微电子电路 上 第5版PDF电子书下载

引言 1

1.1信号 1

第1章 电子学简介 1

1.2信号频谱 2

1.3模拟信号与数字信号 5

1.4放大器 7

1.4.1信号放大 7

1.4.2放大器电路的符号 8

1.4.3电压增益 8

1.4.4功率增益与电流增益 9

1.4.5用分贝表示的增益 9

1.4.6放大器电源 10

1.4.7放大器饱和 11

1.4.8非线性传输特性与偏置 12

1.5放大器电路模型 15

1.4.9符号含义 15

1.5.1电压放大器 16

1.5.2级联放大器 17

1.5.3其他类型放大器 19

1.5.4四种放大器模型之间的关系 19

1.6放大器频率响应 22

1.6.1放大器频率响应的度量 22

1.6.2放大器的带宽 23

1.6.3放大器频率响应的计算 23

1.6.4单时间常数网络 24

1.6.5基于频率响应的放大器分类 28

1.7数字逻辑反相器 30

1.7.1反相器的功能 30

1.7.2电压传输特性（VTC） 30

1.7.3噪声容限 31

1.7.4理想VTC 32

1.7.5反相器的实现 33

1.7.6功耗 34

1.7.7传播延迟 35

1.8SPICE电路仿真 37

小结 38

习题 39

第2章 运算放大器 54

引言 54

2.1理想运算放大器 54

2.1.1运算放大器的端子 54

2.1.2理想运算放大器的功能与特性 55

2.1.3差模信号与共模信号 56

2.2.1闭环增益 58

2.2反相组态 58

2.2.2有限开环增益的影响 59

2.2.3输入与输出电阻 60

2.2.4一个重要的应用——加权加法器 63

2.3同相组态 65

2.3.1闭环增益 65

2.3.2同相组态特性 66

2.3.3有限开环增益的影响 66

2.3.4电压跟随器 66

2.4差分放大器 68

2.4.1用单级运算放大器构成差分放大器 68

2.4.2一个高品质电路——仪表放大器 71

2.5有限开环增益与带宽对电路性能的影响 75

2.5.1开环增益的频率依赖性 75

2.5.2闭环放大器的频率响应 77

2.6.2输出电流限制 79

2.6.1输出电压饱和 79

2.6运算放大器的大信号工作性能 79

2.6.3摆率 80

2.6.4全功率带宽 81

2.7直流不完整性 82

2.7.1失调电压 82

2.7.2输入偏置与失调电流 85

2.8积分器与微分器 87

2.8.1具有通用阻抗的反相组态 88

2.8.2反相积分器 89

2.8.3运算放大器微分器 93

2.9运算放大器的SPICE模型与仿真实例 95

2.9.1线性宏模型 96

2.9.2非线性宏模型 100

小结 102

习题 103

第3章 二极管 124

引言 124

3.1理想二极管 124

3.1.1电流－电压特性 124

3.1.2一个简单应用——整流器 126

3.1.3另一种应用——二极管逻辑门 128

3.2结二极管端口特性 130

3.2.1正向偏置区域 131

3.2.2反向偏置区域 134

3.2.3击穿区域 134

3.3二极管正向特性建模 135

3.3.1指数模型 135

3.3.2利用指数模型的图解分析 135

3.3.3利用指数模型的迭代分析 136

3.3.4快速分析的需要 136

3.3.5分段线性模型 137

3.3.6常数压降模型 138

3.3.7理想二极管模型 139

3.3.8小信号模型 140

3.3.9二极管正向压降在稳压器中的应用 143

3.3.10总结 144

3.4工作在反向击穿区域的二极管——齐纳二极管 145

3.4.1齐纳二极管的规范和建模 145

3.4.2作为并联稳压器的齐纳二极管 147

3.4.3温度效应 148

3.4.4最后的说明 149

3.5整流电路 149

3.5.1半波整流器 150

3.5.2全波整流器 151

3.5.3桥式整流器 153

3.5.4带滤波电容的整流器——峰值整流器 154

3.5.5精密半波整流器——超二极管 158

3.6限幅电路与钳位电路 160

3.6.1限幅电路 160

3.6.2钳位电容或直流恢复器 162

3.6.3电压倍增器 163

3.7极管的物理特性 164

3.7.1半导体基本概念 164

3.7.2开路条件下的pn结 170

3.7.3反向偏置条件下的pn结 172

3.7.4击穿区域的pn结 174

3.7.5正向偏置条件下的pn结 175

3.7.6总结 179

3.8特种二极管 180

3.8.1肖特基势垒二极管（SBD） 180

3.8.4发光二极管 181

3.8.2变容二极管 181

3.8.3光电二极管 181

3.9二极管的SPICE模型与仿真实例 182

3.9.1二极管模型 182

3.9.2齐纳二极管模型 183

小结 187

习题 187

第4章 MOS场效应晶体管（MOSFET） 206

引言 206

4.1器件结构与物理特性 206

4.1.1器件结构 206

4.1.2无栅极电压时的工作特性 208

4.1.3创建电流沟道 208

4.1.4施加一个小电压vDS 209

4.1.5vDS增加时的工作特性 210

4.1.6iD～vDS关系的推导 212

4.1.7p沟道MOSFET 215

4.1.8补MOS或CMOS 216

4.1.9工作在亚阈区的MOS晶体管 216

4.2电流－电压特性 216

4.2.1电路符号 217

4.2.2iD～vDS特性 217

4.2.3饱和时的有限输出电阻 220

4.2.4p沟道MOSFET特性 223

4.2.5衬底的作用——背栅效应 225

4.2.6温度效应 226

4.2.7击穿和输入保护 226

4.2.8总结 226

4.3MOSFET直流电路 228

4.4.2传输特性的图解推导 234

4.4.1大信号工作的传输特性 234

4.4作为放大器和开关的MOSFET 234

4.4.3作为开关工作 236

4.4.4作为线性放大器工作 236

4.4.5传输特性的解析表达式 237

4.4.6关于偏置的最后说明 241

4.5MOS放大电路的偏置 242

4.5.1采用固定VGS的偏置 242

4.5.2源极接电阻的固定VG偏置 243

4.5.3栅源间接反馈电阻的偏置 245

4.5.4恒流源偏置 246

4.5.5最后的说明 247

4.6小信号工作与小信号模型 247

4.6.1直流偏置点 248

4.6.2漏极信号电流 248

4.6.3电压增益 249

4.6.4直流分析和信号分析的分离 250

4.6.5小信号等效电路模型 250

4.6.6跨导gm 252

4.6.7T等效电路模型 254

4.6.8衬底效应建模 256

4.6.9总结 256

4.7单级MOS放大器 258

4.7.1基本结构 258

4.7.2放大器特性 260

4.7.3共源（CS）放大器 264

4.7.4接源极电阻的共源放大器 266

4.7.5共栅（CG）放大器 269

4.7.6共漏或源极跟随放大器 272

4.7.7总结和比较 275

4.8MOSFET内部电容与高频模型 276

4.8.1栅极电容效应 277

4.8.2结电容 277

4.8.3高频MOSFET模型 278

4.8.4MOSFET单位增益频率fT 279

4.8.5总结 280

4.9CS放大器的频率响应 281

9.1三个频段 281

4.9.2高频响应 282

4.9.3低频响应 286

4.9.4最后的说明 289

4.10CMOS数字逻辑反相器 289

4.10.1电路工作原理 290

4.10.2电压传输特性 292

4.10.3动态工作特性 294

4.10.4电流和功率损耗 296

4.10.5总结 298

4.11耗尽型MOSFET 299

4.12MOSFET的SPICE模型与仿真实例 302

4.12.1MOSFET模型 302

4.12.2MOSFET模型参数 303

小结 308

习题 309

基本习题 328

第5章 双极型晶体管（BJT） 330

引言 330

5.1器件结构与物理特性 331

5.1.1简化结构与工作模式 331

5.1.2工作在放大模式下的npn晶体管 332

5.1.4埃伯尔斯－莫尔（EM）模型 337

5.1.3实际晶体管结构 337

5.1.5饱和工作模式 339

5.1.6pnp晶体管 340

5.2电流－电压特性 341

5.2.1电路符号及含义 341

5.2.2晶体管特性的图解表示 344

5.2.3ic与集电极电压的相关性——厄尔利效应 346

5.2.4共发射极特性曲线 348

5.2.5晶体管击穿 353

5.2.6总结 353

5.3作为放大器和开关的BJT 355

5.3.1大信号工作——传输特性 355

5.3.2放大器增益 356

5.3.3图解分析 359

5.3.4作为开关工作 362

5.4BJT直流电路 364

5.5BJT放大器电路的偏置 375

5.5.1经典的分立电路偏置点设置 376

5.5.2双电源供电的经典偏置设置 378

5.5.3集基间接反馈电阻的偏置 379

5.5.4恒流源偏置 380

5.6小信号工作与小信号模型 380

5.6.1集电极电流与跨导 381

5.6.2基极电流与基极输入电阻 383

5.6.3发射极电流与发射极输入电阻 383

5.6.4电压增益 384

5.6.5信号量与直流量的分离 385

5.6.6混合π模型 385

5.6.7T模型 386

5.6.8小信号等效电路的应用 387

5.6.10描述厄尔利效应的扩充小信号模型 393

5.6.9直接在电路图上进行小信号分析 393

5.6.11总结 394

5.7单级BJT放大器 395

5.7.1基本结构 395

5.7.2BJT放大器特性 396

5.7.3共发射极（CE）放大器 400

5.7.4接发射极电阻的共发射极放大器 404

5.7.5共基（CB）放大器 407

5.7.6共集电极（CC）放大器或射极跟随器 410

5.7.7总结和比较 414

5.8BJT内部电容与高频模型 416

5.8.1基极电荷或扩散电容Cde 416

5.8.2发射结结电容Cje 417

5.8.3集电结结电容Cμ 417

5.8.4高频混合π模型 417

5.8.5截止频率 418

5.8.6总结 420

5.9共发射极放大器的频率响应 420

5.9.1三个频段 420

5.9.2高频响应 422

5.9.3低频响应 426

5.9.4最后的说明 431

5.10基本BJT数字逻辑反相器 431

5.10.1电压传输特性 431

5.10.2饱和与非饱和BJT数字电路 433

5.11BJT的SPICE模型与仿真实例 434

5.11.1BJT的SPICE埃伯尔斯－莫尔模型 434

5.11.2BJT的SPICEGummel-Poon模型 435

5.11.3BJT的SPICE模型参数 435

5.11.4SPICE中BJT模型参数BF和BR 436

小结 440

习题 442

第6章 单级集成电路放大器 471

引言 471

6.1集成电路设计原则 471

6.2MOSFET与BJT的比较 472

6.2.1MOSFET参数典型值 472

6.2.2集成BJT参数典型值 473

6.2.3重要特性的比较 474

6.2.4MOS晶体管与双极型晶体管的结合——BiCMOS电路 484

6.2.5MOSFET平方律模型的有效性 484

6.3集成电路中的偏置——电流源、镜像电流源及电流导向电路 484

6.3.1MOSFET基本电流源 485

6.3.2MOS电流导向电路 487

6.3.3BJT电路 488

6.4.1高频增益函数 492

6.4高频响应——通论 492

6.4.2确定3dB频率fH 493

6.4.3利用开路时间常数估算fH 495

6.4.4米勒定理 497

6.5有源负载共源和共射放大器 501

6.5.1共源电路 501

6.5.2共源放大器的CMOS实现 502

6.5.3共发射极电路 505

6.6CS与CE放大器的高频响应 506

6.6.1利用米勒定理进行分析 507

6.6.2利用开路时间常数进行分析 507

6.6.3精确分析 508

6.6.4CE放大器公式的改写 512

6.6.5Rsig较小的情况 513

6.7.1共栅放大器 516

6.7有源负载共栅和共基放大器 516

6.7.2共基放大器 524

6.7.3最后的说明 527

6.8cascode放大器 527

6.8.1MOS管cascode放大器 527

6.8.2MOS管cascode放大器的频率响应 531

6.8.3BJT管cascode放大器 535

6.8.4cascode电流源 537

6.8.5两级cascode放大器 538

6.8.6折叠型cascode放大器 538

6.8.7BiCMOS cascode放大器 539

6.9源极（射极）接负反馈的CS和CE放大器 540

6.9.1源极接电阻的CS放大器 540

6.9.2射极接电阻的CE放大器 543

6.10.1源极跟随器 545

6.10源极跟随器与射极跟随器 545

6.10.2源极跟随器的频率响应 547

6.10.3射极跟随器 549

6.11一些实用的晶体管对放大器 550

6.11.1CD-CS,CC-CE及CD-CE组态 550

6.11.2达林顿组态 554

6.11.3CC-CB与CD-CG组态 554

6.12改进型镜像电流源电路 557

6.12.1cascodeMOS镜像电流源 557

6.12.2带基极电流补偿的BJT镜像电流源 558

6.12.3Wilson镜像电流源 558

6.12.4WilsonMOS镜像电流源 559

6.12.5Widlar电流源 560

6.13SPICE仿真实例 562

小结 570

习题 572

第7章 差分放大器与多级放大器 595

引言 595

7.1MOS差分对 595

7.1.1共模电压输入下的工作特性 596

7.1.2差模电压输入下的工作特性 598

7.1.3大信号工作特性 599

7.2MOS差分对的小信号工作特性 603

7.2.1差模增益 603

7.2.2共模增益与共模抑制比（CMRR） 606

7.3BJT差分对 609

7.3.1基本工作原理 610

7.3.2大信号工作特性 611

7.3.3小信号工作特性 614

7.4.1MOS差分对的输入失调电压 623

7.4差分放大器的其他非理想特性 623

7.4.2极型差分对的输入失调电压 626

7.4.3双极型差分对的输入偏置和失调电流 628

7.4.4共模输入范围 628

7.4.5最后的说明 629

7.5有源负载差分放大器 629

7.5.1差分输出到单端输出的转变 629

7.5.2有源负载MOS差分对 629

7.5.3有源负载MOS差分对的差模增益 631

7.5.4共模增益和CMRR 633

7.5.5有源负载双极型差分对 634

7.6差分放大器的频率响应 640

7.6.1纯阻负载MOS放大器的分析 640

7.6.2有源负载MOS放大器的分析 643

7.7.1两级CMOS运算放大器 647

7.7多级放大器 647

7.7.2双极型运算放大器 654

7.8SPICE仿真实例 661

小结 667

习题 668

第8章 反馈 685

引言 685

8.1反馈放大器的基本结构 686

8.2负反馈的一些性质 687

8.2.1降低增益灵敏度 687

8.2.2扩展带宽 688

8.2.3降低噪声 688

8.2.4减小非线性失真 690

8.3.2电流放大器 691

8.3.1电压放大器 691

8.3四种基本的反馈拓扑结构 691

8.3.3互导放大器 693

8.3.4互阻放大器 693

8.4串联－并联反馈放大器 694

8.4.1理想情况 694

8.4.2实际情况 696

8.4.3总结 698

8.5串联－串联反馈放大器 701

8.5.1理想情况 701

8.5.2实际情况 703

8.5.3总结 705

8.6并联－并联与并联－串联反馈放大器 708

8.6.1并联－并联结构 708

8.6.2重要说明 712

8.6.3并联－串联结构 713

8.6.4总结 718

8.7环路增益的确定 720

8.7.1另一种确定Aβ的方法 720

8.7.2基于反馈环路的电路等效 721

8.8稳定性问题 722

8.8.1反馈放大器的传输函数 722

8.8.2奈奎斯特图 723

8.9反馈对放大器极点的影响 724

8.9.1极点的位置与稳定性 724

8.9.2反馈放大器的极点 725

8.9.3单极点放大器的响应 726

8.9.4极点放大器的响应 726

8.9.5三极点或多极点放大器 730

8.10.1增益裕量与相位裕量 731

8.10基于波特图的稳定性分析 731

8.10.2相位裕量对闭环响应的影响 732

8.10.3另一种稳定性分析方法 733

8.11频率补偿 735

8.11.1原理 735

8.11.2实现 736

8.11.3米勒补偿与极点分离 737

8.12SPICE仿真实例 740

小结 743

习题 744

第9章 运算放大器与数据转换电路 757

引言 757

9.1两级CMOS运算放大器 757

9.1.1电路 757

9.1.2共模输入范围与输出摆幅 758

9.1.3电压增益 759

9.1.4频率响应 761

9.1.5摆率 763

9.2折叠cascode CMOS运算放大器 767

9.2.1电路 767

9.2.2共模输入范围和输出电压摆幅 769

9.2.3电压增益 769

9.2.4频率响应 771

9.2.5摆率 771

9.2.6提高共模输入范围：轨对轨输入 773

9.2.7增加输出电压范围：宽摆幅镜像电流源 774

9.3741运算放大器电路 775

9.3.1偏置电路 777

9.3.2短路保护电路 777

9.3.3输入级 777

9.3.4第二级 777

9.3.5输出级 778

9.3.6器件参数 779

9.4741运算放大器的直流分析 780

9.4.1偏置参考电流 780

9.4.2输入级偏置 780

9.4.3输入偏置电流和失调电流 783

9.4.4输入失调电压 783

9.4.5共模输入范围 783

9.4.6第二级偏置 783

9.4.7输出级偏置 784

9.4.8总结 785

9.5741运算放大器的小信号分析 785

9.5.1输入级 785

9.5.2第二级 790

9.5.3输出级 791

9.6.1小信号增益 795

9.6741运算放大器的增益、频率响应和摆率 795

9.6.2频率响应 796

9.6.3简化模型 797

9.6.4摆率 798

9.6.5ft和SR的关系 799

9.7数据转换器——导论 800

9.7.1信号的数字化处理 800

9.7.2模拟信号采样 800

9.7.3信号量化 801

9.7.4作为功能模块的A/D和D/A转换器 802

9.8D/A转换器电路 803

9.8.1采用二进制权电阻的基本电路 803

9.8.2 R-2R梯形电路 804

9.8.3实际的电路实现 804

9.8.4 电流开关 805

9.9.1反馈类型的转换器 806

9.9 A/D转换器电路 806

9.9.2双斜A/D转换器 807

9.9.3 并行或快速转换器 809

9.9.4 电荷重分配转换器 809

9.10 SPICE仿真实例 811

小结 816

习题 816

附录A VLSI制造技术 824

附录B 二端口网络参数 836

附录C 一些有用的网络定理 842

附录D 单时间常数电路 847

附录E s域分析——极点、零点和波特图 862

附录F 参考文献 868

附录G 标准电阻值与单位前缀 870

附录H 部分习题答案 872