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：**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。

译者序 前言 **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*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*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*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*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