CMOS电路活用技巧 (日)大幸秀成著 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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日大幸秀成著 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030341365

商品编码：29329496738

包装：平装

出版时间：2012-06-01

基本信息

书名：CMOS电路活用技巧

定价：35.00元

作者：(日)大幸秀成著

出版社：科学出版社

出版日期：2012-06-01

ISBN：9787030341365

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.359kg

编辑推荐

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内容提要

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本书以CMOS的小构成电路反相器为焦点，介绍CMOS器件的特点、结构、设计规则及制造方法。以标准逻辑电路为例，介绍了组合逻辑电路、时序逻辑电路的定义、基本电路结构及其应用举例。进而，介绍了接口的技巧和目前备受关注的模拟技术等。本书还涉及大规模集成电路（LSI）的话题，介绍其分类及发展趋势，以及ASIC和存储器的基本技术。
本书可供半导体制造行业的技术人员阅读，也可供电子等相关专业师生参考。

目录

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章 CMOS器件的现状
1.1 半导体器件的分类
1.2 CMOS器件的特征
1.3 CMOS产品的种类和特点
第2章 CMOS的结构
2.1 CMOS的结构
2.2 设计规则
2.3 CMOS的制造工程
2.3.1 衬底材料的制作
2.3.2 前工序
2.3.3 后工序
第3章 CMOS的基本特性与逻辑电路的基本结构
3.1 CMOS的基本特性
3.1.1 N-ch MOS FET的特性表达式
3.1.2 P-ch MOS FET的特性表达式
3.1.3 CMOS反相器的特性
3.1.4 逻辑阈值电压
3.1.5 过渡区中的输出电压
3.1.6 电阻近似
3.2 CMOS的特点
3.2.1 功率消耗小
3.2.2 能够在低电压下工作/工作电压范围宽
3.2.3 噪声余量大
3.2.4 容易集成化
3.2.5 输入阻抗高
3.2.6 基于输入电容的初次记忆
3.3 基本逻辑电路
3.4 正逻辑与负逻辑
3.5 基本电路
3.5.1 反相器
3.5.2 NAND门
3.5.3 NOR门
3.5.4 AND,OR门
3.5.5 传输门
3.5.6 时钟脉冲门
3.5.7 Exclusive OR/NOR门
3.5.8 触发器
3.6 CMOS的保护电路
3.6.1 输入保护电路
3.6.2 输出的保护
3.6.3 电源/GND浮动时的保护
第4章 CMOS器件的种类与特征
4.1 CMOS标准逻辑
4.1.1 双极逻辑的诞生
4.1.2 CMOS逻辑的诞生
4.2 74***型的魅力
4.2.1 BiCMOS逻辑的特征
4.2.2 ECL的特征
4.2.3 ASIC的问世与标准逻辑的需要
4.2.4 单门逻辑的诞生
4.2.5 低电压化的趋势
4.2.6 封装的发展趋势
4.3 存储器
4.3.1 ROM
4.3.2 RAM
4.4 ASIC的种类与特征
4.4.1 ASIC化的潮流
4.4.2 半定制
4.4.3 PLD
4.4.4 门阵列
4.4.5 标准单元
4.4.6 全定制LSI
4.5 半定制LSI的设计方法
第5章 标准逻辑IC的功能与使用方法
5.1 组合逻辑电路
5.1.1 门电路
5.1.2 门电路的应用举例
5.1.3 特殊门电路
5.1.4 开路漏极
5.1.5 模拟开关
5.1.6 总线缓冲器
5.1.7 双向总线缓冲器
5.1.8 总线缓冲器与总线的连接
5.1.9 多路转换器/逆多路转换器/选择器
5.1.10 在多变数1输出逻辑电路中的应用
5.1.11 译码器/编码器
5.1.12 使用译码器的CPU周边LSI的选择
5.2 时序逻辑电路
5.2.1 锁存器
5.2.2 锁存器的应用举例
5.2.3 总线数据的暂存记忆
5.3 触发器
5.3.1 触发器的动作
5.3.2 触发器的应用举例
5.3.3 总线的数据分配和保持电路
5.3.4 计数器
5.3.5 计数器的串级连接举例
5.3.6 移位寄存器
5.3.7 移位寄存器的应用举例
5.3.8 单稳多谐振荡器
5.3.9 单稳多谐振荡器的应用举例
第6章 CMOS逻辑IC的特性
6.1 CMOS器件的接口
6.2 CMOS器件的标准接口
6.2.1 CMOS的输入输出特性
6.2.2 CMOS电平与TTL电平
6.2.3 CMOS电平的趋势
6.3 接口的专门技术
6.3.1 扇出端数
6.3.2 三态输出与输出冲突
6.3.3 上冲/下冲,反射,激振噪声
6.3.4 线连“或”电路与从低电压向高电压的电平变换
6.4 电压变换接口
6.4.1 从高电压向低电压变换的接口
6.4.2 输出的容忍功能
6.4.3 从低电压向高电压变换的接口
6.4.4 高→低/低→高双向电压变换接口
6.5 冒险
6.5.1 冒险引起的故障
6.5.2 晶体管与CMOS逻辑的接口
6.5.3 高速接口(单端与差动传送)概要
6.5.4 单端
6.5.5 差动传送(异动)
第7章 CMOS器件的失效模式
7.1 器件自身的失效
7.1.1 早期失效
7.1.2 偶然失效
7.1.3 耗损失效
7.2 失效模式
7.3 外来因素引起的失效
7.3.1 ESD造成的损伤
7.3.2 闩锁造成的损伤
第8章 器件模拟与传输模拟
8.1 SPICE与IBIS
8.1.1 SPICE
8.1.2 IBIS
8.1.3 IMIC
8.2 LSI设计流程
8.3 基于SPICE的器件/电路模拟
8.3.1 器件模拟
8.3.2 电路模拟
8.3.3 SPICE模拟器的功能
8.4 传输模拟
8.4.1 数字信号的误解
8.4.2 信号完整的基础——方波是危险的
8.4.3 传输信号的高速化技巧
8.4.4 传输线的等效电路
8.4.5 基于IBIS的传输模拟
8.4.6 EMI的法规
参考文献

作者介绍

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大幸秀成
1982年毕业于爱媛大学电气工程专业，进入东京芝浦电气株式会社（现在的东芝）半导体事业本部，从事CMOS技术的标准逻辑工作。致力于推进日本与欧美厂商的产品共同开发及全球标准化。现在依然从事和CMOS相关的产品开发及技术市场工作。
主要著作：
《基本·C-MOS標準ロジックIC活用マスタ》（CQ出版社）

文摘

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序言

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CMOS电路设计与应用：从原理到实践的深度解析 引言 数字时代的飞速发展，离不开支撑其核心的半导体技术，而CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）作为当前最主流的集成电路制造工艺，其重要性不言而喻。从我们日常使用的智能手机、电脑，到尖端的服务器、数据中心，再到物联网（IoT）设备、汽车电子乃至航空航天领域，CMOS电路的身影无处不在。理解CMOS电路的工作原理，掌握其设计技巧，并能将其有效地应用于实际产品中，是每一个电子工程师、IC设计者必备的核心技能。 本书旨在为读者提供一个全面、深入的CMOS电路设计与应用的学习路径。我们不仅仅局限于对基本概念的介绍，更注重将理论知识与实践经验相结合，引导读者从“知道”到“做到”，最终能够独立完成高性能、低功耗CMOS电路的设计与优化。本书涵盖了从CMOS技术基础、基本逻辑门电路、存储单元，到更复杂的时序电路、数据转换器、射频电路等广泛主题。通过循序渐进的讲解和丰富的实例分析，读者将逐步建立起扎实的CMOS电路设计知识体系，并掌握实际应用中的关键技术和方法。 第一部分：CMOS电路基础与核心元件 CMOS技术的原理与优势： MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的结构与工作机制：深入解析P沟道MOSFET（PMOS）和N沟道MOSFET（NMOS）的PN结、栅极、源极、漏极等结构，以及其在不同工作区域（截止区、线性区、饱和区）的特性。详细阐述栅电压如何控制沟道电导，以及电荷载流子的运动过程。 互补CMOS（CCMOS）结构：讲解PMOS和NMOS如何协同工作，形成低功耗、高驱动能力的CMOS逻辑门。分析其静态功耗极低的根本原因，以及为何成为主流。 CMOS工艺的演进与关键参数：介绍亚微米、深亚微米、纳米级CMOS工艺的特点，如栅氧化层厚度、沟道长度、晶体管阈值电压、漏电电流等对电路性能的影响。探讨工艺参数对功耗、速度、可靠性的制约与优化方向。 CMOS的优势分析：系统梳理CMOS技术相对于BJT（双极结型晶体管）等技术的优势，如低静态功耗、高集成度、良好的噪声容限、易于制造等，解释其在现代电子产品中的统治地位。 CMOS基本逻辑门电路的设计与分析： CMOS反相器（Inverter）：详细推导反相器的电压传输特性曲线（VTC），分析其噪声容限（NMOS/NMP）以及如何通过改变PMOS/NMOS的尺寸来优化其速度和功耗。介绍反相器的时序特性，如传播延迟（Propagation Delay）和上升/下降时间（Rise/Fall Time）。 CMOS NAND门和NOR门：讲解NAND门和NOR门的逻辑功能，以及其CMOS电路的实现方式。分析其在不同输入组合下的功耗和速度差异。 CMOS组合逻辑门（AND, OR, XOR, XNOR等）：介绍如何通过组合基本的NAND/NOR门或直接利用PMOS/NMOS阵列来实现更复杂的组合逻辑功能。探讨不同实现方式的性能权衡。 逻辑门的性能指标与优化：深入分析传播延迟、功耗（动态功耗和静态功耗）、噪声容限等关键指标，并介绍通过调整晶体管尺寸、选择合适的逻辑结构来优化这些指标的方法。 CMOS存储单元电路： 静态存储单元（Static Memory Cell）： SRAM（静态随机存取存储器）单元：详细解析6T SRAM单元的结构，包括驱动器（Driver）、预充电（Precharge）和输出控制（Access Transistor）部分。深入分析其读写操作的时序和信号时序图。探讨SRAM单元的稳定性（Stability）和功耗特性。 读写操作的时序分析：详细讲解SRAM单元在读取和写入数据时，行选择线（Word Line）、位线（Bit Line）和字线使能信号（Word Line Enable）之间的时序关系。 动态存储单元（Dynamic Memory Cell）： DRAM（动态随机存取存储器）单元：介绍1T1C（一个晶体管一个电容）DRAM单元的基本结构。解释电容如何存储电荷以表示数据，以及为什么需要周期性刷新（Refresh）。 读写操作与刷新机制：分析DRAM的读操作（破坏性读出）和写操作。详细阐述刷新操作的必要性、时序和对系统性能的影响。 DRAM与SRAM的比较：从存储密度、速度、功耗、成本等角度全面对比DRAM和SRAM的优缺点，以及它们在不同应用场景下的适用性。 第二部分：CMOS时序电路与高性能设计 CMOS触发器（Flip-Flop）与锁存器（Latch）： 基本触发器结构：讲解SR触发器、JK触发器、D触发器等基本时序电路的原理，以及它们在CMOS下的具体实现。 主从（Master-Slave）结构：深入分析主从D触发器的设计，以及它如何解决时钟毛刺（Clock Glitch）和亚稳态（Metastability）问题。 边沿触发（Edge-Triggered）与电平触发（Level-Triggered）：区分这两种触发方式，并讲解其在CMOS设计中的实现和应用。 时钟分配与时钟树：讨论如何有效地将时钟信号分配到数字电路中的各个触发器，介绍时钟树的平衡（Clock Tree Balancing）和延迟最小化技术，以减小时钟抖动（Clock Jitter）和偏斜（Clock Skew）。 状态机（State Machine）设计： 有限状态机（Finite State Machine, FSM）：介绍Mealy型和Moore型状态机的概念，以及它们的区别。 状态机设计流程：讲解如何从需求规格描述出发，进行状态编码、状态转换表（State Transition Table）和输出表（Output Table）的绘制，以及最终生成硬件描述语言（HDL）代码。 状态机的优化：探讨状态编码优化（如二进制编码、格雷码编码）对触发器数量、逻辑复杂度以及电路速度和功耗的影响。 亚稳态（Metastability）的产生与避免： 亚稳态的定义与产生条件：深入分析在异步信号跨时钟域（Clock Domain Crossing, CDC）时，触发器可能进入亚稳态的原因。 亚稳态的检测与缓解：介绍如何通过同步器（Synchronizer），如两级D触发器同步器，来检测和降低亚稳态的发生概率。 CDC设计的最佳实践：总结跨时钟域设计的注意事项和常用方法，确保设计的鲁棒性。 低功耗CMOS设计技术： 功耗的来源分析：详细剖析CMOS电路的动态功耗（充放电功耗、短路功耗）和静态功耗（漏电功耗）。 降低动态功耗：介绍通过降低工作电压（Voltage Scaling）、降低时钟频率（Frequency Scaling）、优化电路结构、使用多阈值电压（Multi-Vt）技术等方法来减少动态功耗。 降低静态功耗：探讨门控时钟（Clock Gating）、电源门控（Power Gating）、选择性电路关闭（Sleep Mode）等技术在降低漏电功耗中的作用。 动态电压和频率调整（DVFS）：讲解如何根据实际工作负载动态调整电压和频率，以实现最优的功耗-性能平衡。 CMOS电路的版图设计与物理实现： 器件的物理结构：回顾MOSFET的物理结构，以及衬底、源漏区域、栅极、氧化层等在版图中的表示。 互连线与寄生效应：讲解金属层、通孔（Via）在版图中的布局，以及互连线带来的电阻和电容效应。重点分析寄生电阻和寄生电容对电路速度和功耗的影响。 版图规则检查（DRC）和提取（Extraction）：介绍DRC的重要性，确保版图符合制造工艺规则。讲解寄生参数提取（LVS, Layout Versus Schematic）的意义，用于验证版图与原理图的一致性。 版图优化与设计规则（DRC）：探讨如何通过合理的器件和互连线布局来减小寄生效应，提高电路性能。理解不同的制造工艺对版图设计的要求。 第三部分：CMOS高级应用与接口设计 CMOS数据转换器（Data Converters）： 模数转换器（ADC）： ADC的基本原理与分类：介绍ADC将模拟信号转换为数字信号的过程，以及SAR（逐次逼近型）、Flash（闪速型）、Delta-Sigma（$DeltaSigma$）等不同ADC架构的工作原理。 关键性能指标：详细解释分辨率（Resolution）、采样率（Sampling Rate）、信噪比（SNR）、有效位数（ENOB）等ADC的性能参数。 CMOS ADC设计实例：通过实例介绍CMOS SAR ADC或Flash ADC的设计流程和关键电路模块。 数模转换器（DAC）： DAC的基本原理与分类：介绍DAC将数字信号转换为模拟信号的过程，以及R-2R梯形网络、加权电阻网络等DAC架构。 关键性能指标：解释DAC的分辨率、建立时间（Settling Time）、积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）等参数。 CMOS DAC设计实例：通过实例介绍CMOS DAC的设计和实现。 CMOS射频（RF）电路设计： RF电路的基本概念：介绍RF信号的特点，如高频、低压、噪声敏感等。 CMOS RF电路模块：讲解低噪声放大器（LNA）、混频器（Mixer）、锁相环（PLL）频率合成器、功率放大器（PA）等RF前端模块的CMOS实现。 RF电路的布局与寄生效应：强调RF电路对版图敏感性，介绍如何处理高频寄生效应，如衬底噪声（Substrate Noise）、串扰（Crosstalk）等。 CMOS RF技术挑战：讨论CMOS RF设计面临的低Q值电感、高损耗传输线等技术挑战，以及相关的解决方案。 CMOS接口电路设计： 数字接口标准：介绍常见的数字接口协议，如USB（通用串行总线）、DDR（双倍数据速率）SDRAM接口、PCIe（外设组件互连 express）等，以及它们对CMOS驱动和接收电路的要求。 CMOS输入/输出（I/O）缓冲器：讲解不同类型的I/O缓冲器，如推挽（Push-Pull）输出、开漏（Open-Drain）输出、三态（Tri-State）输出等，以及它们在驱动能力、速度和功耗方面的特性。 阻抗匹配与信号完整性：分析高频数字信号在传输线上的信号完整性问题，如反射（Reflection）、过冲（Overshoot）、下冲（Undershoot）等，并介绍阻抗匹配、终端匹配等技术。 低压差分信号（LVDS）与高速串行接口：介绍LVDS等差分信号传输技术在提高抗干扰能力和传输速率方面的优势。 CMOS电路的测试与验证： 功能验证：介绍使用仿真工具（如SPICE）和硬件描述语言（HDL）仿真来验证电路的功能正确性。 性能测试：讲解如何通过仿真和实际硬件测试来评估电路的性能指标，如速度、功耗、噪声容限等。 故障诊断与调试：介绍在设计和测试过程中，如何识别和定位电路中的故障，以及常用的调试方法。 可测试性设计（Design for Testability, DFT）：讨论如何在设计阶段就考虑可测试性，如扫描链（Scan Chain）技术，以简化芯片的测试过程。 结论 CMOS电路设计是一个庞大而精深的领域，本书通过系统性的讲解和详实的分析，旨在为读者构建一个坚实的理论基础和丰富的实践经验。从理解MOSFET的基本原理，到掌握CMOS逻辑门的设计，再到深入学习时序电路、低功耗技术、数据转换器和RF电路，本书一步步引导读者进入CMOS电路设计的核心。通过对电路性能指标的深入剖析和实际应用场景的案例分析，读者将能够更好地理解设计决策背后的权衡，并掌握优化电路性能的关键技巧。 在日新月异的半导体技术浪潮中，CMOS电路的设计与应用始终是推动技术进步的核心驱动力之一。掌握CMOS电路的设计方法，不仅是成为一名优秀电子工程师的必经之路，更是能够引领未来技术发展方向的关键能力。本书提供了一个起点，希望能够激发读者对CMOS电路设计的浓厚兴趣，并在未来的学习和实践中不断探索和创新。

评分☆☆☆☆☆

一直以来，CMOS电路的设计都让我感觉像是在迷宫里摸索，理论知识繁杂，实际操作更是举步维艰。直到我读了《CMOS电路活用技巧》，才感觉拨开云雾见月明。这本书最让我称赞的地方在于它的“实用性”。它没有长篇大论地讲授那些脱离实际的理论，而是直接切入CMOS电路设计的核心问题，并且给出了切实可行的解决方案。 作者大幸秀成先生的写作风格非常严谨，但又不失趣味性。他能够用一种非常通俗易懂的语言来解释复杂的概念，并且会穿插一些生动有趣的例子，让学习过程不再枯燥。书中的插图更是功不可没，每一个重要的电路结构、每一个关键的设计步骤，都有清晰的图示辅助说明，大大降低了理解的难度。 我特别喜欢书中关于“调试”和“优化”的部分。在实际的电路设计中，调试往往是最耗时耗力的环节，而优化则是提升电路性能的关键。这本书在这两个方面都提供了非常丰富的技巧和方法，比如如何有效地进行仿真验证，如何找出电路中的瓶颈，以及如何通过修改电路参数来提升性能。这些都是经过实践检验的宝贵经验，对我来说简直是“救命稻草”。

评分☆☆☆☆☆

这本书真的太棒了！我刚拿到手就迫不及待地翻阅起来，里面的内容简直是为我量身定制的。我一直对CMOS电路很感兴趣，但总是觉得理论知识太枯燥，实践起来更是困难重重。这本《CMOS电路活用技巧》彻底改变了我的看法。它不像其他教材那样上来就讲一堆复杂的公式和理论，而是从非常实际的应用角度出发，循序渐进地讲解CMOS电路的设计和优化。 作者大幸秀成先生的讲解方式非常生动形象，他用了大量的图示和实际案例来解释每一个概念，让我这个初学者也能轻松理解。特别是关于低功耗设计的部分，真是让我眼前一亮。我之前一直困扰于如何让电路在保证性能的同时降低功耗，这本书提供了很多非常实用的技巧和方法，比如如何选择合适的工艺、如何优化时钟树、如何利用低功耗模式等等。而且，书中还提供了很多代码示例，可以直接拿来参考和学习，这对于我这样的实践型学习者来说，简直是福音。 我特别喜欢的是书中对不同CMOS电路模块的深入剖析，比如放大器、比较器、ADC/DAC等。作者不仅讲解了它们的基本工作原理，还详细介绍了在实际设计中需要注意的各种问题，以及如何通过一些技巧来提升性能、降低噪声、克服工艺偏差带来的影响。这些都是在学校里学不到的宝贵经验。总而言之，这本书让我对CMOS电路有了更深刻的认识，也更有信心去进行实际的设计和开发。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，我对CMOS电路的研究已经有了一段时间，也看过不少相关的书籍。然而，《CMOS电路活用技巧》这本书带给我的惊喜是前所未有的。这本书的作者大幸秀成先生，显然是一位经验丰富的CMOS电路专家，他的知识储备和实践经验在这本书中得到了淋漓尽致的体现。 这本书的独特之处在于，它不仅仅是在讲述CMOS电路的知识，更是在传授一种“思维方式”。作者引导读者去理解CMOS电路的设计不仅仅是技术的堆砌，更是一种艺术的创作。他深入剖析了各种CMOS电路的设计哲学，以及如何在实际设计中权衡各种因素，找到最佳的解决方案。 我非常欣赏书中对“细节”的关注。很多时候，CMOS电路的成败就取决于一些微小的细节，比如布局布线、衬底寄生效应、噪声耦合等等。这本书对这些细节的讲解非常到位，并且给出了很多实用的规避和处理方法。这让我意识到，要想做出高性能的CMOS电路，就必须对这些细节了如指掌。

评分☆☆☆☆☆

这是一本让我感到“相见恨晚”的书。在我之前接触CMOS电路的过程中，总感觉缺少一本能够将理论与实践完美结合的书籍。《CMOS电路活用技巧》恰恰填补了这个空白。作者大幸秀成先生以其深厚的学术功底和丰富的工程经验，为我们呈现了一场CMOS电路设计的盛宴。 这本书最让我受益匪浅的，是它对于“创新性”设计的启发。作者并没有仅仅停留在对现有技术的介绍，而是引导读者去思考如何进行创新性的设计，如何根据新的应用需求来开发新的CMOS电路。书中提供了一些前沿的CMOS电路设计思路和技术方向，这让我对CMOS电路的未来发展充满了期待。 我尤其喜欢书中关于“性能指标”的讲解。在CMOS电路设计中，各种性能指标往往是相互制约的，如何在这些指标之间找到最佳的平衡点，是一项非常重要的挑战。这本书在这方面提供了非常深入的分析和指导，让我能够更清晰地理解各种设计选择对整体性能的影响，从而做出更明智的决策。这本书绝对是我在CMOS电路学习道路上的一块重要里程碑。

评分☆☆☆☆☆

说实话，拿到《CMOS电路活用技巧》这本书的时候，我并没有抱太高的期望，毕竟市面上的技术书籍良莠不齐。但当我翻开第一页，我就被深深吸引住了。作者大幸秀成先生的文字功底非常扎实，他能够将复杂的CMOS电路原理以一种非常清晰、有条理的方式呈现出来。这本书的结构设计也非常合理，从基础的器件模型到高级的电路设计，层层递进，毫不费力。 我尤其欣赏书中对各个设计环节的细致讲解，无论是前端的逻辑设计、后端版图设计，还是最后的时序分析和功耗优化，都给出了详尽的指导。书中的图例非常丰富，而且都绘制得非常精美，能够直观地帮助我理解抽象的电路结构。让我印象深刻的是，作者在讲解过程中，经常会穿插一些“过来人”的经验之谈，比如在某个环节容易出错的地方，或者是一些隐藏的优化技巧，这些都是从实践中提炼出来的精华，非常宝贵。 此外，这本书并没有局限于理论层面，而是非常注重实际应用。书中提供了一系列实际的CMOS电路设计案例，并且详细解释了每一步的设计思路和方法。我跟着书中的案例进行实践，感觉受益匪浅。通过这些案例，我不仅掌握了CMOS电路的设计流程，还学会了如何根据具体需求来选择合适的电路拓扑和器件参数。这本书无疑为我的CMOS电路设计之路铺平了道路。