具体描述
Written for an advanced-level course in digital systems design, DIGITAL SYSTEMS DESIGN USING VHDL integrates the use of the industry-standard hardware description language VHDL into the digital design process. Following a review of basic concepts of logic design, the author introduces the basics of VHDL, and then incorporates more coverage of advanced VHDL topics. Rather than simply teach VHDL as a programming language, this book emphasizes the practical use of VHDL in the digital design process.
模拟电子学与数字逻辑电路基础 作者： 资深工程师与大学教授联合撰写 本书定位： 本书旨在为电气工程、电子工程、计算机工程以及相关领域的本科生和研究生提供一个全面且深入的模拟电子学和数字逻辑电路基础知识体系。它不仅涵盖了理论基础，更侧重于实际应用和现代设计方法学的介绍，是学生走向专业工程师的坚实垫脚石。 --- 第一部分：半导体器件与模拟电路基础 本部分深入探讨了构成现代电子系统的基本砖块——半导体器件的工作原理及其在基本模拟电路中的应用。 第一章：半导体物理与二极管 本章从微观层面剖析了半导体材料的电子特性，包括能带理论、载流子输运机制（漂移与扩散）。随后，详细分析了PN结的形成、能带图、以及在不同偏置条件下的伏安特性曲线。重点讲解了实际二极管模型（如肖特基二极管、齐纳二极管）的应用场景，特别是在限幅、钳位电路和稳压电路中的设计与分析。 第二章：BJT（双极性结型晶体管）工作原理 本章集中于BJT的结构、工作区划分（截止、饱和、有源区）。深入阐述了晶体管的Ebers-Moll模型及其简化模型（如混合-$pi$模型）。针对共射极、共基极和共集电极三种基本组态，进行详细的直流和交流小信号分析，包括增益计算、输入/输出阻抗的确定，以及频率响应的基础分析。 第三章：MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管） 作为现代集成电路的基石，MOSFET的理论分析占据重要篇幅。本章详细解释了MOSFET的电容特性、阈值电压的确定，以及在不同工作状态下的电流驱动能力。重点分析了NMOS和PMOS器件的差异，并引入了增强型和结型FET的比较。读者将学习如何利用MOSFET构建基本的开关电路和放大电路。 第四章：单级与多级放大器设计 本章将前三章的器件知识融会贯通，专注于模拟信号放大器的设计与优化。内容包括：偏置电路的设计、输入级与输出级的匹配、以及反馈理论的引入。读者将掌握如何在给定规格（如带宽、增益、输入阻抗）下设计一个满足要求的单级放大器。随后，深入探讨多级放大器（如达林顿结构、共源共基组合）的级联效应及其对整体性能的影响。 第五章：运算放大器（Op-Amp）的理想与非理想模型 本章以理想运算放大器为起点，系统介绍其在积分、微分、求和、比较等标准应用中的配置。随后，逐步引入非理想因素，如输入失调电压、共模抑制比（CMRR）、开环增益的频率滚降等，指导学生如何评估和选择实际运算放大器芯片。本章结束时，将涵盖有源滤波器（如Sallen-Key滤波器）的设计实例。 --- 第二部分：组合逻辑与时序逻辑电路设计 本部分将焦点转向离散和集成数字电路的设计与实现，强调逻辑代数、电路优化和可编程器件的应用。 第六章：布尔代数与逻辑门基础 本章是数字逻辑的起点，详细回顾了布尔代数的定律和定理，重点介绍德摩根定律、分配律等在电路化简中的应用。系统地介绍了基本逻辑门（AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR）的晶体管级实现，并分析了实际逻辑家族（如TTL和CMOS）的电气特性和性能指标（如扇入、扇出、噪声容限）。 第七章：组合逻辑电路的化简与设计 本章的核心是组合逻辑的系统化设计流程。从真值表的建立到卡诺图（K-Map）的应用，系统性地展示了如何化简复杂逻辑表达式。随后，介绍多输入逻辑函数的竞争性方法——Quine-McCluskey（QM）方法，为更大型电路的逻辑优化打下坚实基础。设计实例包括编码器、译码器、数据选择器（MUX）和数据分配器（DEMUX）的实现。 第八章：中等规模集成电路（MSI）与可编程逻辑器件（PLD）概述 本章将理论设计与现成的标准芯片（如74系列）应用结合起来。重点讲解了加法器（半加、全加）、算术逻辑单元（ALU）的结构与工作原理。同时，引入了可编程逻辑阵列（PLA）、可编程阵列逻辑（PAL）的概念，为后续的硬件描述语言（HDL）学习做铺垫，展示了如何利用标准芯片快速实现复杂组合功能。 第九章：时序逻辑电路：锁存器与触发器 本章转向电路中的“存储”特性。从基本概念入手，详细分析了基本锁存器（如SR Latch）的毛刺和竞争现象。随后，重点讲解了同步时序元件——D触发器、JK触发器和T触发器，特别是它们在时钟边沿触发下的工作机制和时序约束（建立时间$t_{su}$与保持时间$t_h$）。 第十章：时序电路的设计与分析 本章应用触发器的知识来构建更复杂的存储和控制单元。内容包括：寄存器（Register）、移位寄存器（Shift Register）的设计及其在数据处理中的应用。核心内容聚焦于同步时序状态机（Sequential State Machine）的设计，涵盖了梅利（Mealy）型和穆尔（Moore）型的状态图绘制、状态分配、以及下一状态逻辑和输出逻辑的构建与化简。本章还将对时序毛刺、竞争冒险进行分析和消除。 --- 第三部分：存储器、数据转换与系统级考量 本部分将视角提升到系统层面，介绍数据存储、数字与模拟信号的接口技术，并探讨现代系统对集成度和功耗的要求。 第十一章：存储器与可编程逻辑（复习与深化） 本章对存储技术进行深入回顾。分类介绍静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）的基本单元结构和读写时序。此外，对复杂的可编程逻辑器件（PLD）家族进行更详细的介绍，包括复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）的基本架构（查找表LUT、布线资源），为后续的硬件描述语言（HDL）设计方法打下概念基础。 第十二章：数据转换技术：ADC与DAC 本章处理数字世界与物理世界之间的接口问题。详细分析了数/模转换器（DAC）的原理，重点是权重电阻法和R-2R梯形网络，讨论其非线性误差。对于模/数转换器（ADC），深入研究了不同架构的性能对比，包括并行比较型、双积分型以及逐次逼近型ADC的工作流程，并分析了采样定理在系统设计中的重要性。 第十三章：脉冲波形生成与时钟电路 本章关注振荡器和时序脉冲的产生。分析了无源RC振荡器和有源LC振荡器的稳定性。着重介绍利用RC延时链和施密特触发器构建的无稳态和单稳态多谐振荡器，及其在方波生成和脉冲宽度调制（PWM）中的实际应用。 第十四章：基本半导体器件的功耗与热管理考量 在系统集成度越来越高的背景下，功耗和散热成为关键设计指标。本章探讨了CMOS电路的动态功耗和静态功耗来源，并介绍了低功耗设计的基本策略，如时钟门控和电压缩放。简要引入热阻和散热器设计的基础概念，强调了可靠性工程在现代电子设计中的地位。 --- 适用读者对象： 电子信息类、自动化、计算机科学与技术专业本科生。 希望系统回顾和深入理解数字逻辑与模拟接口基础的工程技术人员。 准备参加相关专业资格认证考试的专业人士。 本书特点： 本书结构清晰，从最基本的半导体物理出发，逐步过渡到复杂的系统级接口设计。每个章节都配有大量的实例分析和习题，鼓励读者动手推导和计算，确保理论与实践的紧密结合。它强调系统思维，而非仅仅停留在单个器件的分析，使读者能够理解不同电子模块如何协同工作，构成一个完整的电子系统。
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