💡 ویرایش اول این کتاب در سال ۲۰۰۸ منتشر شده است و توسط دانشگاه‌های متعددی در سراسر جهان برای آموزش مایکروالکترونیک در مقطع کارشناسی پذیرفته شده است. در ادامه، توصیف مفصلی از هر فصل به همراه توصیه‌های آموزشی و یادگیری من آمده است.

📚 پوشش فصل‌ها

🔍 مطالب هر فصل را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد: (۱) مفاهیم اساسی که استاد باید در کلاس درس پوشش دهد، (۲) مهارت‌های اساسی که دانشجویان باید توسعه دهند اما به دلیل محدودیت زمان نمی‌توان در کلاس به آن‌ها پرداخت، و (۳) مباحثی که مفید هستند اما بر اساس ترجیح استاد می‌توان از آن‌ها صرف‌نظر کرد. در ادامه، خلاصه‌ای از سرفصل‌ها آورده شده است که نشان می‌دهد کدام مباحث باید در کلاس درس مطرح شوند.

📝 فصل ۱: مقدمه‌ای بر مایکروالکترونیک

🎯 هدف این فصل ارائه یک «تصویر کلی» و ایجاد راحتی برای دانشجویان در مواجهه با سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال است. من حدود ۳۰ تا ۴۵ دقیقه را صرف بخش‌های ۱.۱ و ۱.۲ می‌کنم و بقیه فصل (مفاهیم پایه) را برای دستیاران آموزشی می‌گذارم تا در یک جلسه ویژه عصرگاهی در هفته اول پوشش دهند.

🔬 فصل ۲: فیزیک پایه نیمه‌هادی‌ها

⚙️ این فصل با ارائه مبانی فیزیک افزاره‌های نیمه‌هادی، عمداً با سرعت آهسته‌ای پیش می‌رود، مفاهیم را از زوایای مختلف بررسی می‌کند و به دانشجویان اجازه می‌دهد تا هم‌زمان با مطالعه، مطالب را هضم کنند. یک بیان موجز می‌توانست فصل را کوتاه‌تر کند، اما دانشجویان را مجبور می‌کرد تا برای رمزگشایی متن، مطالب را چندین بار بازخوانی کنند.

💡 با این حال، توجه به این نکته مهم است که سرعت استاد در کلاس درس نیازی نیست به اندازه این فصل کند باشد. از دانشجویان انتظار می‌رود جزئیات و مثال‌ها را خودشان بخوانند تا درک خود را از مطالب تقویت کنند. نکته اصلی در این فصل این است که ما باید فیزیک افزاره‌ها را مطالعه کنیم تا بتوانیم مدل‌های مداری برای آن‌ها بسازیم. در یک سیستم ترمی کوتاه‌مدت (ترم‌های فشرده سه‌ماهه)، من مفاهیم زیر را در کلاس پوشش می‌دهم: الکترون‌ها و حفره‌ها؛ آلاییدگی؛ رانش و دیفیوژن؛ پیوند pn در تعادل و تحت بایاس مستقیم و معکوس.

⚡ فصل ۳: مدل‌ها و مدارهای دیودی

🛠️ این فصل چهار هدف را دنبال می‌کند: (۱) راحت کردن دانشجویان با پیوند pn به عنوان یک افزاره غیرخطی؛ (۲) معرفی مفهوم خطی‌سازی یک مدل غیرخطی برای ساده‌سازی تحلیل؛ (۳) پوشش مدارهای پایه‌ای که هر مهندس برق باید با آن‌ها آشنا باشد، مانند یکسوسازها و محدودکننده‌ها؛ و (۴) توسعه مهارت‌های لازم برای تحلیل مدارهای به شدت غیرخطی، به عنوان مثال، جاهایی که پیش‌بینی اینکه کدام دیود در چه ولتاژ ورودی روشن می‌شود، دشوار است. از این میان، سه مورد اول ضروری هستند و باید در کلاس درس پوشش داده شوند، در حالی که مورد آخر به ترجیح استاد بستگی دارد. (من آن را در کلاس‌هایم پوشش می‌دهم.) برای صرفه‌جویی در زمان، من از تعدادی از بخش‌ها در سیستم ترمی فشرده صرف‌نظر می‌کنم، مانند دوبرابرکننده‌های ولتاژ و شیفت‌دهنده‌های سطح ولتاژ.

🎛️ فصل ۴: فیزیک ترانزیستورهای دوقطبی

📐 این فصل با شروع از کاربرد یک منبع جریان کنترل‌شده با ولتاژ در یک تقویت‌کننده، ترانزیستور دوقطبی را به عنوان توسعه‌ای از پیوندهای pn معرفی می‌کند و مدل سیگنال کوچک آن را استخراج می‌نماید. مانند فصل ۲، سرعت ارائه‌ی متن نسبتاً کند است، اما کلاس‌های درس نیازی به این کندی ندارند. من ساختار و کارکرد ترانزیستور دوقطبی، یک استخراج بسیار ساده‌شده از مشخصه نمایی، و مدل‌های ترانزیستور را پوشش می‌دهم و تنها به طور خلاصه اشاره می‌کنم که حالت اشباع نامطلوب است. از آنجا که مدل T کاربرد محدودی در تحلیل دارد و شهود کمی به همراه دارد (به خصوص برای افزاره‌های موس)، من آن را در این کتاب حذف کرده‌ام.

📢 فصل ۵: تقویت‌کننده‌های دوقطبی

📈 این طولانی‌ترین فصل کتاب است که پایه‌ی لازم را برای تمام کارهای بعدی در الکترونیک بنا مینهد. با دنبال کردن یک رویکرد پایین به بالا (از پایه به پیشرفته)، این فصل مفاهیم حیاتی مانند امپدانس‌های ورودی و خروجی، بایاس کردن و تحلیل سیگنال کوچک را تثبیت می‌کند.

🧩 در حین نوشتن کتاب، به فکر تجزیه فصل ۵ به دو فصل بودم، یکی در مورد مفاهیم فوق و دیگری در مورد توپولوژی‌های تقویت‌کننده دوقطبی، به طوری که اساتیدی که ترجیح می‌دهند مستقیماً به سراغ مدارهای موس بروند، بتوانند از دومی صرف‌نظر کنند. با این حال، تدریس مفاهیم کلی مستلزم استفاده از ترانزیستورها است و چنین تفکیکی را دشوار می‌کند.

⏱️ فصل ۵ به آرامی پیش می‌رود و گام به گام مفهوم سنتز و طراحی را تقویت می‌کند و توپولوژی‌های مداری را با کمک مثال‌های «چه می‌شود اگر؟» بررسی می‌نماید. مانند فصل‌های ۲ و ۴، استاد می‌تواند با سرعت بالاتری حرکت کند و بخش زیادی از متن را برای مطالعه خود دانشجویان بگذارد. در یک سیستم ترمی فشرده، من تمام فصل را پوشش می‌دهم و به طور مکرر بر مفاهیم نشان داده شده در شکل ۵.۷ (امپدانس دیده شده از نگاه به بیس، امیتر یا کلکتور) تأکید می‌کنم. با اختصاص حدود دو (شاید دو و نیم) هفته به این فصل، کلاس‌های درس باید دقیقاً طراحی شوند تا اطمینان حاصل شود مفاهیم اصلی در کلاس منتقل می‌شوند.

🦾 فصل ۶: فیزیک افزاره‌های موس

🔌 این فصل موازی با فصل ۴ است و ترانزیستور اثر میدانی موس‌فت را به عنوان یک منبع جریان کنترل‌شده با ولتاژ معرفی کرده و مشخصات آن را استخراج می‌کند. با توجه به زمان محدودی که عموماً برای پوشش مباحث با آن مواجه هستیم، من فقط بحث کوتاهی از اثر بدنه (بادی افکت) و اشباع سرعت را گنجانده‌ام و از این پدیده‌ها برای بقیه کتاب صرف‌نظر کرده‌ام. من تمام این فصل را در اولین درس خودمان پوشش می‌دهم.

📡 فصل ۷: تقویت‌کننده‌های سی‌موس

🛰️ با بهره‌گیری گسترده از پایه‌های ایجاد شده در فصل ۵، این فصل به تقویت‌کننده‌های موس می‌پردازد اما با سرعتی بالاتر. من تمام این فصل را در اولین درس خودمان پوشش می‌دهم.

📦 فصل ۸: تقویت‌کننده عملیاتی به عنوان یک جعبه سیاه

🔋 این فصل که به مدارهای مبتنی بر اپ‌امپ می‌پردازد، به گونه‌ای نوشته شده است که می‌توان آن را تقریباً با هر ترتیبی نسبت به سایر فصل‌ها تدریس کرد. ترجیح خود من این است که این فصل را پس از مطالعه توپولوژی‌های تقویت‌کننده پوشش دهم، به طوری که دانشجویان یک درک اولیه از مدارهای داخلی اپ‌امپ‌ها و محدودیت‌های بهره آن داشته باشند. تدریس این فصل در اواخر درس اول همچنین اپ‌امپ‌ها را به تقویت‌کننده‌های تفاضلی (فصل ۱۰) نزدیک‌تر می‌کند و در نتیجه به دانشجویان اجازه می‌دهد تا ارتباط و اهمیت هر کدام را درک کنند. من تمام این فصل را در اولین درس خودمان پوشش می‌دهم.

⛓️ فصل ۹: کسکودها و آینه‌های جریان

💎 این فصل به عنوان یک گام مهم به سوی طراحی مدارهای مجتمع عمل می‌کند. مطالعه کسکودها و آینه‌های جریان در اینجا همچنین پس‌زمینه لازم را برای ساخت جفت‌های تفاضلی با بارهای فعال یا کسکودها در فصل ۱۰ فراهم می‌کند. از این فصل به بعد، مدارهای دوقطبی و موس با هم پوشش داده می‌شوند و شباهت‌ها و تضادهای مختلف بین آن‌ها مورد اشاره قرار می‌گیرد. در دومین درس مایکروالکترونیک ما، من تمام مباحث این فصل را در حدود دو هفته پوشش می‌دهم.

⚖️ فصل ۱۰: تقویت‌کننده‌های تفاضلی

📊 این فصل به رفتار سیگنال بزرگ و سیگنال کوچک تقویت‌کننده‌های تفاضلی می‌پردازد. دانشجویان ممکن است تعجب کنند که چرا رفتار سیگنال بزرگ تقویت‌کننده‌های مختلف را در فصل‌های ۵ و ۷ مطالعه نکردیم؛ بنابراین من توضیح می‌دهم که جفت تفاضلی یک مدار چندمنظوره است و در هر دو رژیم کاری استفاده می‌شود. من تمام این فصل را در درس دوم خودمان پوشش می‌دهم.

🔊 فصل ۱۱: پاسخ فرکانسی

⏳ این فصل با شروع از مرور مفاهیم پایه مانند قوانین بود، مدل فرکانس بالای ترانزیستورها را معرفی می‌کند و پاسخ فرکانسی تقویت‌کننده‌های پایه را تحلیل می‌نماید. من تمام این فصل را در درس دوم خودمان پوشش می‌دهم.

🔄 فصل ۱۲: فیدبک و پایداری

🌀 اکثر اساتید هم‌عقیده‌اند که دانشجویان فیدبک را سخت‌ترین مبحث در مایکروالکترونیک مقطع کارشناسی می‌دانند. به همین دلیل، من تلاش زیادی کرده‌ام تا یک فرآیند گام به گام برای تحلیل مدارهای فیدبک ایجاد کنم، به خصوص در جاهایی که اثرات بارگذاری ورودی و خروجی باید در نظر گرفته شوند. مانند فصل‌های ۲ و ۵، این فصل با سرعتی عمداً آهسته پیش می‌رود و به دانشجویان اجازه می‌دهد با هر مفهوم راحت شوند و نکات تدریس شده در هر مثال را درک کنند. من تمام این فصل را در درس دوم خودمان پوشش می‌دهم.

🔮 فصل ۱۳: نوسان‌سازها

🌌 این فصل جدید به هر دو نوع نوسان‌سازهای گسسته و مجتمع می‌پردازد. این مدارها هم در کاربردهای واقعی مهم هستند و هم در تقویت مفاهیم فیدبک که قبلاً آموزش داده شده‌اند مفید می‌باشند. این فصل را می‌توان به راحتی در یک سیستم دو ترمی (ترم‌های استاندارد طولانی) پوشش داد.

⚡ فصل ۱۴: طبقات خروجی و تقویت‌کننده‌های توان

🔋 این فصل به بررسی مدارهایی می‌پردازد که سطوح توان بالاتری نسبت به مدارهای در نظر گرفته شده در فصل‌های قبلی ارائه می‌دهند. توپولوژی‌هایی مانند طبقات پوش‌پول و محدودیت‌های آن‌ها تحلیل می‌شوند. این فصل می‌تواند در یک سیستم دو ترمی پوشش داده شود.

🔮 فصل ۱۵: فیلترهای آنالوگ

🏁 این فصل درک پایه‌ای از فیلترهای پسیو و اکتیو فراهم می‌کند و دانشجو را برای متن‌های پیشرفته‌تر در این زمینه آماده می‌سازد. این فصل نیز می‌تواند به راحتی در یک سیستم دو ترمی پوشش داده شود.

💻 فصل ۱۶: مدارهای سی‌موس دیجیتال

💾 این فصل برای درس‌های مایکروالکترونیکی نوشته شده است که شامل مقدمه‌ای بر مدارهای دیجیتال به عنوان آمادگی برای درس‌های بعدی در این زمینه هستند. با توجه به محدودیت‌های زمانی در سیستم‌های ترمی فشرده و استاندارد، من مدارهای TTL و ECL را در اینجا حذف کرده‌ام.

📡 فصل ۱۷: تقویت‌کننده‌های سی‌موس

🛰️ این فصل برای درس‌هایی نوشته شده است که مدارهای سی‌موس را قبل از مدارهای دوقطبی پوشش می‌دهند. همان‌طور که قبلاً توضیح داده شد، این فصل فیزیک افزاره‌های موس را دنبال می‌کند و در اصل شبیه به فصل ۵ است اما به همتایان موس می‌پردازد.

🎯 مجموعه مسائل

✏️ علاوه بر مثال‌های متعدد، هر فصل یک مجموعه مسئله نسبتاً بزرگ را در انتها ارائه می‌دهد. برای هر مفهوم پوشش داده شده در فصل، من با مسائل ساده و اعتمادبنفس‌ساز شروع می‌کنم و به تدریج سطح دشواری را بالا می‌برم. به جز فصل‌های فیزیک افزاره، همه فصل‌ها همچنین مجموعه‌ای از مسائل طراحی را ارائه می‌دهند که دانشجویان را تشویق می‌کند تا «معکوس» کار کنند و مقادیر بایاس و/یا قطعات را برای برآورده کردن الزامات خاصی انتخاب نمایند.

🚀 اسپایس

💡 برخی از درس‌های پایه تئوری مدار ممکن است آشنایی با اسپایس را فراهم کنند، اما در اولین درس مایکروالکترونیک است که دانشجویان می‌توانند اهمیت ابزارهای شبیه‌سازی را درک کنند. پیوست الف این کتاب اسپایس را معرفی می‌کند و شبیه‌سازی مدار را با کمک مثال‌های متعدد آموزش می‌دهد. هدف، تسلط بر تنها زیرمجموعه‌ای از دستورات اسپایس است که اجازه شبیه‌سازی بیشتر مدارها را در این سطح می‌دهد. به دلیل زمان محدود کلاس، من از دستیاران آموزشی می‌خواهم که اسپایس را در یک جلسه ویژه عصرگاهی در اواسط ترم پوشش دهند—درست قبل از اینکه شروع به تعیین مسائل اسپایس کنم.

🛠️ بیشتر فصل‌ها شامل مسائل اسپایس هستند، اما من ترجیح می‌دهم اسپایس را فقط در نیمه دوم درس اول (در اواخر فصل ۵) معرفی کنم. این به دو دلیل است: (۱) دانشجویان ابتدا باید درک پایه و مهارت‌های تحلیلی خود را توسعه دهند، یعنی تکالیف خانه باید مفاهیم بنیادی را تمرین دهند؛ و (۲) دانشجویان فایده اسپایس را بسیار بهتر درک می‌کنند اگر مدار حاوی تعداد نسبتاً زیادی افزاره (مثلاً ۵ تا ۱۰) باشد.

📑 فهرست مطالب

1. مقدمه‌ای بر مایکروالکترونیک
2. فیزیک پایه نیمه‌هادی‌ها
3. مدل‌ها و مدارهای دیودی
4. فیزیک ترانزیستورهای دوقطبی
5. تقویت‌کننده‌های دوقطبی
6. فیزیک ترانزیستورهای موس
7. تقویت‌کننده‌های سی‌موس
8. تقویت‌کننده عملیاتی به عنوان یک جعبه سیاه
9. طبقات کسکود و آینه‌های جریان
10. تقویت‌کننده‌های تفاضلی
11. پاسخ فرکانسی
12. فیدبک و پایداری
13. نوسان‌سازها
14. طبقات خروجی و تقویت‌کننده‌های توان
15. فیلترهای آنالوگ
16. مدارهای سی‌موس دیجیتال
17. تقویت‌کننده‌های سی‌موس

✍️ درباره نویسنده

بهزاد رضوی مدرک کارشناسی مهندسی برق خود را در سال ۱۹۸۵ از دانشگاه صنعتی شریف و مدارک کارشناسی ارشد و دکتری مهندسی برق خود را به ترتیب در سال‌های ۱۹۸۸ و ۱۹۹۲ از دانشگاه استنفورد دریافت کرد. او تا سال ۱۹۹۶ در آزمایشگاه‌های بل ای‌تی‌اندتی و آزمایشگاه‌های هیولت پاکارد مشغول به کار بود. از سال ۱۹۹۶، او دانشیار و متعاقباً استاد مهندسی برق در دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس بوده است. تحقیقات فعلی او شامل فرستنده-گیرنده‌های بی‌سیم، سینتی‌سایزرهای فرکانس، قفل فاز و بازیابی کلاک برای ارتباطات داده‌ای با سرعت بالا، و مبدل‌های داده است.

پروفسور رضوی از سال ۱۹۹۲ تا ۱۹۹۴ استاد مدعو در دانشگاه پرینستون و در سال ۱۹۹۵ در دانشگاه استنفورد بود. او از سال ۱۹۹۳ تا ۲۰۰۲ در کمیته‌های برنامه فنی کنفرانس بین‌المللی مدارهای حالت جامد (ISSCC) و از سال ۱۹۹۸ تا ۲۰۰۲ در سمپوزیوم مدارهای VLSI خدمت کرد. او همچنین به عنوان ادیتور مهمان و ادیتور وابسته مجله مدارهای حالت جامد IEEE، تراکنش‌های IEEE در مدارها و سیستم‌ها، و مجله بین‌المللی الکترونیک سرعت بالا خدمت کرده است.

پروفسور رضوی جایزه بیاتریس وینر را برای برتری در ویراستاری در ISSCC سال ۱۹۹۴، جایزه بهترین مقاله را در کنفرانس مدارهای حالت جامد اروپا در سال ۱۹۹۴، جایزه بهترین پنل را در ISSCC سال‌های ۱۹۹۵ و ۱۹۹۷، جایزه آموزش نوآورانه TRW را در سال ۱۹۹۷، جایزه بهترین مقاله را در کنفرانس مدارهای مجتمع سفارشی IEEE در سال ۱۹۹۸، و جایزه ویرایش اول سال مک‌گرو هیل را در سال ۲۰۰۱ دریافت کرد. او دریافت‌کننده مشترک هر دو جایزه مقاله دانشجویی برجسته جک کیلبی و جایزه بیاتریس وینر برای برتری در ویراستاری در ISSCC سال ۲۰۰۱ بود. او جایزه برتری در آموزش لاکهید مارتین را در سال ۲۰۰۶، جایزه آموزش سنای دانشگاهی UCLA را در سال ۲۰۰۷، و جایزه بهترین مقاله دعوت‌شده CICC را در سال‌های ۲۰۰۹ و ۲۰۱۱۲ دریافت کرد. او دریافت‌کننده مشترک جایزه بهترین مقاله دانشجویی سمپوزیوم مدارهای VLSI در سال ۲۰۱۲ بود.

او همچنین به عنوان یکی از ۱۰ نویسنده برتر در تاریخ ۵۰ ساله ISSCC شناخته شد. پروفسور رضوی جایزه دونالد پدرسون IEEE را در مدارهای حالت جامد در سال ۲۰۱۱ دریافت کرد. پروفسور رضوی فلو IEEE است، به عنوان مدرس برجسته IEEE خدمت کرده است، و نویسنده کتاب‌های طراحی سیستم مبدل داده، مایکروالکترونیک فرکانس رادیویی (ترجمه شده به چینی، ژاپنی و کره‌ای)، طراحی مدارهای مجتمع سی‌موس آنالوگ (ترجمه شده به چینی، ژاپنی و کره‌ای)، طراحی مدارهای مجتمع برای ارتباطات نوری، و اصول مایکروالکترونیک (ترجمه شده به کره‌ای و پرتغالی) است. او همچنین ادیتور حلقه‌های قفل فاز یکپارچه و مدارهای بازیابی کلاک و قفل فاز در سیستم‌های با کارایی بالا است.

💡 The first edition of this book was published in 2008 and has been adopted by numerous universities around the globe for undergraduate microelectronics education. Following is a detailed description of each chapter with my teaching and learning recommendations.

📚 Coverage of Chapters

🔍 The material in each chapter can be decomposed into three categories: (1) essential concepts that the instructor should cover in the lecture, (2) essential skills that the students must develop but cannot be covered in the lecture due to the limited time, and (3) topics that prove useful but may be skipped according to the instructor's preference.¹ Summarized below are overviews of the chapters showing which topics should be covered in the classroom.

📝 Chapter 1: Introduction to Microelectronics

🎯 The objective of this chapter is to provide the “big picture” and make the students comfortable with analog and digital signals. I spend about 30 to 45 minutes on Sections 1.1 and 1.2, leaving the remainder of the chapter (Basic Concepts) for the teaching assistants to cover in a special evening session in the first week.

🔬 Chapter 2: Basic Semiconductor Physics

⚙️ Providing the basics of semiconductor device physics, this chapter deliberately proceeds at a slow pace, examining concepts from different angles and allowing the students to digest the material as they read on. A terse language would shorten the chapter but require that the students reread the material multiple times in their attempt to decipher the prose.

💡 It is important to note, however, that the instructor's pace in the classroom need not be as slow as that of the chapter. The students are expected to read the details and the examples on their own so as to strengthen their grasp of the material. The principal point in this chapter is that we must study the physics of devices so as to construct circuit models for them. In a quarter system, I cover the following concepts in the lecture: electrons and holes; doping; drift and diffusion; pn junction in equilibrium and under forward and reverse bias.

⚡ Chapter 3: Diode Models and Circuits

🛠️ This chapter serves four purposes: (1) make the students comfortable with the pn junction as a nonlinear device; (2) introduce the concept of linearizing a nonlinear model to simplify the analysis; (3) cover basic circuits with which any electrical engineer must be familiar, e.g., rectifiers and limiters; and (4) develop the skills necessary to analyze heavily-nonlinear circuits, e.g., where it is difficult to predict which diode turns on at what input voltage. Of these, the first three are essential and should be covered in the lecture, whereas the last depends on the instructor's preference. (I cover it in my lectures.) In the interest of time, I skip a number of sections in a quarter system, e.g., voltage doublers and level shifters.

🎛️ Chapter 4: Physics of Bipolar Transistors

📐 Beginning with the use of a voltage-controlled current source in an amplifier, this chapter introduces the bipolar transistor as an extension of pn junctions and derives its small-signal model. As with Chapter 2, the pace is relatively slow, but the lectures need not be. I cover structure and operation of the bipolar transistor, a very simplified derivation of the exponential characteristic, and transistor models, mentioning only briefly that saturation is undesirable. Since the T-model of limited use in analysis and carries little intuition (especially for MOS devices), I have excluded it in this book.

📢 Chapter 5: Bipolar Amplifiers

📈 This is the longest chapter in the book, building the foundation necessary for all subsequent work in electronics. Following a bottom-up approach, this chapter establishes critical concepts such as input and output impedances, biasing, and small-signal analysis.

🧩 While writing the book, I contemplated decomposing Chapter 5 into two chapters, one on the above concepts and another on bipolar amplifier topologies, so that the latter could be skipped by instructors who prefer to continue with MOS circuits instead. However, teaching the general concepts does require the use of transistors, making such a decomposition difficult.

⏱️ Chapter 5 proceeds slowly, reinforcing, step-by-step, the concept of synthesis and exploring circuit topologies with the aid of “What if?” examples. As with Chapters 2 and 4, the instructor can move at a faster pace and leave much of the text for the students to read on their own. In a quarter system, I cover all of the chapter, frequently emphasizing the concepts illustrated in Figure 5.7 (the impedance seen looking into the base, emitter, or collector). With about two (perhaps two and half) weeks allotted to this chapter, the lectures must be precisely designed to ensure the main concepts are imparted in the classroom.

🦾 Chapter 6: Physics of MOS Devices

🔌 This chapter parallels Chapter 4, introducing the MOSFET as a voltage-controlled current source and deriving its characteristics. Given the limited time that we generally face in covering topics, I have included only a brief discussion of the body effect and velocity saturation and neglected these phenomena for the remainder of the book. I cover all of this chapter in our first course.

📡 Chapter 7: CMOS Amplifiers

🛰️ Drawing extensively upon the foundation established in Chapter 5, this chapter deals with MOS amplifiers but at a faster pace. I cover all of this chapter in our first course.

📦 Chapter 8: Operational Amplifier as a Black Box

🔋 Dealing with op-amp-based circuits, this chapter is written such that it can be taught in almost any order with respect to other chapters. My own preference is to cover this chapter after amplifier topologies have been studied, so that the students have some bare understanding of the internal circuitry of op amps and its gain limitations. Teaching this chapter near the end of the first course also places op amps closer to differential amplifiers (Chapter 10), thus allowing the students to appreciate the relevance of each. I cover all of this chapter in our first course.

⛓️ Chapter 9: Cascodes and Current Mirrors

💎 This chapter serves as an important step toward integrated circuit design. The study of cascodes and current mirrors here also provides the necessary background for constructing differential pairs with active loads or cascodes in Chapter 10. From this chapter on, bipolar and MOS circuits are covered together and various similarities and contrasts between them are pointed out. In our second microelectronics course, I cover all of the topics in this chapter in approximately two weeks.

⚖️ Chapter 10: Differential Amplifiers

📊 This chapter deals with large-signal and small-signal behavior of differential amplifiers. The students may wonder why we did not study the large-signal behavior of various amplifiers in Chapters 5 and 7; so I explain that the differential pair is a versatile circuit and is utilized in both regimes. I cover all of this chapter in our second course.

🔊 Chapter 11: Frequency Response

⏳ Beginning with a review of basic concepts such as Bode's rules, this chapter introduces the high-frequency model of transistors and analyzes the frequency response of basic amplifiers. I cover all of this chapter in our second course.

🔄 Chapter 12: Feedback and Stability

🌀 Most instructors agree the students find feedback to be the most difficult topic in undergraduate microelectronics. For this reason, I have made great effort to create a step-by-step procedure for analyzing feedback circuits, especially where input and output loading effects must be taken into account. As with Chapters 2 and 5, this chapter proceeds at a deliberately slow pace, allowing the students to become comfortable with each concept and appreciate the points taught by each example. I cover all of this chapter in our second course.

🔮 Chapter 13: Oscillators

🌌 This new chapter deals with both discrete and integrated oscillators. These circuits are both important in real-life applications and helpful in enhancing the feedback concepts taught previously. This chapter can be comfortably covered in a semester system.

⚡ Chapter 14: Output Stages and Power Amplifiers

🔋 This chapter studies circuits that deliver higher power levels than those considered in previous chapters. Topologies such as push-pull stages and their limitations are analyzed. This chapter can be covered in a semester system.

🔮 Chapter 15: Analog Filters

🏁 This chapter provides a basic understanding of passive and active filters, preparing the student for more advanced texts on the subject. This chapter can also be comfortably covered in a semester system.

💻 Chapter 16: Digital CMOS Circuits

💾 This chapter is written for microelectronics courses that include an introduction to digital circuits as a preparation for subsequent courses on the subject. Given the time constraints in quarter and semester systems, I have excluded TTL and ECL circuits here.

📡 Chapter 17: CMOS Amplifiers

🛰️ This chapter is written for courses that cover CMOS circuits before bipolar circuits. As explained earlier, this chapter follows MOS device physics and, in essence, is similar to Chapter 5 but deals with MOS counterparts.

🎯 Problem Sets

✏️ In addition to numerous examples, each chapter offers a relatively large problem set at the end. For each concept covered in the chapter, I begin with simple, confidence-building problems and gradually raise the level of difficulty. Except for the device physics chapters, all chapters also provide a set of design problems that encourage students to work “in reverse” and select the bias and/or component values to satisfy certain requirements.

🚀 SPICE

💡 Some basic circuit theory courses may provide exposure to SPICE, but it is in the first microelectronics course that the students can appreciate the importance of simulation tools. Appendix A of this book introduces SPICE and teaches circuit simulation with the aid of numerous examples. The objective is to master only a subset of SPICE commands that allow simulation of most circuits at this level. Due to the limited lecture time, I ask the teaching assistants to cover SPICE in a special evening session around the middle of the quarter—just before I begin to assign SPICE problems.

🛠️ Most chapters contain SPICE problems, but I prefer to introduce SPICE only in the second half of the first course (toward the end of Chapter 5). This is for two reasons: (1) the students must first develop their basic understanding and analytical skills, i.e., the homeworks must exercise the fundamental concepts; and (2) the students appreciate the utility of SPICE much better if the circuit contains a relatively large number of devices (e.g., 5-10).

📑 Table of Contents

1. Introduction to Microelectronics

2. Basic Physics of Semiconductors

3. Diode Models and Circuits

4. Physics of Bipolar Transistors

5. Bipolar Amplifiers

6. Physics of MOS Transistors

7. CMOS Amplifiers

8. Operational Amplifier as a Black Box

9. Cascode Stages and Current Mirrors

10. Differential Amplifiers

11. Frequency Response

12. Feedback and Stability

13. Oscillators

14. Output Stages and Power Amplifiers

15. Analog Filters

16. Digital CMOS Circuits

17. CMOS Amplifiers

✍️ About the Author

Behzad Razavi received the BSEE degree from Sharif University of Technology in 1985 and the MSEE and PhDEE degrees from Stanford University in 1988 and 1992, respectively. He was withAT&TBell Laboratories and Hewlett-Packard Laboratories until 1996. Since 1996, he has been Associate Professor and subsequently Professor of electrical engineering at University of California, Los Angeles. His current research includes wireless transceivers, frequency synthesizers, phase-locking and clock recovery for high-speed data communications, and data converters.

Professor Razavi was an Adjunct Professor at Princeton University from 1992 to 1994, and at Stanford University in 1995. He served on the Technical Program Committees of the International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) from 1993 to 2002 and VLSI Circuits Symposium from 1998 to 2002. He has also served as Guest Editor and Associate Editor of the IEEE Journal of Solid-State Circuits, IEEE Transactions on Circuits and Systems, and International Journal of High Speed Electronics.

Professor Razavi received the BeatriceWinner Award for Editorial Excellence at the 1994 ISSCC, the best paper award at the 1994 European Solid-State Circuits Conference, the best panel award at the 1995 and 1997 ISSCC, the TRWInnovative TeachingAward in 1997, the best paper award at the IEEE Custom Integrated Circuits Conference in 1998, and the McGraw-Hill First Edition of the Year Award in 2001. He was the co-recipient of both the Jack Kilby Outstanding Student Paper Award and the Beatrice Winner Award for Editorial Excellence at the 2001 ISSCC. He received the Lockheed Martin Excellence in Teaching Award in 2006, the UCLA Faculty Senate Teaching Award in 2007, and the CICC Best Invited Paper Award in 2009 and 2012. He was the co-recipient of the 2012 VLSI Circuits Symposium Best Student Paper Award.

He was also recognized as one of the top 10 authors in the 50-year history of ISSCC. Professor Razavi received the IEEE Donald Pederson Award in Solid-State Circuits in 2011. Professor Razavi is a Fellow of IEEE, has served as an IEEE Distinguished Lecturer, and is the author of Principles of Data Conversion System Design, RF Microelectronics (translated to Chinese, Japanese, and Korean), Design of Analog CMOS Integrated Circuits (translated to Chinese, Japanese, and Korean), Design of Integrated Circuits for Optical Communications, and Fundamentals of Microelectronics (translated toKorean and Portuguese). He is also the editor of Monolithic Phase-Locked Loops and Clock Recovery Circuits and Phase-Locking in High-Performance Systems.