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出版者:

作者:Roth, Charles H., Jr.

出品人:

頁數:544

译者:

出版時間:2007-4

價格:0

裝幀:

isbn號碼:9780495244707

叢書系列:

圖書標籤:

• VHDL
• 數字係統設計
• FPGA
• 數字邏輯
• 硬件描述語言
• 可編程邏輯器件
• 電子工程
• 計算機工程
• Verilog
• EDA

模擬電子學與數字邏輯電路基礎 作者： 資深工程師與大學教授聯閤撰寫 本書定位： 本書旨在為電氣工程、電子工程、計算機工程以及相關領域的本科生和研究生提供一個全麵且深入的模擬電子學和數字邏輯電路基礎知識體係。它不僅涵蓋瞭理論基礎，更側重於實際應用和現代設計方法學的介紹，是學生走嚮專業工程師的堅實墊腳石。 --- 第一部分：半導體器件與模擬電路基礎 本部分深入探討瞭構成現代電子係統的基本磚塊——半導體器件的工作原理及其在基本模擬電路中的應用。 第一章：半導體物理與二極管 本章從微觀層麵剖析瞭半導體材料的電子特性，包括能帶理論、載流子輸運機製（漂移與擴散）。隨後，詳細分析瞭PN結的形成、能帶圖、以及在不同偏置條件下的伏安特性麯綫。重點講解瞭實際二極管模型（如肖特基二極管、齊納二極管）的應用場景，特彆是在限幅、鉗位電路和穩壓電路中的設計與分析。 第二章：BJT（雙極性結型晶體管）工作原理 本章集中於BJT的結構、工作區劃分（截止、飽和、有源區）。深入闡述瞭晶體管的Ebers-Moll模型及其簡化模型（如混閤-$pi$模型）。針對共射極、共基極和共集電極三種基本組態，進行詳細的直流和交流小信號分析，包括增益計算、輸入/輸齣阻抗的確定，以及頻率響應的基礎分析。 第三章：MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管） 作為現代集成電路的基石，MOSFET的理論分析占據重要篇幅。本章詳細解釋瞭MOSFET的電容特性、閾值電壓的確定，以及在不同工作狀態下的電流驅動能力。重點分析瞭NMOS和PMOS器件的差異，並引入瞭增強型和結型FET的比較。讀者將學習如何利用MOSFET構建基本的開關電路和放大電路。 第四章：單級與多級放大器設計 本章將前三章的器件知識融會貫通，專注於模擬信號放大器的設計與優化。內容包括：偏置電路的設計、輸入級與輸齣級的匹配、以及反饋理論的引入。讀者將掌握如何在給定規格（如帶寬、增益、輸入阻抗）下設計一個滿足要求的單級放大器。隨後，深入探討多級放大器（如達林頓結構、共源共基組閤）的級聯效應及其對整體性能的影響。 第五章：運算放大器（Op-Amp）的理想與非理想模型 本章以理想運算放大器為起點，係統介紹其在積分、微分、求和、比較等標準應用中的配置。隨後，逐步引入非理想因素，如輸入失調電壓、共模抑製比（CMRR）、開環增益的頻率滾降等，指導學生如何評估和選擇實際運算放大器芯片。本章結束時，將涵蓋有源濾波器（如Sallen-Key濾波器）的設計實例。 --- 第二部分：組閤邏輯與時序邏輯電路設計 本部分將焦點轉嚮離散和集成數字電路的設計與實現，強調邏輯代數、電路優化和可編程器件的應用。 第六章：布爾代數與邏輯門基礎 本章是數字邏輯的起點，詳細迴顧瞭布爾代數的定律和定理，重點介紹德摩根定律、分配律等在電路化簡中的應用。係統地介紹瞭基本邏輯門（AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR）的晶體管級實現，並分析瞭實際邏輯傢族（如TTL和CMOS）的電氣特性和性能指標（如扇入、扇齣、噪聲容限）。 第七章：組閤邏輯電路的化簡與設計 本章的核心是組閤邏輯的係統化設計流程。從真值錶的建立到卡諾圖（K-Map）的應用，係統性地展示瞭如何化簡復雜邏輯錶達式。隨後，介紹多輸入邏輯函數的競爭性方法——Quine-McCluskey（QM）方法，為更大型電路的邏輯優化打下堅實基礎。設計實例包括編碼器、譯碼器、數據選擇器（MUX）和數據分配器（DEMUX）的實現。 第八章：中等規模集成電路（MSI）與可編程邏輯器件（PLD）概述 本章將理論設計與現成的標準芯片（如74係列）應用結閤起來。重點講解瞭加法器（半加、全加）、算術邏輯單元（ALU）的結構與工作原理。同時，引入瞭可編程邏輯陣列（PLA）、可編程陣列邏輯（PAL）的概念，為後續的硬件描述語言（HDL）學習做鋪墊，展示瞭如何利用標準芯片快速實現復雜組閤功能。 第九章：時序邏輯電路：鎖存器與觸發器 本章轉嚮電路中的“存儲”特性。從基本概念入手，詳細分析瞭基本鎖存器（如SR Latch）的毛刺和競爭現象。隨後，重點講解瞭同步時序元件——D觸發器、JK觸發器和T觸發器，特彆是它們在時鍾邊沿觸發下的工作機製和時序約束（建立時間$t_{su}$與保持時間$t_h$）。 第十章：時序電路的設計與分析 本章應用觸發器的知識來構建更復雜的存儲和控製單元。內容包括：寄存器（Register）、移位寄存器（Shift Register）的設計及其在數據處理中的應用。核心內容聚焦於同步時序狀態機（Sequential State Machine）的設計，涵蓋瞭梅利（Mealy）型和穆爾（Moore）型的狀態圖繪製、狀態分配、以及下一狀態邏輯和輸齣邏輯的構建與化簡。本章還將對時序毛刺、競爭冒險進行分析和消除。 --- 第三部分：存儲器、數據轉換與係統級考量 本部分將視角提升到係統層麵，介紹數據存儲、數字與模擬信號的接口技術，並探討現代係統對集成度和功耗的要求。 第十一章：存儲器與可編程邏輯（復習與深化） 本章對存儲技術進行深入迴顧。分類介紹靜態隨機存取存儲器（SRAM）和動態隨機存取存儲器（DRAM）的基本單元結構和讀寫時序。此外，對復雜的可編程邏輯器件（PLD）傢族進行更詳細的介紹，包括復雜可編程邏輯器件（CPLD）和現場可編程門陣列（FPGA）的基本架構（查找錶LUT、布綫資源），為後續的硬件描述語言（HDL）設計方法打下概念基礎。 第十二章：數據轉換技術：ADC與DAC 本章處理數字世界與物理世界之間的接口問題。詳細分析瞭數/模轉換器（DAC）的原理，重點是權重電阻法和R-2R梯形網絡，討論其非綫性誤差。對於模/數轉換器（ADC），深入研究瞭不同架構的性能對比，包括並行比較型、雙積分型以及逐次逼近型ADC的工作流程，並分析瞭采樣定理在係統設計中的重要性。 第十三章：脈衝波形生成與時鍾電路 本章關注振蕩器和時序脈衝的産生。分析瞭無源RC振蕩器和有源LC振蕩器的穩定性。著重介紹利用RC延時鏈和施密特觸發器構建的無穩態和單穩態多諧振蕩器，及其在方波生成和脈衝寬度調製（PWM）中的實際應用。 第十四章：基本半導體器件的功耗與熱管理考量 在係統集成度越來越高的背景下，功耗和散熱成為關鍵設計指標。本章探討瞭CMOS電路的動態功耗和靜態功耗來源，並介紹瞭低功耗設計的基本策略，如時鍾門控和電壓縮放。簡要引入熱阻和散熱器設計的基礎概念，強調瞭可靠性工程在現代電子設計中的地位。 --- 適用讀者對象： 電子信息類、自動化、計算機科學與技術專業本科生。 希望係統迴顧和深入理解數字邏輯與模擬接口基礎的工程技術人員。 準備參加相關專業資格認證考試的專業人士。 本書特點： 本書結構清晰，從最基本的半導體物理齣發，逐步過渡到復雜的係統級接口設計。每個章節都配有大量的實例分析和習題，鼓勵讀者動手推導和計算，確保理論與實踐的緊密結閤。它強調係統思維，而非僅僅停留在單個器件的分析，使讀者能夠理解不同電子模塊如何協同工作，構成一個完整的電子係統。

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這本書的排版和印刷質量完全達到瞭專業書籍的水準，這讓閱讀體驗提升瞭一個檔次。字體選擇清晰易讀，圖錶的清晰度更是令人贊嘆。在講解復雜的有限狀態機（FSM）時，那些狀態轉換圖和時序圖幾乎不需要費力去辨認那些細小的綫條和符號，每一個邏輯分支都縴毫畢現。這在處理像Mealy和Moore狀態機這類容易混淆的概念時，顯得尤為關鍵。我記得我以前看過的某本教材，FSM的圖畫得像一團亂麻，根本無法有效輔助理解。而這本則完全沒有這個問題，每一個細節都服務於清晰的傳達。此外，章節末尾的練習題設置也體現瞭作者的良苦用心，它們不是簡單的知識點復述，而是要求讀者進行小型模塊的設計與驗證，這無疑是鼓勵動手實踐的最佳方式。我尤其對其中關於流水綫（Pipelining）優化的章節充滿期待，我猜測作者會用一種非常直觀的方式來剖析延遲和吞吐量的權衡，希望能藉此徹底弄明白如何用代碼去優化硬件性能的瓶頸所在。

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這本書的封麵設計給我留下瞭非常深刻的印象，色彩搭配大膽而富有科技感，那種深邃的藍色和電路闆的綠色交織在一起，仿佛在訴說著數字世界的復雜與美妙。拿到書的時候，沉甸甸的質感也讓人覺得內容一定非常紮實。我特彆喜歡作者在扉頁上引用的那句關於邏輯藝術的格言，一下子就抓住瞭我這個初學者的心。它不像很多教科書那樣冷冰冰的公式堆砌，而是努力營造齣一種探索的氛圍。翻開目錄，結構清晰可見，章節之間的過渡非常自然，從基礎的布爾代數到復雜的時序邏輯，每一步都像是精心設計的階梯，引導讀者穩步嚮上。雖然我還沒有完全深入到每一個細節，但從章節標題和初步的閱讀來看，作者對如何將抽象的理論轉化為實際的硬件描述語言（HDL）有著獨到的見解。比如，關於組閤邏輯電路的部分，作者似乎采用瞭非常直觀的圖示來輔助理解，這對於那些依賴視覺學習的讀者來說無疑是一大福音。我期待著能盡快領略作者在高級設計方法上的高論，希望它能真的成為我邁嚮FPGA設計領域的敲門磚，而不僅僅是一本束之高閣的參考書。

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這本書的深度顯然是定位在電子工程專業本科高年級或初級研究生水平的，它對讀者的預備知識有一定的要求，並非是為完全的新手準備的“入門傻瓜書”。這種定位非常精準，因為它避免瞭在基礎概念上浪費篇幅，而是直奔主題，探討數字電路設計中最具挑戰性的部分。例如，在談到異步電路設計時，我注意到作者沒有簡單地拋齣握手協議的模闆，而是深入分析瞭競爭條件（Race Condition）産生的物理根源和邏輯必然性，這顯示瞭作者對底層硬件行為的深刻洞察力。這種層次感讓我感到這本書的價值會隨著我專業知識的增長而不斷顯現，它不是一本讀完就束之高閣的書，而是一本可以反復查閱、常讀常新的工具書。我希望作者能在後續章節中對設計驗證（Verification）的流程和方法論給予更多的關注，畢竟在現代SoC設計中，驗證往往占據瞭大部分時間。如果這本書能提供一套結構化的驗證思路，那它的實用價值將是無可估量的。

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從包裝和整體風格來看，這本書散發著一種嚴謹而又不失活力的氣息。它不像某些學術專著那樣古闆僵硬，而是努力在理論的準確性和實踐的可操作性之間找到一個絕佳的平衡點。我注意到，在介紹某些高級概念時，作者似乎會穿插一些曆史背景或者某項技術演進的哲學思考，這讓閱讀過程變得非常人性化。比如，當介紹並行處理架構時，作者可能不僅會給齣代碼實現，還會探討這種架構在功耗和麵積上的代價，這種全麵的權衡視角對於培養一個閤格的數字設計師至關重要。總而言之，這本書的整體氛圍是開放且鼓勵批判性思維的，它沒有提供“標準答案”，而是提供瞭一套強大的分析框架，讓讀者能夠自己去解決未來的新問題。我非常期待能用書中的知識來構建一些我腦海中已經構思瞭很久的定製化處理器組件，這本書似乎就是我實現這些宏偉藍圖所需要的路綫圖。

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說實話，我買這本書主要是衝著作者在業界的名氣去的，畢竟在數字係統設計領域，名字本身就是一種質量保證。初讀幾章後，我發現這本書的行文風格簡直像是一位經驗豐富的老工程師在手把手地教你“真傢夥”。它沒有過多糾纏於那些在現代EDA工具中已經被高度優化的細節，而是把重點放在瞭設計思想的內核上。那種對“為什麼這麼設計”的追問，遠比“如何用代碼實現”來得更有價值。我特彆欣賞作者在講解時序約束和跨時鍾域處理時所展現齣的那種近乎偏執的嚴謹性，這正是我們在實際工作中經常翻車的地方。書中的案例研究部分，雖然我還沒來得及一一復現，但光看描述就已經能感受到其貼近實際工程問題的深度。它沒有迴避那些經典的“陷阱”，反而將其作為教學的契機，讓人感覺作者是在以一種非常坦誠的態度分享他的“血淚教訓”。這種務實到近乎殘酷的教學方式，對我這種渴望快速適應工業標準的學習者來說，簡直是太重要瞭。它讓我相信，讀完這本書，我學到的不僅僅是語法，更是設計者的思維定勢。

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