信號處理與集成電路 [Signal Processing and Integrated Circuits] epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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內容簡介

　　本書在對數字信號處理的基本理論進行分析的基礎上，對各類數-模濾波器設計、FFT算法及其實現方法，對模擬集成電路中基本電路單元、基本放大器和多級放大器、開關電容電路及其組成的濾波器和Sigma-Delta數據轉換器以係統分析的方法進行瞭介紹。

　　本書適閤於從事集成電路設計，特彆是模擬集成電路設計、研究的科研工作人員或企業研發人員參考，同時可作為該專業的高校本科生、研究生和教師的參考用書。

目錄

譯者序
原書前言
第一部分綜述1
1模擬、數字和混閤信號處理2
1.1數字信號處理2
1.2摩爾定律和“機敏”技術2
1.3片上係統2
1.4模擬和混閤信號處理3
1.5知識架構4
第二部分模擬（連續時間）和數字信號處理5
2模擬連續時間信號係統6
2.1緒論6
2.2信號分析中的傅裏葉級數和函數逼近6
2.2.1定義6
2.2.2時域和離散頻域7
2.2.3捲積8
2.2.4帕斯瓦爾定理與功率譜8
2.2.5吉布斯現象8
2.2.6窗口函數10
2.3傅裏葉變換與基本信號10
2.3.1定義與性質10
2.3.2帕斯瓦爾定理與能量譜12
2.3.3相關函數12
2.3.4單位脈衝與基本信號13
2.3.5衝激響應與係統函數14
2.3.6周期信號14
2.3.7不確定性原理14
2.4拉普拉斯變換與模擬係統15
2.4.1復頻15
2.4.2拉普拉斯變換的性質16
2.4.3係統函數17
2.5基本的信號處理電路模塊19
2.5.1采用運算放大器電路的基本模塊實現19
2.6模擬係統函數的實現23
2.6.1運算放大器的基本原理與應用23
2.6.2運用OTAs和Gm-C電路實現積分器26
2.7小結28
習題28
3模擬濾波器設計31
3.1緒論31
3.2理想濾波器31
3.3振幅導嚮型設計34
3.3.1通帶和阻帶的最平坦化響應35
3.3.2切比雪夫響應37
3.3.3橢圓函數響應39
3.4頻率轉換40
3.4.1低通嚮低通轉換40
3.4.2低通嚮高通轉換40
3.4.3低通嚮帶通轉換41
3.4.4低通嚮帶阻轉換42
3.5示例42
3.6相位導嚮型設計44
3.6.1相位及延遲函數44
3.6.2最大平坦延遲響應45
3.7無源濾波器47
3.8有源濾波器50
3.9MATLAB在模擬濾波器設計中的應用51
3.9.1巴特沃斯濾波器52
3.9.2切比雪夫濾波器52
3.9.3橢圓濾波器53
3.9.4貝塞爾濾波器53
3.10MATLAB應用的例子54
3.11一個綜閤應用：數據傳輸的脈衝整形57
3.12小結61
習題61
4離散信號與係統62
4.1緒論62
4.2模擬信號的數字化62
4.2.1采樣63
4.2.2量化和編碼69
4.3離散信號與係統71
4.4數字濾波器73
4.5小結77
習題78
5數字濾波器設計80
5.1緒論80
5.2總則80
5.3IIR濾波器的振幅導嚮型設計83
5.3.1低通濾波器83
5.3.2高通濾波器89
5.3.3帶通濾波器91
5.3.4帶阻濾波器92
5.4相位導嚮型IIR濾波器設計92
5.4.1總則92
5.4.2最大平坦群延遲響應93
5.5FIR濾波器95
5.5.1精確的綫性相位特徵95
5.5.2傅裏葉係數濾波器設計101
5.5.3最優約束數量下的單調振幅響應109
5.5.4通帶和阻帶中的最優等紋波響應110
5.6IIR和FIR濾波器的比較114
5.7MATLAB在數字濾波器設計中的應用114
5.7.1巴特沃斯IIR濾波器114
5.7.2切比雪夫IIR濾波器115
5.7.3橢圓IIR濾波器117
5.7.4濾波器的實現120
5.7.5綫性相位FIR濾波器121
5.8一個綜閤應用：數據傳輸的脈衝整形122
5.8.1最優設計122
5.8.2運用MATLAB設計數據傳輸濾波器123
5.9小結126
習題126
6快速傅裏葉變換及其應用128
6.1緒論128
6.2周期信號129
6.3非周期信號132
6.4離散傅裏葉變換136
6.5快速傅裏葉變換算法138
6.5.1按時間抽取的快速傅裏葉變換138
6.5.2按頻率抽取的快速傅裏葉變換143
6.5.3基-4快速傅裏葉變換144
6.6離散傅裏葉變換的性質147
6.6.1綫性147
6.6.2圓周捲積147
6.6.3周期序列的移位148
6.6.4對稱性和共軛對148
6.6.5帕塞伐爾定理和功率譜149
6.6.6圓周相關150
6.6.7離散傅裏葉變換與z變換之間的關係151
6.7利用FFT進行頻譜分析151
6.7.1傅裏葉積分的計算152
6.7.2傅裏葉係數的計算154
6.8頻譜窗155
6.8.1連續時間信號155
6.8.2離散時間信號159
6.9利用FFT的快速捲積、濾波和相關160
6.9.1圓周（周期）捲積160
6.9.2非周期捲積160
6.9.3濾波和分段捲積161
6.9.4快速相關163
6.10MATLAB軟件的使用164
6.11小結165
習題165
7隨機信號和功率譜166
7.1緒論166
7.2隨機變量166
7.2.1概率分布函數166
7.2.2概率密度函數166
7.2.3聯閤分布167
7.2.4統計參數168
7.3模擬隨機過程169
7.3.1隨機過程統計170
7.3.2平穩過程172
7.3.3時間均值172
7.3.4遍曆性173
7.3.5隨機信號的功率譜174
7.3.6綫性係統信號178
7.4離散時間隨機過程179
7.4.1統計參數180
7.4.2平穩過程180
7.5功率譜估計183
7.5.1連續時間信號183
7.5.2離散時間信號186
7.6小結187
習題187
8數字信號處理器的有限字長效應189
8.1緒論189
8.2輸入信號的量化誤差191
8.3量化係數的影響195
8.4捨入纍積的影響196
8.4.1忽略量化誤差的捨入纍積197
8.4.2考慮量化誤差的捨入纍積203
8.5自激：溢齣和極限周期206
8.5.1溢齣振蕩206
8.5.2極限周期和死區效應209
8.6小結211
習題211
9綫性估計、係統建模和自適應濾波器212
9.1緒論212
9.2均方近似212
9.2.1模擬信號212
9.2.2離散信號214
9.3綫性估計、係統建模與最佳濾波器215
9.4最小均方誤差的模擬估計216
9.4.1非因果的平滑維納濾波器216
9.4.2因果的維納濾波器219
9.5匹配濾波器219
9.6離散時間綫性估計221
9.6.1非遞歸維納濾波222
9.6.2采用最小均方誤差梯度算法的自適應濾波225
9.6.3最小均方誤差梯度算法228
9.7自適應IIR濾波器和係統建模228
9.8自適應濾波器的一個應用：衛星語音傳播信號的迴聲消除器231
9.9小結232
第三部分應用於信號處理的模擬MOS集成電路233
10MOS晶體管與集成電路工藝234
10.1緒論234
10.2MOS晶體管234
10.2.1工作條件234
10.2.2跨導239
10.2.3溝道長度調製效應240
10.2.4PMOS晶體管和CMOS電路241
10.2.5耗盡型MOSFET242
10.3集成電路製造工藝242
10.3.1晶圓製備242
10.3.2擴散和離子注入243
10.3.3氧化245
10.3.4光刻246
10.3.5化學氣相澱積247
10.3.6金屬化248
10.3.7MOSFET的製備步驟248
10.4集成電路的MOS場效應晶體管的布局與麵積考慮249
10.5MOSFET中的噪聲251
10.5.1散粒噪聲251
10.5.2熱噪聲251
10.5.3閃爍噪聲251
10.5.4噪聲模型251
習題252
11集成電路基本單元電路253
11.1緒論253
11.2MOS有源電阻和負載器件253
11.3MOS放大器255
11.3.1采用增強型負載的NMOS放大器255
11.3.2襯底效應255
11.3.3帶耗盡型負載的NMOS放大器257
11.3.4源極跟隨器257
11.4基於高頻應用的設計考慮260
11.4.1寄生電容260
11.4.2共源共柵放大器261
11.5電流鏡264
11.6CMOS放大器266
11.7小結267
習題267
12兩級CMOS運算放大器268
12.1緒論268
12.2運算放大器的性能參數268
12.3反饋放大器的基本原理270
12.4CMOS差分放大器272
12.5兩級CMOS運算放大器276
12.5.1直流電壓增益278
12.5.2頻率響應278
12.5.3調零電阻279
12.5.4壓擺率和建立時間280
12.5.5輸入共模範圍和共模抑製比281
12.5.6兩級CMOS運算放大器的設計計算綜述282
12.6一個完整的運放設計實例284
12.7運算放大器設計中的實際問題和非理想效應286
12.7.1電源抑製287
12.7.2直流失調電壓287
12.7.3噪聲特性287
12.8小結289
習題289
13高性能CMOS運算放大器和運算跨導放大器290
13.1緒論290
13.2CMOS共源共柵運算放大器290
13.3摺疊共源共柵運算放大器291
13.4低噪聲運算放大器293
13.4.1通過控製器件幾何尺寸進行低噪聲設計295
13.4.2通過相關雙采樣降低噪聲295
13.4.3斬波穩定運算放大器295
13.5高頻運算放大器297
13.5.1基於建立時間的設計考慮297
13.6全差分平衡拓撲結構299
13.7跨導運算放大器304
13.8小結306
習題306
14電容、開關和無源電阻308
14.1緒論308
14.2MOS電容308
14.2.1電容結構308
14.2.2寄生電容310
14.2.3電容比誤差310
14.3MOS開關312
14.3.1一種簡單的開關電路312
14.3.2時鍾饋通313
14.3.3CMOS開關：傳輸門314
14.4MOS無源電阻315
14.5小結316
第四部分開關電容和混閤信號處理317
15微電子開關電容濾波器的設計318
15.1緒論318
15.2采樣信號和保持信號320
15.3振幅導嚮無損離散積分型濾波器322
15.3.1狀態變量梯型濾波器322
15.3.2雜散不敏感型LDI梯型濾波器329
15.3.3一種近似的設計方法333
15.4基於無源集總原型的濾波器設計335
15.5級聯設計342
15.6移動通信中的應用：語音編解碼器和數字調製解調器344
15.6.1語音編解碼器344
15.6.2數字調製解調器345
15.7小結346
習題346
16微電子開關電容濾波器中的非理想效應和實際設計考慮348
16.1緒論348
16.2運算放大器有限增益效應348
16.3運算放大器的有限帶寬和有限壓擺率效應349
16.4運算放大器的有限輸齣電阻效應350
16.5最大動態範圍縮放351
16.6最小電容縮放352
16.7全差分平衡設計352
16.8其他關於寄生電容和開關噪聲的討論354
16.9預濾波和後置濾波的設計要求356
16.10可編程濾波器358
16.11基於濾波器版圖的設計考慮359
16.12小結360
17集成Sigma-Delta數據轉換器：模擬和數字信號處理的拓展及綜閤應用361
17.1研究動機和綜閤考慮361
17.2一階轉換器362
17.3二階轉換器366
17.4抽取和數字濾波370
17.4.1原理370
17.4.2抽取數字濾波器結構373
17.5仿真和性能評估376
17.6實例分析：四階Sigma-Delta轉換器設計378
17.7小結381
部分習題答案382
參考文獻389

前言/序言

　　現代集成電路在國防科技、消費電子等方麵起到非常重要的作用，高性能、微型化的電子係統對集成電路（芯片）的依賴性越來越高。集成電路包括製造、器件、設計與測試等幾個方麵，其中，集成電路設計與信號處理方麵聯係緊密，因此，將集成電路設計與信號處理相關理論結閤起來進行討論具有重要意義。

　　本書從信號處理的角度對數字－模擬集成電路設計中的主要電路進行分析，並給齣設計思路與一些電路的仿真建模方法。介紹瞭數－模濾波器、FFT處理器、運算放大器和Sigma-Delta數據轉換器等基本單元的設計理論及設計方法，同時，對開關電容電路和集成電路工藝有一定的介紹。讀者可以通過本書將信號處理基本理論及其在集成電路設計中的應用聯係起來，學會通過係統分析的觀點來解決集成電路設計中的一些問題。

　　本書分為四個部分，總共17章內容，每章節的具體內容在譯稿中前言部分進行瞭介紹。本書的作者為畢業於維也納科技大學的鬍森·貝赫。

　　本書翻譯工作由北方工業大學的戴瀾副教授、魏淑華講師完成，具體分工如下：魏淑華完成本書第1章和第2章的翻譯工作，戴瀾完成第3~17章的翻譯工作，另外中國科學院微電子研究所的陳铖穎博士在本書的翻譯和校對過程中提齣瞭不少的意見和建議，在此錶示感謝！

　　本書的翻譯和編輯齣版工作得到機械工業齣版社電工電子分社編輯江婧婧女士和她的同事們的大力支持和幫助，在此深錶謝意。

　　由於譯者的水平有限，翻譯中難免有不當之處，歡迎廣大讀者提齣寶貴的修改意見和建議。

　　戴瀾魏淑華

　　2015年5月 2006年，澳大利亞還在慶祝莫紮特誕辰250周年。在享受慶典的同時，我在維也納科技大學獲得瞭兩個學位：一個是數字信號處理方嚮；另一個是應用於開關電容濾波器和Sigma-Delta數據轉換器設計的模擬集成電路信號處理方嚮。這兩個專業是如此互補，讓我産生瞭一個相當有吸引力的想法，寫一本結閤兩個學科內容的書。隨著想法日愈強烈以及不斷更新知識內容，我最終撰寫瞭這本書。

　　這本書的宗旨是提供一種關於模擬和數字信號處理的清晰明瞭並且統一的設計方法。就數字係統設計來說，主要討論相對高級的加法器、乘法器和緩衝器設計；至於模擬係統，著重點在於介紹包括連續時間和數據采樣電路、係統在內的集成電路的實現，並詳細到晶體管級的電路設計。本書全麵介紹瞭應用於信號處理的模擬MOS集成電路設計理論以及微電子開關電容電路的設計方法，並以此拓展到以集成Sigma-Delta數據轉換器為代錶的混閤信號處理器。在這些知識背景下，本書也討論瞭亞微米級和深亞微米級集成電路在超高頻方麵的設計應用實現。最後，作為分析和解決問題的有效輔助工具，本書也介紹瞭MATLAB的相關設計應用。

　　這本教材適閤高年級本科生和一年級研究生以及專業人士使用，同時提供足夠的基礎材料使該書能夠獨立使用。這本書分為四部分。

　　第一部分作為綜述，包含一個章節。第1章迴顧和展望瞭信號處理領域以及相關學科，並且提到瞭幾個應用問題。第1章以片上係統（SoC）和移動通信領域的發展為例，揭示瞭對復雜信號處理係統設計所需掌握的海量知識，同時也展現瞭模擬係統和數字係統之間的互補關係。

　　第二部分包括8章內容，從係統級和電路級講解瞭模擬域和數字域的信號處理技術。第2章是對基礎概念和一些模擬信號係統分析的數學工具的迴顧。這次迴顧可以看作是對於模擬信號係統基本原理的一個全麵的概述。通常本科初級階段已經涵蓋瞭這些課題的精華，因此，討論很簡潔，這些材料可以供以後章節參考，並且可以作為一個短期的復習課程。第3章討論模擬連續時間濾波器的基本理論與設計技術。這些知識本身就很重要，也和所有類型的濾波器的設計直接相關，其中包括數據采樣類型濾波器，比如數字濾波器和開關電容濾波器。這些濾波器的基本工作原理相同，並且通常情況下模擬連續時間模型是其他類型濾波器的設計基礎。這一章介紹瞭如何通過使用MATLAB進行模擬濾波器設計，該工具會在以後的章節被廣泛使用。第4章簡要迴顧瞭模擬信號嚮數字信號轉換的過程以及離散信號與係統的錶示。這應該作為一個離散信號與係統分析基礎的補充。第5章詳細討論數字濾波器的設計技術。本章強調瞭兩點：首先，注重概念的組織和設計分析方法；其次本章詳細介紹瞭如何利用計算機輔助設計工具MATLAB。本章總結瞭許多通過理論分析和應用計算機輔助設計方法的例子。第6章討論瞭快速傅裏葉變換（FFT）算法，同時介紹瞭離散傅裏葉變換及其特性，並討論瞭FFT在頻譜分析、捲積、相關性以及信號濾波方麵的應用。第7章介紹瞭適用於隨機信號的概念和技術，討論涵蓋瞭模擬和數字信號。然而，處理這些信號的係統本身並不“隨機”，而是具有自身的“確定性”。第8章論述瞭有限字長二進製碼在錶示不同數量數字信號處理器時所造成的影響，並研究瞭這些影響造成的係統性能下降，定量分析瞭結果誤差。第9章主要討論瞭信號處理中的一個核心問題：在接收的一係列噪聲信號中如何估計有效信號，這涉及自適應濾波領域，該領域與一個未知綫性係統（過程）的行為級建模或仿真有密切關係。我們首先討論瞭綫性估算和建模的原理，接著討論瞭如何將這些原理用自適應算法實現。第三部分討論的重點是與信號處理相關的模擬MOS集成電路。第10章是對MOS晶體管基礎知識和集成電路製造技術的迴顧。第11章討論瞭集成電路的基礎電路模塊，如放大器、電流鏡和負載器件等。第12章介紹瞭兩級CMOS運算放大器和一些完整的實例。第13章討論瞭基於Gm-C電路的高性能運算放大器和跨導運算放大器，同時介紹瞭超高頻率亞微米級和深亞微米級集成電路的設計應用。第14章介紹瞭集成電阻、電容和開關等模擬信號處理係統的基礎模塊。

　　第四部分主要討論運用開關電容和混閤信號（模擬和數字）電路進行信號處理係統設計的方法。第15章詳細介紹瞭微電子開關電容濾波器的設計技術。這些模擬數據采樣電路已經確認在許多應用中可以替代數字電路。此外,它們特彆適用於在數字信號處理中采用CMOS集成電路技術來實現應用，並與數字電路集成在同一個芯片上。本章同時詳細討論瞭理論基礎和實際設計應該考慮的因素。如果在設計的早期沒有認識和考慮到模擬係統中電路單元的非理想性，這將很容易導緻電路性能的惡化。第16章詳述瞭這些非理想因素以及其他在模擬集成電路設計中應該考慮的實際問題。第17章詳細討論瞭一類有指導意義的信號處理器：Sigma-Delta數據轉換器。本章首先介紹瞭Sigma-Delta數據轉換器中模擬和數字信號處理的理論分析和設計所需的知識，之後討論瞭主要的分析和計算技

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