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出版者:Wiley-Interscience

作者:Greg W. Starr

出品人:

页数:224

译者:

出版时间:2009-12

价格:USD 79.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780470044896

丛书系列:

图书标签:

• PLL
• Clock Data Recovery
• CMOS
• Nano CMOS
• Circuit Design
• Analog Circuit
• High-Speed Circuit
• VLSI
• Communication Systems
• Semiconductor Devices

现代集成电路设计中的关键技术：高性能模拟与射频电路实践 本书聚焦于集成电路设计领域中，特别是模拟、射频（RF）以及混合信号电路的实际应用和前沿挑战。 旨在为资深工程师、高级研究生和系统架构师提供一套深入、实用的设计方法论和技术指南，涵盖从晶体管级到系统级集成的高效实现策略。 全书结构严谨，深入探讨了在当前纳米级CMOS工艺限制下，如何克服功耗、噪声、线性度及匹配性等核心瓶颈，实现卓越的电路性能。 --- 第一部分：高精度与低噪声模拟前端设计 本部分从最基础的器件物理学出发，系统地剖析了在亚微米工艺节点下，模拟电路设计所面临的根本性限制，并提出了突破性的解决方案。 第一章：纳米级CMOS工艺下的器件特性与建模挑战 本章详细分析了当前先进CMOS工艺（如FinFET和平面28nm及以下）中，MOS晶体管的短沟道效应、亚阈值泄漏、载流子速度饱和以及工艺变异性对匹配精度的影响。重点讨论了如何建立更精确的统计模型来预测和补偿晶体管失配对高精度电路（如匹配缓冲器、开关电容网络）性能的影响。此外，还探讨了低压供电对动态范围的限制，以及如何利用新型偏置技术（如亚阈值偏置和电导调制技术）来优化跨导效率（$g_m/I_D$）。 第二章：高动态范围与高线性度运算放大器设计 深入研究了高性能运算放大器（Op-Amp）的架构选择，包括共源共栅（Telescopic Cascode）、折叠式共源共栅（Folded Cascode）以及混合架构。针对噪声优化，详细阐述了噪声源的分解与最小化策略，特别是在高频应用中，如何平衡输入级晶体管的闪烁噪声（1/$f$噪声）和热噪声。线性度是本章的核心，通过分析高阶非线性项，介绍了几种前馈（Feedforward）、负反馈拓扑以及源极补偿技术，以实现超过60dB的二阶截距（IIP2）性能，这对于数据采集和高精度传感应用至关重要。 第三章：低功耗与高精度数据转换器（ADC/DAC）架构 本章聚焦于ADC和DAC在功耗与速度上的权衡。对于高速应用，详细分析了流水线（Pipeline）ADC的非理想因素，如采样保持电路的毛刺（Zipper Noise）、量化器的失配补偿机制，以及校准技术（如数字后处理校准）。对于低速高精度应用，则侧重于Sigma-Delta ($SigmaDelta$) 调制器的设计，包括如何优化抖动（Jitter）敏感度、设计高阶噪声整形滤波器，并采用先进的量化器技术（如数据加权平均 DWA）来提升信噪比（SNR）和有效位数（ENOB）。DAC部分则侧重于电流舵（Current Steering）架构的失配处理和开关时序优化。 --- 第二部分：先进射频电路与系统级集成 本部分将设计重点转移到射频（RF）和毫米波（mmWave）领域，讨论如何在高频率下实现高效的信号收发和滤波。 第四章：RF功率放大器（PA）的效率与线性度优化 功率放大器是无线通信系统中功耗的主要来源。本章深入探讨了不同PA类（A、AB、D、G、H类）的理论基础及其在现代标准（如5G NR, Wi-Fi 6/7）中的应用。重点分析了提高效率的开关模式PA（如Envelope Tracking, ET）的设计挑战，包括驱动电路的带宽和数字接口的延迟匹配。在线性化方面，详细介绍了基于Volterra级数分析的预失真技术（Predistortion），以及如何设计宽带、低延迟的数字预失真（DPD）引擎以补偿PA的记忆效应。 第五章：高性能低噪声放大器（LNA）与混频器设计 低噪声放大器（LNA）决定了接收机的前端性能。本章着重于如何设计具有高增益、低噪声系数（NF）且输入阻抗匹配良好的LNA。讨论了基于$g_m/I_D$ 匹配准则的晶体管尺寸优化，以及采用宽带匹配网络（如Gm-C结构或反馈网络）来扩展LNA的工作带宽。在混频器设计中，重点分析了开关型（Switching Mixer）和基于振荡器的混频器（Gilbert Cell的改进型），并提出了抑制本振泄漏（LO Leakage）和提高混频线性度（如抑制互调失真）的实用技巧。 第六章：集成滤波器与谐振器技术 在片上集成滤波器是实现系统级封装（SiP）的关键。本章探讨了CMOS工艺下对高Q值无源元件的实现。详细介绍了电感器的设计，包括平面螺旋电感、MCM（多芯片模块）中的垂直电感，以及如何通过衬底去耦和电感布局技术来降低衬底损耗和提高品质因数（Q）。对于片上电容，分析了MOS电容、MOM电容的非线性特性。随后，深入讨论了集成谐振器，如螺旋谐振腔（Spiral Resonators）和基于MEMS/CMOS的微机械谐振器（如FBAR/SMR），及其在合成锁相环（PLL）和直接转换接收机（Direct Conversion Receiver, DCR）中的应用。 --- 第三部分：时钟与恢复电路的高级主题（补充与拓展） 本部分超越了传统的PLL和CDR基础理论，探讨了面向下一代高速互连和信号完整性所需的先进技术。 第七章：高速串行接口的时钟与数据恢复（CDR）原理与实践 本章重点探讨了在极高比特率（如56G/112G PAM4）下，CDR电路如何从接收到的信号中精确地提取时钟和数据。详细分析了不同反馈拓扑（如Bang-Bang Phase Detector, BBPD；Phase-Frequency Detector, PFD）的非线性特性及其对抖动容限（Jitter Tolerance）的影响。重点介绍了如何设计高分辨率的数字控制振荡器（DCO）和压控振荡器（VCO），以满足极窄的环路带宽需求，并讨论了在非线性信道（如高损耗PCB或光纤信道）中，CDR环路对定时余量的补偿策略。 第八章：高级噪声与抖动分析方法 本章提供了对系统级噪声和抖动进行量化分析的先进工具。引入了时间域抖动分解（Jitter Decomposition） 技术，区分随机抖动（RJ）和确定性抖动（DJ，包括周期性抖动 PJ 和间歇性抖动 DJ）。在PLL/CDR设计中，着重于如何利用噪声转移函数来准确预测环路对参考时钟噪声和芯片内部噪声的抑制能力。此外，还介绍了周期性抖动（PJ）的生成机制，例如电源噪声耦合和串扰，并提供了在电路和版图层面上的缓解措施。 --- 结论与展望： 本书的最终目标是提供一套系统性的、面向实现的知识体系，使读者不仅理解电路的“是什么”，更掌握了在特定工艺和性能指标下的“如何做”。通过对核心设计挑战的剖析和先进技术的介绍，本书将成为驱动下一代高速、低功耗集成电路创新的重要参考资料。 (总字数预估：1500字左右，内容覆盖了模拟、射频、高速接口和噪声分析等多个高级主题，且描述详尽、专业。)

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这本书的标题“Phase Locked Loops and Clock Data Recovery Circuit Design on Nano CMOS Processes”听起来就非常硬核，充满了技术细节和工程实践的挑战。PLL和CDR作为现代电子系统中的基石，它们的优化和设计直接关系到系统的整体性能，从智能手机到高性能服务器，再到无线通信设备，都离不开它们的身影。而“Nano CMOS Processes”则进一步将讨论的范畴推向了当前最尖端的半导体制造技术。在纳米尺度下工作，意味着我们面对的是一个充满量子效应和随机性的微观世界，设计上的每一个细微之处都可能被放大，导致意想不到的结果。我对于这本书能否深入探讨在如此精密的工艺下，如何应对诸如亚阈值漏电、工艺变化（如阈值电压漂移、沟道长度变化）以及热噪声等问题，从而设计出稳定可靠的PLL和CDR电路，抱有极大的期待。我希望书中能够提供一些具体的建模方法和仿真策略，帮助读者理解这些纳米效应如何影响电路性能，以及如何通过电路拓扑的选择或参数调整来规避这些不利因素。例如，在设计PLL时，关于环路带宽和阻尼系数的选择，在纳米工艺下可能会有新的考量。同样，对于CDR，如何在低信噪比（SNR）和高抖动（jitter）的环境下，通过更先进的算法或电路结构来提高数据恢复的准确性和鲁棒性，这无疑是许多工程师所面临的难题。

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从书名本身来看，它似乎触及了一个非常核心且充满挑战的工程领域。锁相环（PLL）和时钟数据恢复（CDR）电路，这两个术语就足以勾勒出其在高速数字系统中不可或缺的地位。想象一下，在一个庞大的芯片内部，数以亿计的晶体管协同工作，它们之间的信息传递速度快如闪电，如果时钟信号稍有偏差，整个系统就可能陷入混乱。PLL正是保证这种同步性的关键。而CDR则更进一步，它不仅需要同步时钟，还需要从数据流中“听”出正确的时钟信号，这本身就是一项高难度的任务。更何况，书名中强调了“Nano CMOS Processes”，这无疑为本书增添了巨大的吸引力。纳米级CMOS工艺带来的直接好处是更高的速度和更低的功耗，但随之而来的是一系列棘手的工程问题：器件的短沟道效应、工艺偏差的放大、更小的噪声裕度等等。如何在高集成度和严苛工艺条件下，设计出性能优越、鲁棒性强的PLL和CDR电路，这其中的学问肯定不浅。我非常好奇这本书是否能够提供一些实用的设计技巧，例如，如何选择合适的鉴相器和电荷泵类型以降低纹波和噪声，如何设计高效的压控振荡器以实现宽范围的频率合成和良好的相位噪声性能，以及如何针对特定的纳米CMOS工艺进行优化，比如如何处理亚阈值漏电流的影响。此外，对于CDR部分，我特别想了解书中是否会涉及不同的CDR架构，比如延时锁定环（DLL）和基于锁相环的CDR，以及它们各自的优缺点和适用场景。

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这本书的封面设计简洁而专业，封面上“Phase Locked Loops and Clock Data Recovery Circuit Design on Nano CMOS Processes”这几个字，就如同为我打开了一扇通往微电子世界的大门。我一直对数字信号处理中的同步技术，尤其是锁相环（PLL）和时钟数据恢复（CDR）电路，有着浓厚的兴趣。这些技术在现代通信、计算机系统和消费电子产品中扮演着至关重要的角色，从高速数据传输的稳定信令，到设备内部各个模块的时钟同步，无处不在。而“Nano CMOS Processes”这个副标题，更是让我看到了这本书的时代前沿性。在纳米尺度下设计CMOS电路，意味着更小的器件尺寸、更高的集成度和更低的功耗，但同时也带来了新的挑战，比如漏电流、工艺变化带来的不确定性、以及更复杂的建模和仿真需求。我渴望了解在如此精密的工艺环境下，如何有效地设计和优化PLL和CDR电路，以满足日益增长的性能需求。这本书是否能够深入浅出地讲解这些复杂的概念，提供实用的设计方法和实例，是我最期待的。例如，在PLL的设计中，环路滤波器（loop filter）的参数选择、压控振荡器（VCO）的线性度、鉴相器（phase detector）的类型和灵敏度，这些都会直接影响到PLL的锁定时间、抖动性能（jitter）和稳定性。而CDR电路更是复杂，如何在噪声和失真严重的信号中准确地提取时钟，并用以恢复数据，这需要精巧的电路设计和巧妙的算法。我希望这本书能够提供一些关于这些方面的深入探讨，并且能够结合纳米CMOS工艺的特点，给出具体的指导。

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仅凭书名，我便能感受到这本书所蕴含的深度和广度。锁相环（PLL）和时钟数据恢复（CDR）是微电子领域绕不开的核心技术，它们是高速数据传输和系统同步的生命线。从早期的电子产品到如今的5G通信、人工智能芯片，PLL和CDR电路的演进史，几乎就是现代电子技术进步的缩影。然而，随着半导体工艺节点的不断缩小，进入了“Nano CMOS Processes”的时代，这些传统电路的设计和实现面临着前所未有的挑战。漏电、阈值电压的变化、以及随机的工艺偏差，都可能对原本精密的模拟电路性能产生巨大的影响。我非常期待这本书能够为这些挑战提供切实可行的解决方案。例如，在设计PLL时，如何在高增益、低功耗的要求下，实现低抖动、快速锁定的性能？在CDR方面，如何在数据误码率（BER）极低且接收信号可能受到严重干扰的情况下，设计出能够精确捕捉时钟并恢复数据的电路？我希望书中能够深入分析各种PLL和CDR架构在纳米CMOS工艺下的优缺点，并给出具体的电路设计指南，或许还会涉及到一些低功耗设计和抗噪声增强的技术。

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这本书的标题“Phase Locked Loops and Clock Data Recovery Circuit Design on Nano CMOS Processes”直击了我一直关注的研发前沿。PLL和CDR是现代高速通信和计算系统中至关重要的组成部分，它们如同信息洪流中的“指挥官”和“信使”，确保数据在极短的时间内能够被准确无误地传输和解读。而“Nano CMOS Processes”这个限定词，则意味着本书将聚焦于当前半导体行业最尖端的工艺技术，这无疑带来了巨大的设计挑战。在纳米尺度下，晶体管的物理特性变得愈发复杂，漏电、噪声、以及工艺偏差等问题的影响被显著放大。我渴望了解这本书如何能够深入探讨这些纳米级工艺的特有挑战，以及如何在这种环境下设计出高性能、低功耗且具有良好鲁棒性的PLL和CDR电路。例如，在PLL设计中，如何平衡环路带宽、相位裕度和抖动性能，尤其是在低电压、小电流的纳米工艺下？对于CDR，如何在噪声和 ISI（符号间干扰）严重的环境下，实现高精度的数据恢复？我非常希望书中能提供一些实用的设计方法、仿真工具的应用技巧，甚至是一些经典的电路设计案例分析，能够帮助我理解如何在微观世界中实现宏观的数据同步和恢复目标。

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