本書以半導(dǎo)體物理理論為基礎(chǔ)，注重闡述模擬電路技術(shù)和BiCMOS技術(shù)，注重物理概念的詮釋，強調(diào)模擬電路的分立和和集成設(shè)計。全書主要內(nèi)容有：pn結(jié)二極管、雙極型晶體管、MOS場效應(yīng)晶體管、模擬集成電路構(gòu)建、模擬集成電路、頻率和時間響應(yīng)、反饋、穩(wěn)定性和噪聲。本書適合作為電類專業(yè)本科生和相關(guān)專業(yè)的模擬電路教材。
前言這本教材是為那些學習電子工程專業(yè)且以模擬電子學為自身事業(yè)的學生而準備的。模擬集成電路設(shè)計者、產(chǎn)品/工藝/可靠性工程師、測試/測試開發(fā)工程師，以及模擬應(yīng)用/市場/用戶支持工程師的需求量總是很大的。本書是我多年以來在舊金山州立大學任教經(jīng)驗的成果，在那里我潛心培養(yǎng)了成百上千位被硅谷高薪聘用的學生，他們分散在各個不同的模擬電路崗位上。這里介紹本書的三個重要特點。
●同時包括雙極型和CMOS技術(shù)。雖然數(shù)字電子學中CMOS技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位，模擬電子學同時依靠CMOS和雙極型，但后者是高性能模擬電路的選擇以及BiCMOS技術(shù)的基礎(chǔ)。
●同時包括分立和集成設(shè)計。雖然現(xiàn)今一個模擬系統(tǒng)的最終形式有可能是集成電路類型，但測試和應(yīng)用通常要求一些輔助功能，例如調(diào)節(jié)和界面互連，這些最好用專門的分立設(shè)計方法來實現(xiàn)。（任何熟悉這項工作且被公認為模擬應(yīng)用/測試/測量領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者的人，都將贊同這一點，例如Jim Wlilliams和Robert Pease。）在這方面，BJT有很多現(xiàn)成的分立類型，以適應(yīng)各種不同的需求，包括實驗室內(nèi)的實用性試驗。另外，出于教學需要，在處理復(fù)雜集成電路之前先介紹簡單的分立電路是明智的。
●適當深度地介紹了半導(dǎo)體理論，以滿足工業(yè)生產(chǎn)中工程師對這些知識的日常需求。每一種模擬功能總離不開一個物理現(xiàn)象，所以模擬工程師，特別是IC設(shè)計者和產(chǎn)品/工藝/可靠性工程師，需要精通半導(dǎo)體物理知識以使電路在最佳狀態(tài)運行。
本書結(jié)構(gòu)本書分為兩部分。
●第一部分主要介紹二極管（見第1章）、BJT（見第2章）和MOSFET（見第3章）。就這部分而言，它適合作為初級電子學的第一門課。這些內(nèi)容是按照電子行業(yè)科技進展的順序排列的。然而，由于第2章和第3章是分開的，希望交換BJT和MOSFET教學順序的教師也可以輕易實現(xiàn)。無論順序如何，第3章都可以比第1章和第2章更快地講授完畢，因為學生已經(jīng)學習了直流偏置和大/小信號模型的內(nèi)容。
●第二部分包括模擬IC單元電路（見第4章）、典型模擬IC（見第5章）、頻率和時間響應(yīng)（見第6章）以及負反饋、穩(wěn)定性和噪聲（見第7章）。這部分適合作為模擬IC分析設(shè)計的本科生/研究生級的課程。在這部分，BJT和MOSFET通常一起討論，以區(qū)分兩者的異同點。
每一章提供了與其主題相關(guān)的相當廣泛的覆蓋范圍，所以每一章需要較長篇幅。全部內(nèi)容超過了通常情況下兩學期或者四學期的課程，這為教師在選講內(nèi)容上留有余地。而且，作者認為學生在學習第6章中更具挑戰(zhàn)性的頻率和時間響應(yīng)之前，需要熟練掌握低頻電路。然而，教師可以通過跳過第一部分中的合適主題來更改選講范圍，以更充分地講授第6章的選定主題。
正如提到的那樣，第一部分集中講授基本晶體管電路，側(cè)重于傳統(tǒng)的分立設(shè)計方法。從教育學角度來看，先學習單管電路再學習多管系統(tǒng)是合理的，如果在實驗室中完成這一部分效果將會更好，因為在那里更容易研究簡單電路。實際上，在這個水平的學習中，與計算機仿真相比，實驗室可以提供更加有價值的學習環(huán)境。分立電路有一個眾所周知的缺點，就是需要用到耦合/旁路電容，這就增加了一個使學生分散注意力的因素，因為學生想要充分掌握這些電容的功能是很花費時間的。認識到這點，我嘗試通過具體例子來闡述電容（見圖2.55和圖3.60）。
在分立電路之后，本書進入集成電路部分。集成和分立方法在4.1節(jié)中進行對照；同時，兩者的直觀區(qū)別在習題4.3中進行了討論。第二部分先介紹模塊的復(fù)雜性，再討論典型模擬IC，再討論IC動態(tài)特性，最后講述工作在負反饋下的IC，以及穩(wěn)定性考慮、頻率補償和噪聲。這部分是為IC設(shè)計者所準備的，但同時適用于所有與制造、測試和應(yīng)用相關(guān)的其他種類工程師。目前數(shù)量最多的應(yīng)用工程師，需要同時精通技術(shù)（以做出有根據(jù)的選擇）和IC內(nèi)部工作原理（以優(yōu)化其應(yīng)用）。本書的目的是在芯片設(shè)計能力和印制電路板設(shè)計能力之間促成一個平衡。
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動機在試用了一些其他的教材后，我決定自己撰寫一部，一方面用于回答學生關(guān)注的問題，另一方面將自己對怎樣更好地為研究生服務(wù)的想法付諸實踐，這些學生通常都會繼續(xù)從事電子行業(yè)。接下來列出的是學生關(guān)注最多的問題。
●需要參照眾多的示例，特別是在工作中工程師們每天都會遇到的那些。我精心編寫了每一個例題和章后習題，以滿足兩個大概的需求：一是幫助學生在學習過程中獲得對數(shù)量級的直觀印象（例如例1.8），二是通過一個電路在不同情形或不同復(fù)雜度等級下的變化，來加深學生的理解（參見圖1.18～圖1.20）。在這個方面，我努力強調(diào)通過思考和物理直覺來獲得一個系統(tǒng)的問題求解方法，而非進行生搬硬套的計算。因為這是物理層面上的理解，而非數(shù)學上的處理或是計算機上的仿真，這種理解植根于學生的設(shè)計創(chuàng)造力，而這點又是工作中所需求的。本書還包括一些工程師每天都要用到的很有價值的經(jīng)驗法則（參見1.8節(jié)和1.9節(jié)）。在任意可能的時候，都應(yīng)該提醒學生運用直覺和物理洞察力來預(yù)測數(shù)學計算或計算機仿真得到的值，并檢測是否與物理實際相符合（關(guān)于物理洞察力參見例6.5和圖7.93）。
●書中應(yīng)包含SPICE仿真。本書集成的SPICE部分，既作為教學目標以使學生更直觀地理解新概念（參見圖4.66），也作為驗證工具以處理復(fù)雜計算。如果計算結(jié)果和仿真結(jié)果有顯著差別，學生就需要說明可能的原因（見例5.2）。最后，SPICE可用來顯示那些對于手工計算而言過于復(fù)雜的細微差別（見例6.11）�，F(xiàn)在能獲得的SPICE版本非常多。與其指定某個特定版本，不如使電路的原理圖設(shè)計足夠簡單，這樣學生就可以花數(shù)分鐘在他喜歡的SPICE版本上將電路建立起來。
●對基本半導(dǎo)體概念進行介紹。我所在學校（一所州立大學）的多數(shù)畢業(yè)生從事各種各樣的職位，從IC設(shè)計者到產(chǎn)品和可靠性工程師、測試和測試開發(fā)工程師，以及應(yīng)用和用戶支持工程師，在這種情況下一個廣闊的知識背景遠比一種有限的知識專精要重要得多。對半導(dǎo)體物理原理的基本理解是這個背景中的一個整體模塊，特別是對將來的產(chǎn)品工程師和可靠性工程師而言。
●順應(yīng)現(xiàn)今形象化地面向讀者的學習趨勢，本書包含了眾多的圖。多數(shù)圖由并行排列的兩個或多個部分組成，通過不同的電路情況、模型、時間幀或因果關(guān)系，來直觀顯示同一概念的不同方面（參見圖1.59）。并且，分析過程中涉及的最為相關(guān)的公式都直觀地列舉出來，這對學生準備課堂測驗和考試時尤為有用。在合適的時候，一整組公式會列為表格，以便于比較（參見圖3.50）。
我嘗試使用原汁原味的教材格式來解決上述這些問題。每一章的開頭都有簡短的歷史背景和動機框架，緊接著是對本章所包含主題的簡要概述，其后就是章節(jié)本身。每章以各種精挑細選的強調(diào)直覺和物理洞察力的習題作為結(jié)尾。
內(nèi)容一瞥第1章開頭介紹理想二極管，以此為工具介紹非線性電路和應(yīng)用。其后是對運算放大器的復(fù)習，作為學習各種二極管器件及后面晶體管的鋪墊。接著介紹對二極管結(jié)進行近似時最通用的物理器件pn結(jié)。在對半導(dǎo)體知識進行直觀復(fù)習后，再詳細討論pn結(jié)，并運用經(jīng)驗法則來強調(diào)一些工程師在日常工作時會用到的實用知識。熟練掌握pn結(jié)對理解隨后兩章的晶體管物理學是至關(guān)重要的。最后，討論各種常見的二極管應(yīng)用，通常用PSpice作為輔助教學工具來加深理解。
第2章介紹雙極型晶體管（BJT），這是pn結(jié)在科技上（和歷史上）的發(fā)展。像第1章那樣，先介紹BJT的物理結(jié)構(gòu)，其后推導(dǎo)出其i-v特性，再介紹大/小信號模型和直流偏置，最后是單晶體管放大器和緩沖器的分析與設(shè)計。該章介紹的共射極結(jié)構(gòu)通常用作電壓放大，而共集電極和共基極結(jié)構(gòu)通常分別用作電壓和電流緩沖器。該章的重點是研究BJT作為電阻轉(zhuǎn)換器件時的作用（這也是BJT這樣命名的基礎(chǔ)）。這種等效轉(zhuǎn)換可以很方便地列成表格，以便后續(xù)章節(jié)的查閱。
第3章介紹MOSFET，與第2章介紹BJT類似。然而，這兩章是互相分開的，所以若有需要兩章的順序可以互換。該章開頭詳細介紹本征閾值的物理基礎(chǔ)，這對那些以后想成為產(chǎn)品、工藝和可靠性工程師的學生很有益。緊接著推導(dǎo)MOSFET的i-v特性，再介紹大/小信號模型和直流偏置，最后是單晶體管放大器和緩沖器的分析與設(shè)計。該章介紹的共源極結(jié)構(gòu)通常用作電壓放大，而共漏極和共柵極結(jié)構(gòu)通常分別用作電壓和電流緩沖器。該章還包含了CMOS反相器和基本CMOS邏輯門，計算機工程專業(yè)的學生同樣能夠受益于此（參見圖3.44對PSpice噪聲容限的解釋）。
第4章介紹現(xiàn)今應(yīng)用最廣的IC模塊，電路的復(fù)雜度上升了一個等級。按照后續(xù)章節(jié)使用的需要，詳略不同地介紹共源共柵結(jié)構(gòu)、差分放大器、全類型電流鏡、有源負載和推挽式輸出級。在任何可能的時候，同時討論BJT和MOSFET以呈現(xiàn)這種統(tǒng)一處理的思想，同時也節(jié)省了空間和工作量。
第5章運用第4章中的模塊來設(shè)計典型的雙極型、CMOS混合模擬IC，即高增益放大器（如運放）、電壓比較器和全差分運放；參考電壓源、電流源（如帶隙基準源）；電流型IC（如跨導(dǎo)體、運算跨導(dǎo)放大器和電流反饋放大器）；最后還有開關(guān)電容電路。
第6章討論分立器件的頻率和時間響應(yīng)，再一直延伸至第5章的IC模塊等復(fù)雜電路。頻率分析基于米勒近似以及開環(huán)時間常數(shù)的知識。pn二極管和BJT的轉(zhuǎn)換時間雖然在工業(yè)生產(chǎn)中很重要，但在本書中依然忽略了對它們的具體討論，轉(zhuǎn)而通過對電荷控制的分析來大致了解一下相關(guān)知識。該章還包括了CMOS邏輯門的轉(zhuǎn)換時間討論，計算機工程專業(yè)的學生會從中獲益。在這一章中，PSpice被頻繁用作驗證手工運算的工具。
第7章開頭以淺顯易懂的方式介紹了前面章節(jié)電路中包含的負反饋，從單晶體管的情形一直討論到運放。而后介紹了二端口網(wǎng)絡(luò)法和反饋比法，并用各種精心準備的例題對它們進行比較。同時以實用的方式介紹了布萊克曼阻抗公式和注入方法。其后開始介紹運放的穩(wěn)定性和頻率補償，同時討論雙極型和CMOS型（此處PSpice再次成為最有用的教學工具）。該章還包括對集成電路噪聲的學習。在介紹基本噪聲特性、分析工具和噪聲類型后討論了二極管和晶體管的噪聲模型。最后，運用噪聲分析方法分析了典型電路的噪聲特性。
對同學們的建議你所學習的電子學課程為你從事電子工程行業(yè)打下了基礎(chǔ)。這些課程的目的并不僅僅是介紹諸如二極管、晶體管這樣的器件，也是為了幫助你建立一個新的思維模式和問題解答方法，這是充滿挑戰(zhàn)但又有趣的電子工程領(lǐng)域所特有的。大部分的電子工程專業(yè)畢業(yè)生最終從事工業(yè)化生產(chǎn)方面的工作，認識到這一現(xiàn)實，我著重介紹了那些與當今工業(yè)化環(huán)境最為相關(guān)的實用知識。無論你最后成為一個IC設(shè)計者、產(chǎn)品工程師、測試/測試開發(fā)工程師，還是應(yīng)用或用戶支持工程師，你最開始學到的這些電子學課程將會常常在各種情況下派上用場，所以相比于那些常見課程，你最好在這門課程上投入更多的時間和精力，你會受益終身。
雖然二極管和晶體管是高度非線性的器件，但仍有特殊的技巧來分析它們，這些技巧大多在線性電路的課程中就已介紹。在這些預(yù)備課程中學習的分析工具在電子學的學習中有著重要的作用，學習它們絕非浪費時間。特別是，在探討電子學領(lǐng)域時，歐姆定律、基爾霍夫定律（KVL和KCL）、節(jié)點/環(huán)路分析方法、戴維南/諾頓定理、疊加原理和運放定律等將繼續(xù)作為重要的分析工具。
和其他工程學分支一樣，電子學解決的是器件和系統(tǒng)這類的物理實體。我們將數(shù)學作為理解及預(yù)測工作狀態(tài)和設(shè)計新器件的工具，將計算機仿真作為驗證工具。任何概念的推導(dǎo)和預(yù)測最終都必須經(jīng)過物理實體的驗證，絕不能理所當然地運用。借助數(shù)學推導(dǎo)或計算機仿真，運用物理推論來論證概念過程，在整個課程的學習中是最為核心的。
除了精通線性電路分析技巧外，學生應(yīng)具備基本的微積分知識，例如斜率和曲線包含的面積，以及基本的靜電學知識，例如高斯定理以及電場與電勢間的關(guān)系。同時，在驗證人工分析結(jié)果時，在預(yù)備課程中學習的通過PSpice搭建電路的能力是非常有用的。
致謝許多讀者提供了詳細的評論和眾多有價值的建議。我盡量采納這些建議，但在出現(xiàn)意見相左的情況下，我只能繼續(xù)采用自己的想法。對所有提供反饋的讀者，我深表感激。我在此特別感謝克萊姆森大學的Stephen Hubbard、艾奧瓦州立大學的Santosh Pandey、北卡羅來納州立大學的Doona Ginger Yu。最后，我要感謝我的妻子Diana May對我的鼓勵和堅定不移的支持。
Sergio Franco舊金山州立大學
賽爾吉歐·弗朗哥（Sergio Franco）出生在意大利，1980年開始在美國舊金山州立大學電氣工程系授課，期間獲得了伊利諾伊大學香檳分校博士學位，成為該系榮譽教授。在就任現(xiàn)職之前，F(xiàn)ranco博士擁有廣泛的行業(yè)經(jīng)驗，在諸如固態(tài)物理學、模式識別、集成電路（IC）設(shè)計、醫(yī)學電子、日用電子和汽車電子等領(lǐng)域工作過，發(fā)表論文頗豐，F(xiàn)ranco博士還是《Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits》（McGraw-Hill Education，2014）和《Electric Ciruit Fundamentals》（Oxford University Press，1995）兩本教科書的作者。
目 錄
出版者的話
譯者序
前言
第1章 二極管和pn結(jié)1
1.1 理想二極管2
1.2 二極管的基本應(yīng)用7
1.3 運算放大器與二極管的應(yīng)用14
1.4 半導(dǎo)體18
1.5 平衡態(tài)的pn結(jié)23
1.6 空間電荷區(qū)外接偏置的影響26
1.7 pn結(jié)二極管方程28
1.8 反向偏置的pn結(jié)32
1.9 正向偏置二極管的特性34
1.10 pn結(jié)二極管電路的直流分析37
1.11 pn結(jié)二極管電路的交流分析43
1.12 擊穿區(qū)工作狀態(tài)49
1.13 直流電源54
總結(jié)57
附錄1A58
參考文獻59
習題59
第2章 雙極型晶體管73
2.1 BJT的物理結(jié)構(gòu)75
2.2 BJT的基本工作原理77
2.3 BJT的i-v特性85
2.4 工作區(qū)與BJT模型89
2.5 作為放大器/開關(guān)的BJT98
2.6 BJT的小信號工作狀態(tài)102
2.7 放大器的BJT偏置設(shè)計109
2.8 基本雙極型電壓放大器114
2.9 雙極型電壓和電流緩沖器121
附錄2A129
參考文獻131
習題131
第3章 MOSFET146
3.1 MOSFET的物理結(jié)構(gòu)147
3.2 閾值電壓Vt149
3.3 n溝道MOSFET的特性155
3.4 MOSFET的i-v特性161
3.5 MOSFET在阻性直流電路中的應(yīng)用169
3.6 MOSFET作為放大器/開關(guān)178
3.7 MOSFET的小信號工作狀態(tài)183
3.8 基本MOSFET電壓放大器188
3.9 MOSFET電壓和電流緩沖器195
3.10 CMOS反相器/放大器198
附錄3A203
參考文獻205
習題205
第4章 模擬集成電路單元電路218
4.1 集成電路設(shè)計注意事項219
4.2 BJT的特性和改進模型224
4.3 MOSFET特性及其改進模型233
4.4 達林頓、共源共柵和級聯(lián)結(jié)構(gòu)242
4.5 差分對252
4.6 差分對的共模抑制比257
4.7 差分對的輸入失調(diào)電壓/電流262
4.8 電流鏡266
4.9 帶有源負載的差分對273
4.10 雙極型輸出級281
4.11 CMOS輸出級286
附錄4A289
參考文獻290
習題290
第5章 模擬集成電路311
5.1 μA741運算放大器311
5.2 兩級CMOS運算放大器319
5.3 折疊式共源共柵CMOS運算放大器324
5.4 電壓比較器327
5.5 電流和電壓基準332
5.6 電流模集成電路340
5.7 全差分運算放大器346
5.8 開關(guān)電容電路351
附錄5A359
參考文獻360
習題360
第6章 頻率和時間響應(yīng)368
6.1 高頻BJT模型369
6.2 高頻MOSFET模型374
6.3 共射/共源放大器頻率響應(yīng)377
6.4 差分放大器的頻率響應(yīng)384
6.5 雙極型電壓和電流緩沖器388
6.6 MOS電壓和電流緩沖器393
6.7 開路時間常數(shù)分析397
6.8 共源共柵放大器的頻率響應(yīng)403
6.9 運算放大器頻率和瞬態(tài)響應(yīng)407
6.10 二極管開關(guān)瞬態(tài)414
6.11 BJT開關(guān)瞬態(tài)417
6.12 CMOS門電路和電壓比較器瞬態(tài)響應(yīng)423
附錄6A431
參考文獻435
習題436
第7章 反饋、穩(wěn)定性和噪聲446
7.1 負反饋基礎(chǔ)447
7.2 反饋對失真、噪聲、帶寬的影響451
7.3 反饋結(jié)構(gòu)和閉環(huán)I/O電阻457
7.4 實際結(jié)構(gòu)和負載效應(yīng)462
7.5 反饋比分析478
7.6 布萊克曼阻抗公式和注入方法486
7.7 負反饋電路的穩(wěn)定性490
7.8 主極點補償497
7.9 單片運算放大器的頻率補償501
7.10 噪聲510
參考文獻521
習題521
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