電子電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（英文版）

Part I       The Foundations of Electronic Circuit Design
 Chapter I     Electronic Circuit Design 1
 1.1          The Process of Design  2
 1.2        Analysis for Design  3
 1.2.1   Frequency-Independent Analysis for Design  3
 1.2.2  Frequency-Dependent Analysis for Design  12
 1.3           Electronic Systems  19
 1.3.1   Electronic versus Electric Circuits  19
 1.3.2  Analog and Digital Electronic Circuits 21
 1.3.3  Modeling Electronic Systems 25
 1.3.4  Discrete, Integrated, and Hybrid Circuits 30
 1.4           Notation  31
 Solutions to Exercises  32
 Chapter Summary 34
 References  35
 Problems  35
 Chapter 2     Semiconductor Physics and Electronic Devices  43
 2. 1           Material Properties 44
 2.1.1  Crystal Structure 44
 2.1.2  Conductors, Insulators, and Semiconductors 45
 2.1.3  Generation and Recombination  47
 2.2          Conduction Mechanisms 48
 2.2.1  Diffusion 48
 2.2.2  Drift 49
 2.3           Conductor-to-Semiconductor Contacts 52
 2.3.1  Rectifying Contacts 55
 2.3.2  Ohmic Contacts  59
 2.4          pn-junetion Diodes 61
 2.4.1   Intuitive Treatment  62
 2.4.2  Detailed Analysis of Current Flow 66
 2.4.3  Minority-Carrier Profiles 73
 2.4.4   Summary of Current Flow  75
 2.4.5   Charge Storage and Varactor Diodes  77
 2.4.6   Breakdown and Zener Diodes 80
 2.4.7   Other Types of Diodes  84
 2.5  Bipolar Junction Transistors (BJTs)  85
 2.5.1      Intuitive Treatment  87
 2.5.2      Detailed Analysis of Current Flow 87
 2.5.3      Base Current 92
 2.5.4      Base-Width Modulation (The Early Effect)  98
 2.5.5      Charge Storage  116
 2.5.6      Breakdown Voltages  96
 2.5.7      Other Types of Junction Transistors  98
 2.6    Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors
 (MOSFETs) 98
 2.6.1     Intuitive Treatment  99
 2.6.2     Detailed Analysis of Current Flow 103
 2.6.3      Channel-Length Modulation  115
 2.6.4     Charge Storage  116
 2.6.5     The Effect of Bulk Bias  118
 2.6.6     Breakdown  119
 2.6.7     Short- and Narrow-Channel Effects  120
 2.7     Junction Field-Effect Transistors (JFETs)  122
 2.7.1           Intuitive Treatment  122
 2.7.2           Detailed Analysis of Current Flow  124
 2.7.3           Second-Order Effects  127
 2.8    Metal-Semiconductor FETs (MOSFETs)  129
 2.9    Silicon Controlled Rectifier and Power Handling Devices 130
 2.10    Comparison of Devices  133
 Solutions to Exercises  134
 Chapter Summary 136
 References  137
 Problems  137
 Chapter 3     Solid-State Device Fabrication  145
 3.1           CMOS Technology  146
 3.1.1                 The Beginning: Choosing a Substrate  146
 3.1.2                 Active Region Formation  147
 3.1.3                 N and P Well Formation  150
 3.1.4                 Gate Formation  152
 3.1.5                 Tip or Extension (LDD) Formation  156
 3.1.6                 Source/Drain Formation  158
 3.1.7                 Contact and Local Interconnect Formation 160
 3.1.8                 Multilevel Metal Formation  162
 3.1.9                 Electrical Model Related to Physical Structure 166
 3.2          Bipolar Teclmology 167
 3.2.1                 Device Fabrication  167
 3.2.2                 Electrical Model Related to Physical Structure 168
 Chapter Summary 168
 References  169
 Problems 169
 Chapter 4     Computer-Aided Design: Tools and Teehniques  171
 4.1       Overview of Simulation Techniques  172
 4.1.1             Analog Systems  172
 4.1.2             Digital Systems  173
 4.1.3             Mixed Analog and Digital Systems  174
 4.2      Circuit Simulation Using SPICE  175
 4.21             SPICE Input and Output 175
 4.2.2         Simulation Modes andTypes of Analysis  177
 4.3    Circuit Elements and Models for SPICE  183
 4.3.1            Sources  183
 4.3.2       Passive Devices  184
 4.3.3       Diodes  184
 4.3.4       Bipolar Junction Transistors  186
 4.3.5       MOS Field-Effect Transistors  193
 4.3.6       Junction Field-effect Transistors and MOSFETs  198
 4.4    Macro Models in SPICE  198
 Solutions to Exercises  200
 Chapter Summary  204
 References 204
 Problems 205
 Part 2       Analog Electronic Circuit Design
 Chapter 5     Operational Amplifiers  211
 5.1          Basic Op Amp Circuits  212
 5.1.1              The Noninverting Amplifier  212
 5.1.2         The Inverting Amplifier  215
 5.1.3    The Unity-Gain Amplifier, or Voltage Follower  217
 5.1.4            The Differential Amplifier 217
 5.1.5       The Instrumentation Amplifier  225
 5.1.6  Current Sources  226
 5.1.7            Voltage Regulators  227
 5.2  Frequency-Dependent Op Amp Circuits  228
 5.2.1         The Integrator and First-Order Low-Pass Filter  228
 5.2.2    The Differentiator and First-Order High-Pass Filter  231
 5.2.3    Second-Order Filters  232
 5.3     Nonlinear Op Amp Circuits 235
 5.3.1            Comparators  235
 5.3.2       Precision Rectification and Clipping  237
 5.3.3  Logarithmic Amplifiers  238
 5.4    Nonideal Characteristics of Op Amps 239
 5.4.1          Finite Gain 240
 5.4.2     Input Bias and Offset Currents 241
 5.4.3Input Offset Voltage 243
 5.4.4         Finite Input and Output Impedances 244
 5.4.5    Finite Bandwidth 246
 5.4.6        Common-Mode Rejection Ratio and Power-Supply
 Rejection Ratio 249
 5.4.7         Output Swing Revisited 253
 5. 4. 8 Slew Rate and FuU-Power Bandwidth  253
 5. 4. 9 Noise  255
 5. 4. 10 Op Amp Parameter Measurement  255
 Solutions to Exercises  257
 Chapter Summary  258
 References  259
 Problems  259
 Chapter 6     Small-Signal Linearity and Amplification  271
 6. 1 Linear Time-Invariant Networks  272
 6. 1 Nonlinear Circuit Analysis  273
 6. 2. 1 Analytical Solution  273
 6. 2. 2 Graphical Solution  274
 6. 2. 3 Solving with Models 274
 6. 3 Small-Signal Analysis  276
 6. 3. 1 An Alternate View of the Small-Signal
 Approximation  281
 6. 3. 2 Accuracy of the Small-Signal Approximation  282
 6. 4 Small-Signal Amplifiers  282
 6. 4. 1 Small-signal Models for Transistors  282
 6. 4. 2 Example Application  286
 6. 5 Types of Amplifiers  288
 6. 5. 4 Two-Port Models for Amplifiers  288
 6. 5. 2 AC-and DC-coupled Transfer Functions  292
 Solutions to Exercises  294
 Chapter Summary  296
 References  296
 Problems  296
 Chapter 7     DC Biasing 301
 7. 1 DC and Large-Signal Low-Frequency Models for Design  302
 7. 1. 1 Independent Sources  302
 7.1.2 Linear Passive Devices (Rs, Ls, & Cs)  303
 7.1.3 Diodes 304
 7.1.4 Bipolar Junction Transistors  309
 7.1.5 MOS Field-Effect Transistors  315
 7.1.6 Junction Field-Effect Transistors  323
 7.1.7 Comparison-of Bipolar and Field-Effect Transistor
 Biasing  324
 7.2 Biasing of Single-Stage Amplifiers 325
 7.2.1 BJT Amplifiers  325
 7.2.2 FET Amplifiers 332
 7.3 Biasing of Multistage Amplifiers  341
 7.3.1 Cascaded Bipolar Amplifiers  341
 7.3.2 Cascaded FET Amplifiers  342
 7.4 Biasing for Integrated Circuits  342
 7.4.1 Simple Bipolar Current Mirrors  345
 7.4.2 More Advanced Bipolar Current Mirrors  346
 7.4.3 FET Current Mirrors  348
 7.5 Biasing of Differential Amplifiers  350
 7.6 Worst-Case Analysis and Parameter Variation 353
 Solutions to Exercises  356
 Chapter Summary  358
 References  359
 Problems  359
 Chapter 8     Low-Frequency Small-Signal AC Analyis and Amplifiers 371
 8.1 Low-Frequency Small-Signal Models for Design 372
 8.1.1 Independent Sources  372
 8.1.2 Linear Passive Devices (Rs, Ls, & Cs) 373
 8.1.3 Diodes  376
 8.1.4 The Generic Transistor  377
 8.1.5 Bipolar Junction Transistors  379
 8.1.6 MOS Field-Effect Transistors  386
 8.1.7 Junction Field-Effect Transistors  389
 8.1.8 Comparison of Bipolar and Field-Effect Transistors 390
 8.2 Stages with Voltage and Current Gain  391
 8.2.1 A Generic Implementation: The Common-Merge
 Amplifier 391
 8.2.2 A Bipolar Implementation: The Common-Emitter
 Amplifier  398
 8.2.3 A MOS Implementation: The Common-Source
 Amplifier 409
 8.3 Voltage Buffers  416
 8.3.1 A Generic Implementation: The Merge Follower 418
 8.3.2 A Bipolar Implementation: The Emitter Follower 419
 8.3.3 A FET Implementation: The Source Follower 424
 8.4 Current Buffers 429
 8.4.1 A Generic Implementation: The Control-Control
 Amplifier 429
 8.4.2 A Bipolar Implementation: The Common-Base
 Amplifier 430
 8.4.3 A FET Implementation: The Common-Gate Amplifier
 432
 8.5   Integrated Amplifiers  434
 8.5.1 The Body Effect in FET Amplifiers 435
 8.5.2 Current Mirrors 438
 8.6          Differential Amplifiers 466
 8.6.1 The Generic Differential Pair  446
 8.6.2 A Bipolar Implementation: The Emitter-Coupled Pair
 459
 8.6.3 A FET Implementation: The Source-Coupled Pair 464
 8.7           Multistage Amplifiers  468
 8.7.1 Multistage Bipolar Amplifiers 469
 8.7.2 Multistage FET Amplifiers  472
 8.7.3 Multistage Amplifiers with Bipolar and Field-Effect
 Transistors  474
 8.7.4 Multistage Amplifiers with Differential Pairs:
 Operational Amplifiers 474
 8.8 Comparison of BJT and FET Amplifiers  478
 Solutions to Exercises  479
 Chapter Summary  484
 References 485
 Problems 486
 Chapter 9     Amplifier Frequency Response  513
 9.1 High-Frequency Small-Signal Models for Design  514
 9.1.1 Independent Sources 514
 9.1.2 Linear Passive Elements (Rs, Ls, & Cs) 514
 9.1.3 Diodes  519
 9.1.4 The Generic Transistor  520
 9.1.5 Bipolar Junction Transistors  520
 9.1.6 MOS Field-Effect Transistors  524
 9.1.7 Junction Field-Effect Transistors 527
 9.2 Stages with Voltage and Current Gain  528
 9.2.1 A Generic Implementation: The Common-Merge
 Amplifier 530
 9.2.2 A Bipolar Implementation: The Common-Emitter
 Amplifier 546
 9.2.3 A FET Implementation: The Common-Source Amplifier
 556
 9.2.4 Comparison of Bipolar and FET Implementations  563
 9.3 Voltage Buffers  564
 9.3.1 A Generic Implementation:The Merge Follower  564
 9.3.2 A Bipolar Implementation:The Emitter Follower  570
 9.3.3 A FET Implementation:The Source Follower  575
 9.4 Current Buffers 578
 9.4.1 A Generic Implementation: The Common-Control
 Amplifier  578
 9.4.2 A Bipolar Implementation: The Common-Base
 Amplifier 579
 9.4.3 A FET Implementation:The Common-Gate Amplifier
 581
 9.5 Comparison of Single-Stage Amplifiers  582
 9.5.1 Bipolar Amplifiers 583
 9.5.2 FET Amplifiers 585
 9.6 Multistage Amplifiers 587
 9.6.1 The Common-Merge Merge-Follower Cascade  589
 9.6.2 A Bipolar Implementation:The Common-Emitter
 Emitter-Follower Cascade 593
 9.6.3 A FET Implementation: The Common-Source Source-
 Follower Cascade 596
 9.6.4 The Cascode Amplifier: A Common-Merge Common-
 Control Cascade  600
 9.6.5 The Bipolar Cascode Amplifier: A Common-Emitter
 Common-Base Cascade  603
 9.6.6 The MOSFET Cascode Amplifier: A Common-Source
 Common-Gate Cascade  606
 9.7 Differential Amplifiers 608
 9.7.1 The Generic Differential Pair  608
 9.7.2 A Bipolar Implementation: The Emitter-Coupled Pair
 616
 9.7.3 A FET Implementation:The Source-Coupled Pair 621
 Solutions to Exercises  625
 Chapter Summary  634
 References  634
 Problems 634
 Chapter 10    Feedback  659
 10.1 Negative Feedback  660
 10.1.1 Ideal Block Diagram Analysis  660
 10.1.2 Ideal Analysis and the Characteristics of Negative
 Feedback  662
 10.1.3 First-Order Practical Analysis  674
 10.1.4 Advanced Analysis  717
 10.1.5 Stability of Systems with Feedback  726
 10.1.6 Compensation  736
 10.2 Positive Feedback and Oscillators  743
 10.2.1 Sinnsoidal Oscillators 744
 10.2.2 Nonsinusoidal Oscillators  754
 Solutions to Exercises  759
 Chapter Summary 770
 References  771
 Problems 772
 Chapter 11    Filters and Tuned Amplifiers 801
 11.1 Filters 802
 11.1.1 Ideal Transfer Functions  802
 11.1.2 Practical Transfer Functions  802
 11.1.3 Normalization (Frequency and Component Value
 Scaling) 813
 11.1.4 The Narrowband Approximation  814
 11.1.5 Integrated Filters and Simulated Inductors  818
 11.1.6 Discrete-time Filters  821
 11.2 Tuned Amplifiers 830
 11.2.1 Single-Ttmed Amplifiers 831
 11.2.2 Synchronous and Stagger-Tuned Amplifiers 838
 11.3 Phase-Locked Loops 844
 11.3.1 First-Order PLLs 848
 11.3.2 Second-Order PLLs 849
 11.3.3 Type-II PLLs 850
 Solutions to Exercises 851
 Chapter Summary  852
 References 853
 Problems 854
 Chapter 12   Low-Frequency Large-Signal AC Analysis 863
 12.1         Diode Circuits 864
 12.1.1 Diode Rectifiers  864
 12.1.2 Limiting, Clamping, and Multiplying Circuits 871
 12.1.3 Diode Switching  874
 12.2 Amplifiers  875
 12.2.1 Signal Swing in Bipolar Amplifiers  877
 12.2.2 Signal Swing in FET Amplifiers  888
 12.2.3 Distortion in Amplifiers  897
 12.3 Output Stages 908
 12.3.1 Class A Output Stages: Classification and Efficiency
 of Output Stages  908
 12.3.2 Class B and AB Output Stages  912
 12.3.3 More Advanced Output Stages  917
 12.3.4 Power Transistors, Thermal Modeling, and Heat Sinks
 919
 Solutions to Exercises  923
 Chapter Summary  925
 References  926
 Problems  927
 Chapter 13    Data Converters  939
 13.1 Overview      939
 13.1.1 Analog and Digital Signal Processing and Applications
 of Data Converters     940
 13.1.2 Data Converter Transfer Functions and Specifications
 946
 13.2 Digital-to-Analog Converters  948
 13.2.1 Resistive DACs  948
 13.2.2 Capacitive DACs  953
 13.3 Analog-to-Digital Converters  954
 13.3.1 Sample-and-Hold Circuit 954
 13.3.2 The Successive Approximation ADC  955
 13.3.3 The Dual-Slope ADC 956
 13.3.4 The Flash ADC 957
 13.3.5 Other ADC Architectures  958
 Solutions to Exercises  959
 Chapter Snmmary  960
 References 960
 Problems 960
 Part 3      Digital Electronic Circuit Design
 Chapter 14    Gate-Level Digital Circuits 96.5
 14.1 Background and Binary Logic 966
 14.1.1 Fundamental Charaeteristics of Digital Circuits  966
 14.1.2 Number Systems  967
 14.1.3 Binary Logic Gates 969
 14.2 Flip-Flops  972
 14.2.1 The Set-Reset Flip-Flop 973
 14.2.2 The JK Flip-Flop  974
 14.2.3 The D Flip Flop  977
 14.3 Shift Registers and Counters  978
 14.4 Reflections on Transmission Lines  980
 Solutions to Exercises  984
 Chapter Summary  986
 References  986
 Problems  986
 Chapter 15    Transistor-Level Digital Circuits  991
 15.1 Device Modeling for Digital Design  992
 15.1.1 Diodes  992
 15.1.2 Bipolar Junction Transistors  998
 15.1.3 MOS Field-Effect Transistors  1007
 15.2 Specification of Logic Gates  1008
 15.2.1 Static Specifications  1008
 15.2.2 Dynamic Specifications  1011
 15.3 MOS Digital Circuits  1014
 15.3.1 NMOS  1015
 15.3.2 CMOS Inverter (NOT gate)  1018
 15.3.3 CMOS NOR and NAND Gates  1026
 15.3.4 More Complex CMOS Gates  1030
 15.3.5 Other Types of CMOS Logic  1031
 15.3.6 MOS Memory 1034
 15.4 Bipolar Digital Circuits  1043
 15.4.1 Transistor-Transistor Logic (TTL)  1043
 15.4.2 Emitter-Coupled Logic 1051
 Solutions to Exercises  1065
 Chapter Summary 1069
 References  1070
 Problems  1071
 Appendixes
 Appendix A   Spice Reference  1083
 A.1          Running SPICE  1083
 A.2          The Input File  1084
 References  1100
 Appendix B    Example Device Models  1101
 B.1          Device Data 1101
 B.2          Model Libraries from the CD  1102
 References  1105
 Appendix C   Two-Port Network Properties (on the CD)
 Appendix D   Review of Linear Time-Invariant Network Analysis (on the CD)
 Answer to Selected Problems  1107
 INDEX 1117