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现代集成电路在国防科技、消费电子等方面起到非常重要的作用，高性能、微型化的电子系统对集成电路（芯片）的依赖性越来越高。集成电路包括制造、器件、设计与测试等几个方面，其中，集成电路设计与信号处理方面联系紧密，因此，将集成电路设计与信号处理相关理论结合起来进行讨论具有重要意义。

内容简介

本书在对数字信号处理的基本理论进行分析的基础上，对各类数-模滤波器设计、FFT算法及其实现方法，对模拟集成电路中基本电路单元、基本放大器和多级放大器、开关电容电路及其组成的滤波器和Sigma-Delta数据转换器以系统分析的方法进行了介绍。
本书适合于从事集成电路设计，特别是模拟集成电路设计、研究的科研工作人员或企业研发人员参考，同时可作为该专业的高校本科生、研究生和教师的参考用书。

作者简介

目　　录

译者序
原书前言
第一部分综述1
1模拟、数字和混合信号处理2
1.1数字信号处理2
1.2摩尔定律和“机敏”技术2
1.3片上系统2
1.4模拟和混合信号处理3
1.5知识架构4
第二部分模拟（连续时间）和数字信号处理5
2模拟连续时间信号系统6
2.1绪论6
2.2信号分析中的傅里叶级数和函数逼近6
2.2.1定义6

译者序 
原书前言 
第一部分综述1 
1模拟、数字和混合信号处理2 
1.1数字信号处理2 
1.2摩尔定律和“机敏”技术2 
1.3片上系统2 
1.4模拟和混合信号处理3 
1.5知识架构4 
第二部分模拟（连续时间）和数字信号处理5 
2模拟连续时间信号系统6 
2.1绪论6 
2.2信号分析中的傅里叶级数和函数逼近6 
2.2.1定义6 
2.2.2时域和离散频域7 
2.2.3卷积8 
2.2.4帕斯瓦尔定理与功率谱8 
2.2.5吉布斯现象8 
2.2.6窗口函数10 
2.3傅里叶变换与基本信号10 
2.3.1定义与性质10 
2.3.2帕斯瓦尔定理与能量谱12 
2.3.3相关函数12 
2.3.4单位脉冲与基本信号13 
2.3.5冲激响应与系统函数14 
2.3.6周期信号14 
2.3.7不确定性原理14 
2.4拉普拉斯变换与模拟系统15 
2.4.1复频15 
2.4.2拉普拉斯变换的性质16 
2.4.3系统函数17 
2.5基本的信号处理电路模块19 
2.5.1采用运算放大器电路的基本模块实现19 
2.6模拟系统函数的实现23 
2.6.1运算放大器的基本原理与应用23 
2.6.2运用OTAs和Gm-C电路实现积分器26 
2.7小结28 
习题28 
3模拟滤波器设计31 
3.1绪论31 
3.2理想滤波器31 
3.3振幅导向型设计34 
3.3.1通带和阻带的最平坦化响应35 
3.3.2切比雪夫响应37 
3.3.3椭圆函数响应39 
3.4频率转换40 
3.4.1低通向低通转换40 
3.4.2低通向高通转换40 
3.4.3低通向带通转换41 
3.4.4低通向带阻转换42 
3.5示例42 
3.6相位导向型设计44 
3.6.1相位及延迟函数44 
3.6.2最大平坦延迟响应45 
3.7无源滤波器47 
3.8有源滤波器50 
3.9MATLAB在模拟滤波器设计中的应用51 
3.9.1巴特沃斯滤波器52 
3.9.2切比雪夫滤波器52 
3.9.3椭圆滤波器53 
3.9.4贝塞尔滤波器53 
3.10MATLAB应用的例子54 
3.11一个综合应用：数据传输的脉冲整形57 
3.12小结61 
习题61 
4离散信号与系统62 
4.1绪论62 
4.2模拟信号的数字化62 
4.2.1采样63 
4.2.2量化和编码69 
4.3离散信号与系统71 
4.4数字滤波器73 
4.5小结77 
习题78 
5数字滤波器设计80 
5.1绪论80 
5.2总则80 
5.3IIR滤波器的振幅导向型设计83 
5.3.1低通滤波器83 
5.3.2高通滤波器89 
5.3.3带通滤波器91 
5.3.4带阻滤波器92 
5.4相位导向型IIR滤波器设计92 
5.4.1总则92 
5.4.2最大平坦群延迟响应93 
5.5FIR滤波器95 
5.5.1精确的线性相位特征95 
5.5.2傅里叶系数滤波器设计101 
5.5.3最优约束数量下的单调振幅响应109 
5.5.4通带和阻带中的最优等纹波响应110 
5.6IIR和FIR滤波器的比较114 
5.7MATLAB在数字滤波器设计中的应用114 
5.7.1巴特沃斯IIR滤波器114 
5.7.2切比雪夫IIR滤波器115 
5.7.3椭圆IIR滤波器117 
5.7.4滤波器的实现120 
5.7.5线性相位FIR滤波器121 
5.8一个综合应用：数据传输的脉冲整形122 
5.8.1最优设计122 
5.8.2运用MATLAB设计数据传输滤波器123 
5.9小结126 
习题126 
6快速傅里叶变换及其应用128 
6.1绪论128 
6.2周期信号129 
6.3非周期信号132 
6.4离散傅里叶变换136 
6.5快速傅里叶变换算法138 
6.5.1按时间抽取的快速傅里叶变换138 
6.5.2按频率抽取的快速傅里叶变换143 
6.5.3基-4快速傅里叶变换144 
6.6离散傅里叶变换的性质147 
6.6.1线性147 
6.6.2圆周卷积147 
6.6.3周期序列的移位148 
6.6.4对称性和共轭对148 
6.6.5帕塞伐尔定理和功率谱149 
6.6.6圆周相关150 
6.6.7离散傅里叶变换与z变换之间的关系151 
6.7利用FFT进行频谱分析151 
6.7.1傅里叶积分的计算152 
6.7.2傅里叶系数的计算154 
6.8频谱窗155 
6.8.1连续时间信号155 
6.8.2离散时间信号159 
6.9利用FFT的快速卷积、滤波和相关160 
6.9.1圆周（周期）卷积160 
6.9.2非周期卷积160 
6.9.3滤波和分段卷积161 
6.9.4快速相关163 
6.10MATLAB软件的使用164 
6.11小结165 
习题165 
7随机信号和功率谱166 
7.1绪论166 
7.2随机变量166 
7.2.1概率分布函数166 
7.2.2概率密度函数166 
7.2.3联合分布167 
7.2.4统计参数168 
7.3模拟随机过程169 
7.3.1随机过程统计170 
7.3.2平稳过程172 
7.3.3时间均值172 
7.3.4遍历性173 
7.3.5随机信号的功率谱174 
7.3.6线性系统信号178 
7.4离散时间随机过程179 
7.4.1统计参数180 
7.4.2平稳过程180 
7.5功率谱估计183 
7.5.1连续时间信号183 
7.5.2离散时间信号186 
7.6小结187 
习题187 
8数字信号处理器的有限字长效应189 
8.1绪论189 
8.2输入信号的量化误差191 
8.3量化系数的影响195 
8.4舍入累积的影响196 
8.4.1忽略量化误差的舍入累积197 
8.4.2考虑量化误差的舍入累积203 
8.5自激：溢出和极限周期206 
8.5.1溢出振荡206 
8.5.2极限周期和死区效应209 
8.6小结211 
习题211 
9线性估计、系统建模和自适应滤波器212 
9.1绪论212 
9.2均方近似212 
9.2.1模拟信号212 
9.2.2离散信号214 
9.3线性估计、系统建模与最佳滤波器215 
9.4最小均方误差的模拟估计216 
9.4.1非因果的平滑维纳滤波器216 
9.4.2因果的维纳滤波器219 
9.5匹配滤波器219 
9.6离散时间线性估计221 
9.6.1非递归维纳滤波222 
9.6.2采用最小均方误差梯度算法的自适应滤波225 
9.6.3最小均方误差梯度算法228 
9.7自适应IIR滤波器和系统建模228 
9.8自适应滤波器的一个应用：卫星语音传播信号的回声消除器231 
9.9小结232 
第三部分应用于信号处理的模拟MOS集成电路233 
10MOS晶体管与集成电路工艺234 
10.1绪论234 
10.2MOS晶体管234 
10.2.1工作条件234 
10.2.2跨导239 
10.2.3沟道长度调制效应240 
10.2.4PMOS晶体管和CMOS电路241 
10.2.5耗尽型MOSFET242 
10.3集成电路制造工艺242 
10.3.1晶圆制备242 
10.3.2扩散和离子注入243 
10.3.3氧化245 
10.3.4光刻246 
10.3.5化学气相淀积247 
10.3.6金属化248 
10.3.7MOSFET的制备步骤248 
10.4集成电路的MOS场效应晶体管的布局与面积考虑249 
10.5MOSFET中的噪声251 
10.5.1散粒噪声251 
10.5.2热噪声251 
10.5.3闪烁噪声251 
10.5.4噪声模型251 
习题252 
11集成电路基本单元电路253 
11.1绪论253 
11.2MOS有源电阻和负载器件253 
11.3MOS放大器255 
11.3.1采用增强型负载的NMOS放大器255 
11.3.2衬底效应255 
11.3.3带耗尽型负载的NMOS放大器257 
11.3.4源极跟随器257 
11.4基于高频应用的设计考虑260 
11.4.1寄生电容260 
11.4.2共源共栅放大器261 
11.5电流镜264 
11.6CMOS放大器266 
11.7小结267 
习题267 
12两级CMOS运算放大器268 
12.1绪论268 
12.2运算放大器的性能参数268 
12.3反馈放大器的基本原理270 
12.4CMOS差分放大器272 
12.5两级CMOS运算放大器276 
12.5.1直流电压增益278 
12.5.2频率响应278 
12.5.3调零电阻279 
12.5.4压摆率和建立时间280 
12.5.5输入共模范围和共模抑制比281 
12.5.6两级CMOS运算放大器的设计计算综述282 
12.6一个完整的运放设计实例284 
12.7运算放大器设计中的实际问题和非理想效应286 
12.7.1电源抑制287 
12.7.2直流失调电压287 
12.7.3噪声特性287 
12.8小结289 
习题289 
13高性能CMOS运算放大器和运算跨导放大器290 
13.1绪论290 
13.2CMOS共源共栅运算放大器290 
13.3折叠共源共栅运算放大器291 
13.4低噪声运算放大器293 
13.4.1通过控制器件几何尺寸进行低噪声设计295 
13.4.2通过相关双采样降低噪声295 
13.4.3斩波稳定运算放大器295 
13.5高频运算放大器297 
13.5.1基于建立时间的设计考虑297 
13.6全差分平衡拓扑结构299 
13.7跨导运算放大器304 
13.8小结306 
习题306 
14电容、开关和无源电阻308 
14.1绪论308 
14.2MOS电容308 
14.2.1电容结构308 
14.2.2寄生电容310 
14.2.3电容比误差310 
14.3MOS开关312 
14.3.1一种简单的开关电路312 
14.3.2时钟馈通313 
14.3.3CMOS开关：传输门314 
14.4MOS无源电阻315 
14.5小结316 
第四部分开关电容和混合信号处理317 
15微电子开关电容滤波器的设计318 
15.1绪论318 
15.2采样信号和保持信号320 
15.3振幅导向无损离散积分型滤波器322 
15.3.1状态变量梯型滤波器322 
15.3.2杂散不敏感型LDI梯型滤波器329 
15.3.3一种近似的设计方法333 
15.4基于无源集总原型的滤波器设计335 
15.5级联设计342 
15.6移动通信中的应用：语音编解码器和数字调制解调器344 
15.6.1语音编解码器344 
15.6.2数字调制解调器345 
15.7小结346 
习题346 
16微电子开关电容滤波器中的非理想效应和实际设计考虑348 
16.1绪论348 
16.2运算放大器有限增益效应348 
16.3运算放大器的有限带宽和有限压摆率效应349 
16.4运算放大器的有限输出电阻效应350 
16.5最大动态范围缩放351 
16.6最小电容缩放352 
16.7全差分平衡设计352 
16.8其他关于寄生电容和开关噪声的讨论354 
16.9预滤波和后置滤波的设计要求356 
16.10可编程滤波器358 
16.11基于滤波器版图的设计考虑359 
16.12小结360 
17集成Sigma-Delta数据转换器：模拟和数字信号处理的拓展及综合应用361 
17.1研究动机和综合考虑361 
17.2一阶转换器362 
17.3二阶转换器366 
17.4抽取和数字滤波370 
17.4.1原理370 
17.4.2抽取数字滤波器结构373 
17.5仿真和性能评估376 
17.6实例分析：四阶Sigma-Delta转换器设计378 
17.7小结381 
部分习题答案382 
参考文献389

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前　　言

现代集成电路在国防科技、消费电子等方面起到非常重要的作用，高性能、微型化的电子系统对集成电路（芯片）的依赖性越来越高。集成电路包括制造、器件、设计与测试等几个方面，其中，集成电路设计与信号处理方面联系紧密，因此，将集成电路设计与信号处理相关理论结合起来进行讨论具有重要意义。
本书从信号处理的角度对数字－模拟集成电路设计中的主要电路进行分析，并给出设计思路与一些电路的仿真建模方法。介绍了数－模滤波器、FFT处理器、运算放大器和Sigma-Delta数据转换器等基本单元的设计理论及设计方法，同时，对开关电容电路和集成电路工艺有一定的介绍。读者可以通过本书将信号处理基本理论及其在集成电路设计中的应用联系起来，学会通过系统分析的观点来解决集成电路设计中的一些问题。
本书分为四个部分，总共17章内容，每章节的具体内容在译稿中前言部分进行了介绍。本书的作者为毕业于维也纳科技大学的胡森·贝赫。
本书翻译工作由北方工业大学的戴澜副教授、魏淑华讲师完成，具体分工如下：魏淑华完成本书第1章和第2章的翻译工作，戴澜完成第3~17章的翻译工作，另外中国科学院微电子研究所的陈铖颖博士在本书的翻译和校对过程中提出了不少的意见和建议，在此表示感谢！
本书的翻译和编辑出版工作得到机械工业出版社电工电子分社编辑江婧婧女士和她的同事们的大力支持和帮助，在此深表谢意。

现代集成电路在国防科技、消费电子等方面起到非常重要的作用，高性能、微型化的电子系统对集成电路（芯片）的依赖性越来越高。集成电路包括制造、器件、设计与测试等几个方面，其中，集成电路设计与信号处理方面联系紧密，因此，将集成电路设计与信号处理相关理论结合起来进行讨论具有重要意义。 
本书从信号处理的角度对数字－模拟集成电路设计中的主要电路进行分析，并给出设计思路与一些电路的仿真建模方法。介绍了数－模滤波器、FFT处理器、运算放大器和Sigma-Delta数据转换器等基本单元的设计理论及设计方法，同时，对开关电容电路和集成电路工艺有一定的介绍。读者可以通过本书将信号处理基本理论及其在集成电路设计中的应用联系起来，学会通过系统分析的观点来解决集成电路设计中的一些问题。 
本书分为四个部分，总共17章内容，每章节的具体内容在译稿中前言部分进行了介绍。本书的作者为毕业于维也纳科技大学的胡森·贝赫。 
本书翻译工作由北方工业大学的戴澜副教授、魏淑华讲师完成，具体分工如下：魏淑华完成本书第1章和第2章的翻译工作，戴澜完成第3~17章的翻译工作，另外中国科学院微电子研究所的陈铖颖博士在本书的翻译和校对过程中提出了不少的意见和建议，在此表示感谢！ 
本书的翻译和编辑出版工作得到机械工业出版社电工电子分社编辑江婧婧女士和她的同事们的大力支持和帮助，在此深表谢意。 
由于译者的水平有限，翻译中难免有不当之处，欢迎广大读者提出宝贵的修改意见和建议。


	戴澜魏淑华 
2015年5月  2006年，澳大利亚还在庆祝莫扎特诞辰250周年。在享受庆典的同时，我在维也纳科技大学获得了两个学位：一个是数字信号处理方向；另一个是应用于开关电容滤波器和Sigma-Delta数据转换器设计的模拟集成电路信号处理方向。这两个专业是如此互补，让我产生了一个相当有吸引力的想法，写一本结合两个学科内容的书。随着想法日愈强烈以及不断更新知识内容，我最终撰写了这本书。 
这本书的宗旨是提供一种关于模拟和数字信号处理的清晰明了并且统一的设计方法。就数字系统设计来说，主要讨论相对高级的加法器、乘法器和缓冲器设计；至于模拟系统，着重点在于介绍包括连续时间和数据采样电路、系统在内的集成电路的实现，并详细到晶体管级的电路设计。本书全面介绍了应用于信号处理的模拟MOS集成电路设计理论以及微电子开关电容电路的设计方法，并以此拓展到以集成Sigma-Delta数据转换器为代表的混合信号处理器。在这些知识背景下，本书也讨论了亚微米级和深亚微米级集成电路在超高频方面的设计应用实现。最后，作为分析和解决问题的有效辅助工具，本书也介绍了MATLAB的相关设计应用。 
这本教材适合高年级本科生和一年级研究生以及专业人士使用，同时提供足够的基础材料使该书能够独立使用。这本书分为四部分。 
第一部分作为综述，包含一个章节。第1章回顾和展望了信号处理领域以及相关学科，并且提到了几个应用问题。第1章以片上系统（SoC）和移动通信领域的发展为例，揭示了对复杂信号处理系统设计所需掌握的海量知识，同时也展现了模拟系统和数字系统之间的互补关系。 
第二部分包括8章内容，从系统级和电路级讲解了模拟域和数字域的信号处理技术。第2章是对基础概念和一些模拟信号系统分析的数学工具的回顾。这次回顾可以看作是对于模拟信号系统基本原理的一个全面的概述。通常本科初级阶段已经涵盖了这些课题的精华，因此，讨论很简洁，这些材料可以供以后章节参考，并且可以作为一个短期的复习课程。第3章讨论模拟连续时间滤波器的基本理论与设计技术。这些知识本身就很重要，也和所有类型的滤波器的设计直接相关，其中包括数据采样类型滤波器，比如数字滤波器和开关电容滤波器。这些滤波器的基本工作原理相同，并且通常情况下模拟连续时间模型是其他类型滤波器的设计基础。这一章介绍了如何通过使用MATLAB进行模拟滤波器设计，该工具会在以后的章节被广泛使用。第4章简要回顾了模拟信号向数字信号转换的过程以及离散信号与系统的表示。这应该作为一个离散信号与系统分析基础的补充。第5章详细讨论数字滤波器的设计技术。本章强调了两点：首先，注重概念的组织和设计分析方法；其次本章详细介绍了如何利用计算机辅助设计工具MATLAB。本章总结了许多通过理论分析和应用计算机辅助设计方法的例子。第6章讨论了快速傅里叶变换（FFT）算法，同时介绍了离散傅里叶变换及其特性，并讨论了FFT在频谱分析、卷积、相关性以及信号滤波方面的应用。第7章介绍了适用于随机信号的概念和技术，讨论涵盖了模拟和数字信号。然而，处理这些信号的系统本身并不“随机”，而是具有自身的“确定性”。第8章论述了有限字长二进制码在表示不同数量数字信号处理器时所造成的影响，并研究了这些影响造成的系统性能下降，定量分析了结果误差。第9章主要讨论了信号处理中的一个核心问题：在接收的一系列噪声信号中如何估计有效信号，这涉及自适应滤波领域，该领域与一个未知线性系统（过程）的行为级建模或仿真有密切关系。我们首先讨论了线性估算和建模的原理，接着讨论了如何将这些原理用自适应算法实现。第三部分讨论的重点是与信号处理相关的模拟MOS集成电路。第10章是对MOS晶体管基础知识和集成电路制造技术的回顾。第11章讨论了集成电路的基础电路模块，如放大器、电流镜和负载器件等。第12章介绍了两级CMOS运算放大器和一些完整的实例。第13章讨论了基于Gm-C电路的高性能运算放大器和跨导运算放大器，同时介绍了超高频率亚微米级和深亚微米级集成电路的设计应用。第14章介绍了集成电阻、电容和开关等模拟信号处理系统的基础模块。 
第四部分主要讨论运用开关电容和混合信号（模拟和数字）电路进行信号处理系统设计的方法。第15章详细介绍了微电子开关电容滤波器的设计技术。这些模拟数据采样电路已经确认在许多应用中可以替代数字电路。此外,它们特别适用于在数字信号处理中采用CMOS集成电路技术来实现应用，并与数字电路集成在同一个芯片上。本章同时详细讨论了理论基础和实际设计应该考虑的因素。如果在设计的早期没有认识和考虑到模拟系统中电路单元的非理想性，这将很容易导致电路性能的恶化。第16章详述了这些非理想因素以及其他在模拟集成电路设计中应该考虑的实际问题。第17章详细讨论了一类有指导意义的信号处理器：Sigma-Delta数据转换器。本章首先介绍了Sigma-Delta数据转换器中模拟和数字信号处理的理论分析和设计所需的知识，之后讨论了主要的分析和计算技术。因此，这本书是较为理想的，因为它尝试着把两个领域统一在一个体系里面，并且它所采用的方法也可以作为一个有效方法的良好例子。

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