模拟和数字电子电路基础_于歆杰等_9787302171447

本书可用作电气工程或电气工程与计算机科学专业第一门课程的教材，使学生在大学二年级完成从物理世界向电子和计算机世界的转换。本书试图实现两个目的：将电路和电子学以统一的、完整的方式来处理，并建立起电路与当今数字和模拟世界的紧密联系。

方法本书可用作电气工程或电气工程与计算机科学专业第一门课程的教材，使学生在大学二年级完成从物理世界向电子和计算机世界的转换。本书试图实现两个目的：将电路和电子学以统一的、完整的方式来处理，并建立起电路与当今数字和模拟世界的紧密联系。这两个目的来自于这样的事实，即用传统电路分析课程来介绍电气工程的方法日显过时。我们的世界正逐渐数字化。电气工程领域中大部分学生都将要进入与数字电子学或计算机系统相关的工业界或研究生阶段，甚至那些继续留在电气工程核心领域的学生也受到了数字领域的深刻影响。由于更加强调数字领域，因此基础电气工程教学必须从两个方面进行改变。首先，传统的那种无视数字领域而讲授电路和电子学的方法必须被强调数字和模拟领域共同的电路基础的方法所取代。由于电路和电子学中大多数基本概念均可同时用于数字和模拟领域，这就意味着，我们首先要强调电路与电子学对数字系统的更为广阔的影响，并借此来激励学生。比如说，虽然传统的对一阶RC电路动态过程的讨论对于进入数字系统的学生来说并无兴趣，但如果用相同的方法介绍由开关和电阻器构成的反相器连接到非理想容性导线时的开关行为，则会使人兴趣盎然。类似地，我们可以用观察带有寄生效应的MOSFET反相器的行为来激发学生对二阶RLC电路阶跃响应的兴趣。
①Yannis Tsividis在1998年Int. Symp. Circuits and Systems（ISCAS）会议上发表的论文Teaching Circuits and Electronics to FirstYear Students给出了将电路与电子学集成为一门课程的精彩实例。其次，在考虑计算机工程的附加需求后，许多系提供了过多关于电路和电子学的独立课程。因此更适合将其组合成为一门课程①。电路课程讨论无源元件网络，如电阻、电源、电容和电感。电子学讨论无源元件和有源元件网络，如MOS晶体管。虽然本书对电路与电子学进行了统一的处理，但也可以将其划分为两个学期连续的课程，一个强调电路，另一个强调电子学，二者的基础内容相同。本书使用“抽象”的概念来试图构建物理世界与大型计算机世界的联系。特别地，本书试图将电气工程与计算机科学统一起来，使其作为不断进行创造性和探索性抽象的艺术，从而可解决在创建有用的电气系统所导致的复杂问题。简而言之，计算机系统就是一种电气系统。为了将电路和电子学结合为一个整体，本书采取的方法是较为深入地讨论一些非常重要的主题，并尽可能选择新的元件。比如，本书使用MOSFET作为基本的有源元件，而将对其他装置（如双极晶体管）的讨论限制在练习和例子中。此外，为了让学生理解基本电路概念，而不是沉迷于特定的元件，本书在例子和练习中还介绍了若干抽象元件。我们相信这种方法可使学生学会用现有元件和以后发明的元件进行设计。最后，下面列出了本书与本领域相关书籍的其他区别。本书通过介绍如何从麦克斯韦方程利用一系列简化假设直接得到集总电路抽象，在电气工程和物理间建立了清晰的联系。本书中始终使用抽象的概念，以统一在模拟和数字设计中所进行的工程简化。本书更为强调数字领域。但我们对数字系统的处理却强调其模拟方面。我们从开关、电源、电阻器和MOSFET开始，介绍KCL、KVL应用等内容。本书表明，数字特性和模拟特性可通过关注元件特性的不同区域而获得。 MOSFET装置的介绍采用循序渐进的方式进行：从S模型，到SR模型，再到SCS模型和SU模型。本书表明，可用非常简单的MOSFET模型对数字电路的静态和动态工作进行大量而深入的分析。元件的不同特性，如电容的记忆特性或放大器的增益效益，均与其在模拟电路和数字电路中的应用相关。从直觉角度强调了暂态问题的状态变量观点，这样处理的原因在于可方便地得到线性或非线性网络的计算机解。能量和功率的问题在模拟和数字电路中均进行讨论。从数字领域中抽取大量VLSI的例子，这样可强调传统电路中分析的力量和普遍适用性。我们相信，在具有上述特点后，本书为即将进入核心电气工程专业（包括数字和RF电路、通信、控制、信号处理、装置制造等领域）或计算机工程专业（包括数字设计、体系结构、操作系统、编译器和语言）的学生提供了足够的基础。MIT具有统一的电气工程与计算机科学系。本书作为MIT关于电路与电子学入门课程的教材。该课程每学期均开设，每年有约500名学生选修。概述第1章讨论抽象的概念并介绍集总电路的抽象。本章讨论如何从麦克斯韦方程中抽象出集总电路，提供了电气工程领域简化复杂系统分析过程的基本方法。然后，本章介绍了若干理想的集总元件，包括电阻、电压源和电流源。本章还讨论了研究电子电路的两个主要动机：对物理系统建模和信息处理。本章介绍了模型的概念，并讨论如何用理想电阻和电源对物理元件进行建模。本章还讨论了信息处理与信号表示。第2章介绍KVL和KCL，并讨论其与麦克斯韦方程的关系。然后用KVL和KCL来分析简单电阻网络。本章还介绍了另一种有用的元件：受控源。第3章给出了网络分析的更为一般的方法。第4章介绍了简单非线性电路的分析方法。第5章介绍了数字抽象，讨论了第二个重要的简化，使得电气工程师可解决创建大型系统所带来的复杂问题在本书和相关的教学计划中如何引入数字抽象是让作者颇费苦心的问题。我们认为在此处引入数字抽象平衡了在教学计划中尽早引入数字系统以激励学生（尤其是通过实验）的需求和介绍足够的理论基础从而使得学生能够分析诸如组合逻辑这样的数字电路的需求。需要指出，我们认为应比Tsividis在1998年ISCAS会议文章所倡导的更早地介绍数字系统，同时我们完全同意他关于需要包含一定程度数字设计的思想。。第6章介绍开关元件并描述数字逻辑单元是如何构造的。本章还介绍了用MOSFET晶体管实现的开关。本章介绍了MOSFET的S（开关）和SR（开关电阻）模型，并用前面介绍的网络分析方法分析简单的开关电路。接下来还讨论了数字系统中的放大和噪声容限的关系。第7章讨论放大的概念。本章介绍了MOSFET的SCS（开关电流源）模型，并构建了一个MOSFET放大器。第8章继续进行对小信号放大器的讨论。第9章介绍了存储元件，即电容和电感，讨论了电容和电感模型对于高速设计的必要性。第10章讨论网络的一阶暂态。本章还介绍了一阶网络的若干重要应用，如数字存储。第11章讨论数字系统的能量和功率，从而引入CMOS逻辑。第12章分析网络的二阶暂态，同时从时域观点讨论RLC电路的谐振特性。第13章讨论动态电路的正弦稳态分析。本章还介绍了阻抗和频率响应的概念。本章将设计滤波器作为重要的激发学生兴趣的应用。第14章从频率观点分析谐振电路。第15章介绍了运算放大器，将其作为模拟设计中应用抽象概念的重要例子。第16章讨论二极管和简单二极管电路。本书还包含了关于三角函数、复数和求解线性代数方程的附录，以帮助读者复习和查阅。课程组织各章顺序的排列是为了进行1或2学期完整的电路与电子学教学。一阶和二阶电路尽可能放到后面，使得学生在同时选修微分方程课程时可获得更好的数学基础。数字抽象尽可能早地介绍，以尽早地引起学生的兴趣。此外，也可采用下面的顺序来组织电路课程和电子学课程。电路课程的顺序是：第1章（集总电路抽象），第2章（KVL和KCL），第3章（网络分析），第5章（数字抽象），第6章（MOSFET的S和SR模型），第9章（电容和电感），第10章（一阶暂态），第11章（能量、功率和CMOS），第12章（二阶暂态），第13章（正弦稳态），第14章（谐振电路的频率分析）和第15章（运算放大器抽象，任选）。电子学课程的顺序是：第4章（非线性电路），第7章（放大器，MOSFET的SCS模型），第8章（小信号放大器），第13章（正弦稳态和滤波器），第15章（运算放大器抽象）和第16章（二极管和功率电路）。网络补充材料我们收集了相当丰富的材料帮助学生和教师使用本书。这些信息可通过Morgan Kaufmann网站获取： http://www.mkp.com/companions/1558607358。该网站包括：附加的小节和例题，正文中用 www 的字样来标明这些小节和例题。教师手册。对MIT OpenCourseWare网站的连接，从中可访问作者开设的6.002电路与电子学课程。在该网站中包括：

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