况。小结。放在每章的最后，用于总结本章所论述的重点概念。习题。出现在各章末尾，冠以各节的标题对这些习题分段。这样做有助于教师选择适宜的习题，同时也有助于学生知悉求解该题需要哪些知识。题目前加"太"表示该题的难度较大。设计题目前加字母"D"例题。本书提供了大量的例题，用于验证前面陈述的理论，以便学生巩固所学的知识。Spice实例。全书一直用Spice举例，有关集成电路设计的三章，即第8章、第9章、第10章对Spice模拟进行了重点论述。为了说明Spice的用法，每个示范电路都附有netlist文件和原理图。尽管用图解捕获程序对基本电路进行模拟非常普遍，但是通晓netlist中所使用的符号也很重要。更先进的电路图形设计工具如LVS程序，其输出结果也是nefiist形式。正确使用netlist的有关信息，对一个设计者来说是必不可少的。因此对所有要模拟的电路都给出了netlist文件。我们试图使用Web构建一些附录为本书提供补充内容。登录删.既.byu.edu／circuit，可以了解到更多关于Spice的知识并可查询一些模拟结果。尽管本书用到的微分公式并不多，但在学习本书时，还是需要预先掌握这部分数学知识和一些基本电路分析方法，如基尔霍夫节点与回路法、戴维南定理、诺顿定理和一些有关频率响应的概念。本书对一些常用的电子学专业词汇给出了相应的工程解说，为学生学习电路设计术语提供了机会。另外，本书对那些在校期间未曾系统地学习过电子设计的电气专业和计算机专业的大学毕业生也有一定的参考价值。感谢作者感谢下列同仁，感谢他们审阅了本书的原稿，他们富有想像的意见使本书臻于完善。RobertBemick，加利福尼亚理工学院，波莫纳DanChen，弗吉呢.亚理工学院YogendraP.Kakad，北卡罗莱纳大学，夏洛特RobertJ.Krueger，威斯康星大学，密尔沃基JeffSchowalter，威斯康星大学，麦迪逊GuruSubramanyam，代顿大学TrevorJ.Thornton，亚利桑那大学DouglasTougaw，瓦尔帕莱索大学JosephTront，弗吉尼亚理工学院很高兴与BillZobrist编辑一起负责这项工作。他给了我很多鼓励，并对本书的内容和封面提出了很多宝贵的建议。最后感谢BarbaraHeaney编辑和ChristineCervoni编辑以及整个团队，感谢他们所做的出色工作。

　　王华奎，太原理工大学教授，博士生导师，信息与通信工程系主任，中国通信学会高级会员，中国电子学会高级会员，中国电子教育学会理事。曾担任、参与国家、部（省）级重大科技项目20余项，其中4项成果获科技进步一、二等奖，出版书籍5部，获国家专利1项，在国内外著名学术刊物或会议上共发表论文60余篇。