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101.2
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| 編輯推薦： |
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本书旨在探究信息在传感过程中的作用。通过本书，读者可快速了解电子传感器设计的基础知识，学习强大的传感器技术，从而缩短特定传感器应用设计的总体设计时间。书中涵盖对用于设计电子传感器的以信息为中心的通用方法的分步介绍，展示了加速设计过程的普遍适用的实用方法，详细介绍了有效表征和组织设计过程所需的所有工具，以提高了整体过程效率。本书强调综合的跨学科方法，对于热衷于提高对尖端电子传感器设计的理解的专业工程师和研究生来说，将大有裨益。
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| 內容簡介： |
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本书从理论基础和实战的角度出发，深入剖析电子传感器设计的基础理论，系统阐述传感器中信息与信号、信息转换与采集、信号处理的设计技术、方法和架构，并探讨电子传感器设计过程中的优化方法。全书分为四部分：第一部分（第1~5章）通过对设计变量、特征参数、信号和误差的定义阐述常用概念；第二部分（第6~8章）着重介绍噪声的物理来源以及它在电子接口设计中的作用；第三部分（第9~11章）精选光子转换、离子-电子转换以及机械和热转换这三个物理转换领域的典型应用示例，实践传感器设计优化；第四部分（第12章）提供了相关习题和解答，以巩固所学内容。本书内容丰富、全面，讲解循序渐进，不仅可以作为高等院校相关专业的教材，还可以作为传感器设计领域工程师及相关科研人员的参考书。
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| 關於作者： |
马可塔尔塔尼（Marco Tartagni）
博洛尼亚大学电子工程专业教授，在微电子设计领域拥有超过25年的经验，主要关注应用光学、生物化学、航空航天以及纳米技术的传感器设计。
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| 目錄：
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译者序
前言
第一部分 基础
第1章 概述2
1.1 感知是一种认知过程2
1.2 针对电子传感器的一般定义4
1.2.1 信号和信息5
1.2.2 模拟-数字接口的最简单
案例6
1.2.3 误差的作用7
1.3 电子传感器的基本模块10
1.4 不确定性的起源：热运动12
1.5 电子传感器设计的基本制约因素13
延伸阅读13
第2章 传感器建模与特性描述14
2.1 信号14
2.2 传感器接口：确定性模型16
2.3 准静态理想特性和灵敏度17
2.4 信号特性20
2.4.1 准静态特性和频域表示的
极限22
2.4.2 信号的能量特性25
2.5 时间和振幅量化30
2.6 传感器采集链和传感器分类32
2.7 理想偏差：真实特性与饱和度35
2.8 理想偏差：误差37
2.8.1 单一误差的输入-输出
二元性38
2.8.2 确定性模型和随机模型的
合并39
2.8.3 均值估计和影响41
2.8.4 非线性引起的系统误差
（失真）43
2.8.5 用分布描述随机误差与系统
误差44
2.8.6 随机信号的能量特性49
2.9 随机误差分布的输入-输出关系52
2.9.1 随机误差引起的输入参考
分辨率的概念55
2.9.2 不确定性概念及其与分辨率
的关系58
2.9.3 在模拟域中用分辨率位数
测量离散化60
2.10 非线性引起的系统误差：直流
方法62
2.11 广义不确定性与误差的传播规律66
2.12 信号与误差的功率比较67
2.12.1 信噪比67
2.12.2 动态范围的概念70
2.12.3 动态范围是最大的信噪比吗73
2.12.4 工作范围定义的信噪比与动态
范围的关系75
2.13 非线性引起的系统误差：交流
方法76
2.14 量化过程78
2.14.1 随机性、量化噪声和扰动的
组成81
2.14.2 A/D转换器中的直流分辨率89
2.14.3 有效位数对A/D转换器的
交流特性描述90
2.14.4 分辨率与有效位数之间的
关系92
2.15 精度、真实度和准确度94
2.15.1 工作范围定义的精度、准确度和动态范围之间的关系97
2.15.2 不准确度图形98
2.15.3 接口与A/D转换器链路
分析98
2.15.4 A/D系统接口的设计99
2.16 附录：不同情况下的均值和
方差100
延伸阅读101
第3章 传感器设计优化与折中102
3.1 求均值减少随机误差102
3.2 减少系统误差106
3.2.1 反馈传感106
3.2.2 虚拟差分传感108
3.2.3 电子校准110
3.3 传感器采集链中信息的作用110
3.4 采集链中的分辨率120
3.4.1 增益和分辨率120
3.4.2 采集链中的分辨率规则123
3.4.3 分辨率规则在采集链中的
应用方法与示例125
3.4.4 从分辨率角度优化采集链127
3.4.5 A/D转换器的最佳选择130
3.5 采样、欠采样、过采样和混叠
滤波器132
3.5.1 过采样和量化132
3.5.2 白噪声的过采样和欠采样132
3.5.3 信号与噪声的过采样和
降采样133
3.6 传感器的功率、分辨率与带宽的
折中134
3.6.1 时间的作用135
3.6.2 功率的作用135
3.6.3 动态范围的作用136
3.6.4 综合作用137
3.6.5 超越热噪声限制的优质
因数139
3.6.6 采集链和全局优化中带宽的
作用140
3.6.7 示例：两级传感器接口中的
噪声优化140
3.6.8 灵敏度的作用142
3.7 传感器设计通则143
延伸阅读144
第4章 数学工具概述145
4.1 确定性信号和随机信号145
4.1.1 确定性电信号的特性分析145
4.1.2 随机信号的特性分析153
4.2 随机过程157
4.3 遍历性的概念161
4.4 确定性变量和随机变量之间的
概念收敛性164
4.5 白噪声的低通滤波166
4.6 等效噪声带宽167
4.7 随机信号的加/减法168
4.8 交叉谱密度的物理解释170
4.9 洛伦兹形式172
4.10 坎贝尔和卡森定理174
4.11 功率谱密度和噪声密度符号176
4.12 采样过程177
4.13 附录A：随机游走过程179
4.14 附录B：重要关系总结180
延伸阅读181
第5章 压缩感知182
5.1 概述182
5.1.1 采样带限信号182
5.1.2 稀疏信号184
5.2 压缩感知的实现185
5.2.1 变换域中的稀疏信号187
5.2.2 压缩信号的有噪压缩感知188
5.2.3 稀疏恢复算法188
5.3 压缩感知总结189
5.4 应用189
5.4.1 模拟信息转换189
5.4.2 图像采集中的压缩感知：
单像素相机190
5.4.3 压缩感知：磁共振成像和
生物医学信号处理应用190
参考文献190
第二部分 噪声与电子接口
第6章 噪声起源194
6.1 热噪声194
6.1.1 简化的机械模型194
6.1.2 实验视角下的电子热噪声198
6.1.3 热噪声功率谱密度计算：
奈奎斯特方法199
6.1.4 使用能量箱计算热噪声
PSD201
6.1.5 kTC噪声202
6.1.6 电阻-电容瞬态热噪声204
6.2 电流（散粒）噪声206
6.2.1 实验视角下的电流（散粒）
噪声206
6.2.2 服从泊松过程的电流（散粒）
噪声的特征207
6.2.3 电流（散粒）噪声功率谱密度
计算209
6.2.4 散粒噪声与热噪声的关系210
6.3 光学探测器中的噪声211
6.3.1 光电流噪声211
6.3.2 图素的散粒噪声211
6.4 闪烁噪声或1/f噪声212
6.5 色噪声219
6.6 机械热噪声220
6.6.1 对二阶系统的快速回顾220
6.6.2 带通函数的带宽和噪声
带宽223
6.6.3 物理模型225
6.6.4 机械热噪声228
6.7 相位噪声229
6.7.1 总振荡器噪声237
6.7.2 调制视角下总噪声中相位
噪声的特征239
6.7.3 抖动及其相位噪声估计240
延伸阅读243
第7章 电子器件和电路中的
噪声245
7.1 限制了信噪比和带宽的热噪声245
7.2 粉红噪声和白噪声的组合246
7.3 线性电路中总噪声的计算249
7.4 电路中的输入参考噪声251
7.5 噪声系数和最佳噪声性能255
7.6 示例：结型晶体管的噪声260
7.7 示例：金属-氧化物-半导体晶体管
的噪声263
7.8 频谱域中的输入参考噪声表示266
7.9 运算放大器配置中的噪声269
7.9.1 信号和噪声增益路径272
7.9.2 示例：运算放大器的噪声
计算273
7.9.3 噪声效率因子和功率效率
因子275
7.10 电容耦合放大器技术275
7.10.1 连续时间电压传感技术276
7.10.2 连续时间电流传感技术278
7.10.3 离散时间技术中的电容耦合
放大器280
7.10.4 复位技术及相关问题281
7.10.5 使用电容耦合跨阻放大器的
接口技术综述285
7.11 离散时间技术中的噪声混叠286
7.11.1 离散时间电容耦合放大器的
噪声289
7.11.2 常见的离散时间接口中的
输入参考噪声总结290
7.11.3 级联放大器的分辨率
优化291
延伸阅读293
第8章 检测技术295
8.1 从单端到差分架构295
8.1.1 全差分方法的优点295
8.1.2 示例：全差分电荷放大器296
8.2 电阻传感297
8.3 电容传感301
8.3.1 示例：电容式加速度计303
8.3.2 交流电容传感304
8.4 利用瞬态技术读出电阻和电容304
8.5 采用Sigma-Delta调制器反馈的
传感系统集成306
8.5.1 Sigma-Delta转换器的
概念306
8.5.2 示例：静电反馈加速度计310
8.6 相关双采样技术311
8.7 锁定技术313
8.8 基于振荡器的传感317
8.8.1 时间-数字转换传感320
8.8.2 频率-数字转换传感325
8.9 基于时间的电阻和电容传感
技术327
8.9.1 弛豫振荡器技术327
8.9.2 Bang-Bang锁相环传感
技术328
8.9.3 频率锁定环传感技术329
延伸阅读329
第三部分 关于物理转换的精选主题
第9章 关于光子转换的精选
主题332
9.1 基本概念概述332
9.1.1 电磁与可见光的频谱332
9.1.2 光度测量与辐射测量334
9.1.3 图像投影系统中的功率
传输342
9.2 黑体辐射344
9.3 光子与半导体的相互作用347
9.4 图像传感器器件和系统351
9.4.1 图素示例：电荷耦合器件和
光电二极管351
9.4.2 连续时间读出模式354
9.4.3 存储模式的概念355
9.5 光电二极管的噪声357
9.6 CMOS区域图像传感器架构360
9.7 附录：光度学/辐射学定义摘要363
延伸阅读363
第10章 关于离子-电子转换的
精选主题364
10.1 统计热力学：背景概述364
10.1.1 麦克斯韦-玻尔兹曼统计364
10.1.2 麦克斯韦-玻尔兹曼统计
的一些应用367
10.1.3 氧化还原反应中电势之间
的关系369
10.1.4 漂移和扩散效应370
10.2 物质的电导和极化374
10.2.1 电导率374
10.2.2 物质极化376
10.2.3 复介电常数和德拜弛豫
模型379
10.2.4 离子溶液中的双层界面384
10.2.5 电解电池中的法拉第过程389
10.2.6 电荷和质量传递效应390
10.2.7 扩散的复杂效应393
10.2.8 有限长度条件下的扩散396
10.2.9 兰德尔斯模型397
10.2.10 借助于科尔-科尔图和
伯德图的模型分析397
10.3 生物化学传感402
10.3.1 基本原理402
10.3.2 电极极化方法405
10.3.3 稳压器的应用407
10.4 电生理学生物传感409
10.4.1 生物电势传感器409
10.4.2 细胞内记录的生物传感415
延伸阅读418
第11章 关于机械和热转换的
精选主题419
11.1 基本概念概述419
11.1.1 一维结构中的应变和
应力419
11.1.2 施加于正交轴上的应变和
应力420
11.1.3 应力张量421
11.1.4 三维应变：应变张量426
11.1.5 三维剪切与应力之间的
关系427
11.1.6 各向同性材料的弹性428
11.1.7 简单结构的形变429
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| 內容試閱：
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在我的职业生涯中，我一直在思考一个问题，即在传感过程中是否有一般原则能够应用到电子传感器的设计之中。本书旨在引导读者跟随书中的论证﹐得到这个问题的肯定答案。
概述传感器设计技术的教科书通常遵循以下两种方法之一。第一种是专注于一个高度具体的环境，与单一的应用相关联。第二种是将处理方法集中在转换和架构技术的广泛分类上。后一种方法导致了一种错误的想法，即传感器设计可以归结为一系列独立的案例，并根据其具体应用进行分类。这种观点可能被错误地概括为这样一种思想，即该领域的高度跨学科性质是由各点的合理组合形成的，只是为了提高设计效率。事实上，这一领域的跨学科性（需要随机过程的数学、测量科学、信号转换和处理、信息理论以及转换物理学等不同的技术与模型）表明，各种不同的学科只不过是一些一般原则的情境化。因此，本书旨在确定设计电子传感器的一般方法，而不考虑个别应用：这将显著减少设计时间，并使基本的设计变量能够被迅速识别出来。
本书所追求的一个基本的探究方向是信息在传感过程中的作用。这导致了对传感器更广泛的定义，专注于它从环境中提取信息的能力。信息论起源于电子通信领域，在该领域中，代码可以被优化，以便最大限度地提高信道上传输的数据量，而在传感领域，必须改变这个观点。在这一领域中，由于信息的来源与观察的自然界有关，因此，作为一个规则，它不能被改变，而设计优化可以被看作最大化该过程所传达的信息。正是在这种背景下，人们对传感器物理学的某些基本定义进行了修订。举例来说，我们将不仅从其最初被接受的意义上描述分辨率的概念，而且强调其与传感过程中传递的信息量之间的联系：这将使我们能够找到优化电子传感器设计的有效方法。
写书是一个复杂的过程，作者常常在两种相反的做法之间左右为难。一方面，作者会倾向于为科学研究人员给出形式严谨的陈述。另一方面，作者希望为初学者尽可能清晰地勾勒出主题，如果可能的话，他们倾向于基于直观方法解决某些概念问题，有时会牺牲形式的严谨性。根据目标受众的不同，作者将在这两种截然相反的方法之间摇摆不定。
然而，如果我更仔细地思考自己的教学经历，就会发现一些令人惊讶的特点。在许多（虽然不是全部）情况下，学生一开始更喜欢用形式化方法学习这门学科，因为这能带来明显的安全感，他们对这种从具体例子开始，以抽象概念结束的处理方式持怀疑态度。另外，那些已经熟悉这门学科的人会倾向于更多地关注这门学科的原理，挑出他们之前无法理解的要点。这解释了人们对某些开创性的科学教科书的反应，这些教科书倾向于采用自下而上的方法来研究这门学科。尽管这些书在概念上非常严谨，但作为学生的教材，它们可能不太受欢迎，因为从定义上讲，让学生熟悉教学中的抽象化过程是一个长期的过程。因此，本书混合采用这两种方法：直观的方法不是围绕抽象的假设而是围绕具体的数字实例设计的，并以适当的形式化方法总结任务。
书中的内容是基于我在博洛尼亚大学切塞纳校区多年教授的两门课程。我必须感谢我过去和现在的本科生、硕士生和博士生，首先也是最重要的，感谢他们给出的回应和对话，这使我能够纠正这段教学经历中出现的偏差。我很难想象，如果没有与这个主题相关的课程的关键支持，怎么能写出一本教科书。在编写这本书的过程中，我采用了一些不同的方法：在课程中的尝试帮助我从中做出选择。我要感谢许多乐于交换意见的人。首先，感谢我的朋友Alessandro Piovaccari，他一直给予我支持和鼓励，最重要的是他激发了我对这门学科基本原理的研究兴趣。我还必须感谢Victor Zhirnov（关于传感极限）、Marco Chiani（关于信息论）、Davide Dardari（关于估计理论）、Aldo Romani（关于压电转换）、Alberto Corigliano（关于机械转换）、Hywel Morgan（关于离子转换和生物传感器的物理特性）提供个人建议，以及Marco Crescentini与我就电子噪声和测量科学进行的多次讨论。同时，特别感谢我的同事Alessandra Costanzo、Alessandro Talamelli、Emanuele Giordano、Luigi Ragni、Elena Babini、Annachiara Berardinelli、Mauro Ursino和Enrico Sangiorgi在这项工作中给予的科学合作和持续有效的支持。我还要感谢Roberto Trolli，感谢他提出的与科学哲学有关的各种观点。我还要特别感谢我的哥哥Flavio Tartagni，他在我还是个孩子的时候就把我带入了实验科学领域。最后，也是最重要的一点，我真诚地感谢剑桥大学出版社，特别是出版社的Julie Lancashire，感谢他们从一开始就毫无保留地信任我。感谢所有编辑人员在过去几年里给予我的耐心、持续的帮助和建议。
在本书所涉及的主题范围中，必须注意一个重要的限制。书中分析了分辨率受热噪声限制的传感器——该领域通常被称为“热噪声限制的传感器”——以及受散粒噪声限制的传感器。这种方法适用于大多数在室温下使用的传感器和一般应用。本书从经典统计力学的角度简要分析了噪声的来源。当然，很明显，在传感和测量科学中，极端的外部限制是由不确定性原理决定的，在这里所描述的情况下，很少有这种限制。基于这个原因，本书不会介绍基于量子力学原理的传感器。
本书分为四部分。第一部分通过对设计变量、特征参数、信号和误差的定义来阐述常用的概念。这一部分框架将在信息论观点下讨论设计权衡。
第二部分着重介绍噪声的物理来源以及它在电子接口设计中的作用。这里将分析总体设计优化方法、技术和架构，也将涵盖时域传感技术。
第三部分精选了三个物理转换三个方面的主题：光子转换、离子－电子转换以及机械和热转换，这部分并没有涵盖转换的所有方面，而只是给出了典型的应用示例。然而，这一部分并不是本书的简单补充，因为物理转换是整个传感器采集链的一个重要步骤，它应该被看作一个处理块，就像设计过程中的其他部分一样，因此，我认为有必要展示转换器示例来实践整个传感器设计优化。
第四部分是习题和解答，有助于巩固所学内容。
第1章介绍有关信息和信号的各种概念，这些概念将在后面的章节中讨论，同时给出人工传感器的定义；第2章介绍一些表征传感器物理特性的基本参数，包括精度/准确度和各自的权衡，以及相关的优质因数；第3章分析信息论视角下的主要传感器设计权衡；第4章列出用于分析和综合传感器系统的数学方法的一些重要特征；由M. Chiani（母校为博洛尼亚大学）撰写的第5章介绍压缩感知方法；第6章讨论各种情况下噪声的来源和模型，包括时域，如相位噪声；第7章提供计算和优化器件与简单电子电路的噪声的模型；第8章涵盖在信号和时间－空间中提取信息的更复杂的电子系统；第9章介绍光子转换的相关概念，特别提到了光电二极管及其在区域型传感器中的配置；第10章讨论作为生物传感基础的离子－电子转换，这一章还将讨论生物传感器中（特别是在生物电势传感中）的一些噪声问题；第11章讨论机械转换和热转换，关注压阻效应和压电现象，本章还将提供一些应用电阻式机械传感器的例子；最后，由M. Crescentini（母校为博洛尼亚大学）撰写的第12章提供一系列电子传感器设计问题和相关解决方案。
写这本书也是为了纪念Silvio Cavalcanti教授和Claudio Canali教授。
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