電子傳感器設計：原理與方法 Electronic Sensor Design Principles

高志強，工學博士，資訊與通訊工程學系博士後，美國喬治亞理工學院訪問學者、研究生導師。 2000年任職於哈爾濱工業大學，從事教學與研究工作，首次開設了射頻混合訊號積體電路芯片設計相關課程。在國內外重要學術期刊及會議發表論文40餘篇，取得相關授權國家發明專利7項，主持並參與了多項國家及省級科研計畫。研究方向：數碼/類比混合訊號積體電路芯片設計、射頻積體電路芯片設計、傳感器接口積體電路芯片設計。

譯者序
前言
第一部分　基礎
第1章 概述2
1.1 感知是一種認知過程2
1.2 針對電子傳感器的一般定義4
1.2.1 訊號和訊息5
1.2.2 類比-數碼接口最簡單的案例6
1.2.3 誤差的作用7
1.3 電子傳感器的基本模組10
1.4 不確定性的起源：熱運動12
1.5 電子傳感器設計的基本限制因素13
延伸閱讀13
第2章 傳感器建模與特性描述14
2.1 訊號14
2.2 傳感器接口：確定性模型16
2.3 準靜態理想特性與靈敏度17
2.4 訊號特性20
2.4.1 準靜態特性和頻域表示的極限22
2.4.2 訊號的能量特性25
2.5 時間和振幅量化30
2.6 傳感器採集鍊和傳感器分類32
2.7 理想偏差：真實特性與飽和度35
2.8 理想偏差：誤差37
2.8.1 單一誤差的輸入-輸出二元性38
2.8.2 確定性模型與隨機模型的合併39
2.8.3 均值估計和影響41
2.8.4 非線性引起的系統誤差（失真）43
2.8.5 以分佈描述隨機誤差與系統誤差44
2.8.6 隨機訊號的能量特性49
2.9 隨機誤差分佈的輸入-輸出關係52
2.9.1 隨機誤差所造成的輸入參考
分辨率的概念55
2.9.2 不確定性概念及其與分辨率的關係58
2.9.3 在模擬域中以分辨率位數測量離散化60
2.10 非線性引起的系統誤差：直流方法62
2.11 廣義不確定性與誤差的傳播法則66
2.12 訊號與誤差的功率比較67
2.12.1 信噪比67
2.12.2 動態範圍的概念70
2.12.3 動態範圍是最大的訊號噪聲比嗎73
2.12.4 工作範圍定義的訊號噪聲比與動態範圍的關係75
2.13 非線性引起的系統誤差：交流方法76
2.14 量化過程78
2.14.1 隨機性、量化噪音和擾動的組成81
2.14.2 A/D轉換器中的直流分辨率89
2.14.3 有效位數對A/D轉換器的交流特性描述90
2.14.4 分辨率與有效位數之間的關係92
2.15 精度、真實度和準確度94
2.15.1 工作範圍定義的精確度、準確度和動態範圍之間的關係97
2.15.2 不準確度圖形98
2.15.3 接口與A/D轉換器鏈路分析98
2.15.4 A/D系統接口的設計99
2.16 附錄：不同情況下的平均數和
方差100
延伸閱讀101
第3章 傳感器設計優化與折中102
3.1 求平均值減少隨機誤差102
3.2 減少系統誤差106
3.2.1 回饋傳感106
3.2.2 虛擬差分傳感108
3.2.3 電子校準110
3.3 傳感器採集鏈中資訊的作用110
3.4 採集鏈中的分辨率120
3.4.1 增益和分辨率120
3.4.2 採集鏈中的分辨率規則123
3.4.3 分辨率規則在採集鏈中的應用方法與範例125
3.4.4 從分辨率角度優化採集鏈127
3.4.5 A/D轉換器的最佳選擇130
3.5 取樣、欠取樣、過取樣和混疊濾波器132
3.5.1 過採樣和量化132
3.5.2 白噪音的過採樣和欠採樣132
3.5.3 訊號與噪聲的過採樣與降採樣133
3.6 傳感器的功率、分辨率與頻寬的折中134
3.6.1 時間的作用135
3.6.2 功率的作用135
3.6.3 動態範圍的作用136
3.6.4 綜合作用137
3.6.5 超越熱噪音限制的優質因子139
3.6.6 採集鍊和全局最佳化中頻寬的作用140
3.6.7 範例：兩級傳感器接口中的噪聲最佳化140
3.6.8 靈敏度的作用142
3.7 傳感器設計通則143
延伸閱讀144
第4章 數學工具概述145
4.1 確定性訊號和隨機訊號145
4.1.1 確定性電訊號的特性分析145
4.1.2 隨機訊號的特性分析153
4.2 隨機過程157
4.3 遍歷性的概念161
4.4 確定性變量和隨機變量之間的概念收斂性164
4.5 白噪音的低通濾波166
4.6 等效噪聲頻寬167
4.7 隨機訊號的加/減法168
4.8 交叉譜密度的物理解釋170
4.9 洛倫茲形式172
4.10 坎貝爾和卡森定理174
4.11 功率譜密度與噪聲密度符號176
4.12 採樣過程177
4.13 附錄A：隨機遊走過程179
4.14 附錄B：重要關係摘要180
延伸閱讀181
第5章 壓縮感知182
5.1 概述182
5.1.1 取樣帶限訊號182
5.1.2 稀疏訊號184
5.2 壓縮感知的實現185
5.2.1 變換域中的稀疏訊號187
5.2.2 壓縮訊號的有噪聲壓縮感知188
5.2.3 稀疏恢復演算法188
5.3 壓縮感知總結189
5.4 應用189
5.4.1 模擬資訊轉換189
5.4.2 影像擷取中的壓縮感知：單像素相機190
5.4.3 壓縮感知：磁振造影與生物醫學訊號處理應用190
參考文獻190

第二部分　噪音與電子接口
第6章 噪音起源194
6.1 熱噪音194
6.1.1 簡化的機械模型194
6.1.2 實驗視角下的電子熱噪音198
6.1.3 熱噪聲功率譜密度計算：
奈奎斯特方法199
6.1.4 使用能量箱計算熱噪音PSD201
6.1.5 kTC噪音202
6.1.6 電阻-電容瞬態熱噪聲204
6.2 電流（散粒）噪聲206
6.2.1 實驗視角下的電流（散粒）噪聲206
6.2.2 服從泊松過程的電流（散粒）噪聲的特性207
6.2.3 電流（散粒）噪聲功率譜密度計算209
6.2.4 散粒噪聲與熱噪聲的關係210
6.3 光學探測器中的噪聲211
6.3.1 光電流噪聲211
6.3.2 圖素的散粒噪音211
6.4 閃爍噪音或1/f噪音212
6.5 色噪音219
6.6 機械熱噪音220
6.6.1 二階系統的快速回顧220
6.6.2 帶通函數的頻寬和噪聲頻寬223
6.6.3 物理模型225
6.6.4 機械熱噪音228
6.7 相位噪聲229
6.7.1 總振盪器噪聲237
6.7.2 調變視角下總噪聲中相位噪聲的特性239
6.7.3 抖動及其相位噪聲估計240
延伸閱讀243
第7章 電子元件和電路中的噪聲245
7.1 限制了訊號噪聲比和頻寬的熱噪聲245
7.2 粉紅噪音和白噪音的組合246
7.3 線性電路中總噪聲的計算249
7.4 電路中的輸入參考噪聲251
7.5 噪音係數和最佳噪音性能255
7.6 例：結型電晶體的噪聲260
7.7 例：金屬-氧化物-半導體電晶體的噪聲263
7.8 頻譜域中的輸入參考噪聲表示266
7.9 運算放大器配置中的噪聲269
7.9.1 訊號和噪聲增益路徑272
7.9.2 例：運算放大器的噪聲計算273
7.9.3 噪音效率因子和功率效率因子275
7.10 電容耦合放大器技術275
7.10.1 連續時間電壓傳感技術276
7.10.2 連續時間電流傳感技術278
7.10.3 離散時間技術中的電容耦合放大器280
7.10.4 復位技術及相關問題281
7.10.5 使用電容耦合跨阻放大器的接口技術綜述285
7.11 離散時間技術中的噪聲混疊286
7.11.1 離散時間電容耦合放大器的噪聲289
7.11.2 常見的離散時間接口中的輸入參考噪聲總結290
7.11.3 級聯放大器的分辨率最佳化291
延伸閱讀293
第8章 檢測技術295
8.1 從單端到差分架構295
8.1.1 全差分方法的優點295
8.1.2 例：全差分電荷放大器296
8.2 電阻傳感297
8.3 電容傳感301
8.3.1 例：電容式加速度計303
8.3.2 交流電容傳感304
8.4 利用瞬態技術讀出電阻和電容304
8.5 採用Sigma-Delta調變器回饋的傳感系統整合306
8.5.1 Sigma-Delta轉換器的概念306
8.5.2 例：靜電回授加速度計310
8.6 相關雙採樣技術311
8.7 鎖定技術313
8.8 基於振盪器的傳感317
8.8.1 時間-數字轉換傳感320
8.8.2 頻率-數碼轉換傳感325
8.9 基於時間的電阻和電容傳感技術327
8.9.1 弛豫振盪器技術327
8.9.2 Bang-Bang鎖相環傳感
技術328
8.9.3 頻率鎖定環傳感技術329
延伸閱讀329
第三部分 關於實體轉換的精選主題
第9章 關於光子轉換的精選主題332
9.1 基本概念概述332
9.1.1 電磁與可見光的頻譜332
9.1.2 光度測量與輻射測量334
9.1.3 影像投影系統中的功率傳輸342
9.2 黑體輻射344
9.3 光子與半導體的相互作用347
9.4 影像傳感器裝置和系統351
9.4.1 圖素範例：電荷​​耦合元件和光電二極管351
9.4.2 連續時間讀出模式354
9.4.3 儲存模式的概念355
9.5 光電二極管的噪聲357
9.6 CMOS區域影像傳感器架構360
9.7 附錄：光度學/輻射學定義摘要363
延伸閱讀363
第10章 關於離子-電子轉換的精選主題364
10.1 統計熱力學：背景概述364
10.1.1 麥克斯韋-玻爾茲曼統計364
10.1.2 麥克斯韋-玻爾茲曼統計的一些應用367
10.1.3 氧化還原反應中電位之間的關係369
10.1.4 漂移與擴散效應370
10.2 物質的電導和極化374
10.2.1 電導率374
10.2.2 物質極化376
10.2.3 複介電常數與德拜弛豫模型379
10.2.4 離子溶液中的雙層界面384
10.2.5 電解電池中的法拉第過程389
10.2.6 電荷和質量傳遞效應390
10.2.7 擴散的複雜效應393
10.2.8 有限長度條件下的擴散396
10.2.9 蘭德爾斯模型397
10.2.10 借助於科爾-科爾圖和伯德圖的模型分析397
10.3 生物化學傳感402
10.3.1 基本原理402
10.3.2 電極極化方法405
10.3.3 穩壓器的應用407
10.4 電生理學生物傳感409
10.4.1 生物電位傳感器409
10.4.2 細胞內記錄的生物傳感415
延伸閱讀418
第11章 關於機械和熱轉換的精選主題419
11.1 基本概念概述419
11.1.1 一維結構中的應變與應力419
11.1.2 施加於正交軸上的應變和應力420
11.1.3 應力張量421
11.1.4 三維應變：應變張量426
11.1.5 三維剪力與應力之間的關係427
11.1.6 各向同性材料的彈性428
11.1.7 簡單結構的形變429