0-模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課緒論

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)肇慶學院電子信息與機電工程學院主講教師：俞亞堃緒 論一、電子技術(shù)的發(fā)展二、模擬信號與模擬電路三、電子信息系統(tǒng)的組成四、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課的特點五、如何學習這門課程六、課程的目的七、考查方法一、電子技術(shù)的發(fā)展 電子技術(shù)的發(fā)展，推動計算機技術(shù)的發(fā)展，使之“無孔不入”，應(yīng)用廣泛！廣播通信：發(fā)射機、接收機、擴音、錄音、程控交換機、電話、手機網(wǎng)絡(luò)：路由器、ATM交換機、收發(fā)器、調(diào)制解調(diào)器工業(yè)：鋼鐵、石油化工、機加工、數(shù)控機床交通：飛機、火車、輪船、汽車軍事：雷達、電子導航航空航天：衛(wèi)星定位、監(jiān)測醫(yī)學：刀、CT、B超、微創(chuàng)手術(shù)消費類電子：家電（空調(diào)、冰箱、電視、音響、攝像機、照相機、電子表

2、）、電子玩具、各類報警器、保安系統(tǒng) 電子技術(shù)的發(fā)展很大程度上反映在元器件的發(fā)展上。從電子管半導體管集成電路1904年電子管問世1947年晶體管誕生1958年集成電路研制成功電子管、晶體管、集成電路比較半導體元器件的發(fā)展1947年 貝爾實驗室制成第一只晶體管1958年 集成電路1969年 大規(guī)模集成電路1975年 超大規(guī)模集成電路 第一片集成電路只有4個晶體管，而1997年一片集成電路中有40億個晶體管。有科學家預(yù)測，集成度還將按10倍/6年的速度增長，到2015或2020年達到飽和。學習電子技術(shù)方面的課程需時刻關(guān)注電子技術(shù)的發(fā)展！ 1883年愛迪生在研究白熾燈的壽命時，在燈泡的碳絲附近焊上一小

3、塊金屬片。結(jié)果，他發(fā)現(xiàn)：金屬片雖然沒有與燈絲接觸，但如果在它們之間加上電壓，燈絲就會產(chǎn)生一股電流，趨向附近的金屬片。這股神秘的電流是從哪里來的？愛迪生也無法解釋，但他不失時機地將這一發(fā)明注冊了專利，并稱之為“愛迪生效應(yīng)”。后來，有人證明電流的產(chǎn)生是因為熾熱的金屬能向周圍發(fā)射電子造成的。值得紀念的幾位科學家！1904年，弗萊明利用“愛迪生效應(yīng)”制成了電子二極管，并證實了電子管具有“閥門”作用，他首先被用于無線電檢波。世界上第一只電子管由此誕生了。弗萊明為此獲得了這項發(fā)明的專利權(quán)。弗萊明John Ambrose Fleming 人類第一只電子管的誕生，標志著世界從此進入了電子時代。 這樣，接收電子

4、的面積大大增加了。經(jīng)過實驗，檢波效果十分理想。由于金屬筒接正電、燈絲接負電時才有電流通過，因此弗萊明將金屬筒稱為“陽極”，將燈絲稱為“陰極”。這種新誕生的器件，其作用相當于一個只允許電流單向流動的閥門，弗萊明就干脆把它叫做“閥”。這種閥后人將其稱為“真空二極管” 弗萊明同無線電的發(fā)明者、意大利發(fā)明家馬可尼的合作中已經(jīng)感到，要實現(xiàn)遠距離的無線電通信，就必須有靈敏可靠的檢波器。 “愛迪生效應(yīng)”引起了他的強烈興趣。于是，他用一個金屬圓筒代替了愛迪生所用的金屬絲，套在燈絲外面，和燈絲一起封在玻璃泡里。李德福雷斯特Lee de Forest 李德福雷斯特，美國科學家，被譽為電子管之父 ，1906年他在弗

5、萊明的二極管中放進了第三個電極柵極,只要把一個微弱的變化電壓加在它的身上，就能在金屬屏板上接收到更大的變化電流，這正是電子管的“放大”作用，“電子三極管”從此誕生，從而建樹了早期電子技術(shù)上最重要的里程碑。 德福雷斯特是一位多產(chǎn)的發(fā)明家，一生獲得了多達 300 余項專利。除了電子管之外，他的發(fā)明還包括在電影膠片邊緣錄制聲音的技術(shù)、醫(yī)學上使用的高頻電熱理療機等等。發(fā)明也為他贏得“無線電之父”、“電視始祖”和“電子管之父”的稱號。 它用了18800只真空管，占地1500平方英尺（約139平方米），重約30噸，每小時耗電20萬千瓦，價格40多萬美元，運算速度只有每秒5000次。這就是人們通常所說的世界

6、首臺電子計算機。 世界首臺電子計算機ENIAC二戰(zhàn)期間，美國軍方要求賓州大學為它們設(shè)計一種以真空管來取代繼電器來計算炮彈彈道的機器。 1946年2月14日，這種機器正式投入使用了。半個多世紀以來，電子管在電子技術(shù)中立下了很大功勞；但是電子管畢竟成本高，制造繁，體積大，耗電多，工作溫度過高和壽命短的特點限制了它的使用范圍 。時至今日，電子管仍在發(fā)揮作用。如電視機的顯像管、微波爐中產(chǎn)生微波的主要器件、在廣播、電視、通信發(fā)射機里的大功率發(fā)射管等。技術(shù)的進步，導致電子管從興旺走向衰敗，令人大有“無可奈何花落去”之感，但電子管在人類科技發(fā)展史上所占有的地位畢竟是不容忽視的。展望未來，電子管在相當長的一段

7、時間內(nèi)還將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。 威廉肖克利William Shockley 晶體管之父，他與美國貝爾電話實驗室的巴丁、布拉坦等人，在對半導體性質(zhì)進行廣泛研究的基礎(chǔ)上，終于在 1947年11月底發(fā)明了點接觸晶體管，并在12月16日正式宣布“晶體管”誕生。1948年，他的研發(fā)小組為晶體管技術(shù)申請了專利。 1949年他又提出了結(jié)型晶體管概念（sandwich-transistor），那是一種更小、更易散熱的硅晶片材料。一年后，結(jié)型晶體管研制成功，一場電子技術(shù)革命由此爆發(fā)。他不但被時代周刊評為了“20世紀最偉大的科學家之一”，也因發(fā)明“晶體管”而獲得了 1956 年的諾貝爾物理學獎。世界首臺晶體管計算機

8、1954年，貝爾實驗室研制出世界上第一臺全晶體管計算機TRADIC，裝有800只晶體管，僅100瓦功率，占地也只有3立方英尺。晶體管技術(shù)的優(yōu)勢非常的明顯，它明顯的降低了計算機的體積和功耗。這臺計算機的出現(xiàn)也標志著第二代計算機的開始。 1.1.3 集成電路 1958年，仙童公司Robert Noyce(羅伯特.諾依斯)與德儀公司Jack Kilby（杰克.基爾比）間隔數(shù)月分別發(fā)明了集成電路，開創(chuàng)了世界微電子學的歷史。 1961年4月25日，第一個晶體管電路專利被授予了前者：Robert Noyce。 世界首款集成塊Jack Kilby時 期規(guī) 模集成度（元件數(shù)）50年代末小規(guī)模集成電路（SSI）

9、10060年代中規(guī)模集成電路（MSI）100070年代大規(guī)模集成電路（LSI）100070年代末超大規(guī)模集成電路（VLSI）1000080年代特大規(guī)模集成電路（ULSI）100000 1985年，1兆位ULSI的集成度達到200萬個元件，器件條寬僅為1微米；1992年，16兆位的芯片集成度達到了3200萬個元件，條寬減到0.5微米，而后的64兆位芯片，其條寬僅為0.3微米。集成電路階段集成電路制造技術(shù)的發(fā)展日新月異，其中最具有代表性的集成電路芯片主要包括以下幾類，它們構(gòu)成了現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的基石?？删幊踢壿嬈骷≒LD）微控制芯片（MCU）數(shù)字信號處理器（DSP）大規(guī)模存儲芯片（RAM/ROM）

10、電子設(shè)計技術(shù)的核心就是EDA技術(shù)。EDA是指以計算機為工作平臺，融合應(yīng)用電子技術(shù)、計算機技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果而研制成的電子CAD通用軟件包，主要能輔助進行三方面的設(shè)計工作，即IC設(shè)計、電子電路設(shè)計和PCB設(shè)計。1.1.4 EDA技術(shù)電子系統(tǒng)設(shè)計自動化(ESDA)階段（ 90年代以后）： 設(shè)計人員按照“自頂向下”的設(shè)計方法，對整個系統(tǒng)進行方案設(shè)計和功能劃分，系統(tǒng)的關(guān)鍵電路用一片或幾片專用集成電路（ASIC）實現(xiàn)，然后采用硬件描述語言（HDL）完成系統(tǒng)行為級設(shè)計，最后通過綜合器和適配器生成最終的目標器件。計算機輔助設(shè)計(CAD)階段（70年代）： 用計算機輔助進行IC版圖編輯、PCB布局布線，

11、取代了手工操作。計算機輔助工程(CAE)階段（80年代）： 與CAD相比，CAE除了有純粹的圖形繪制功能外，又增加了電路功能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且通過電氣連接網(wǎng)絡(luò)表將兩者結(jié)合在一起，實現(xiàn)了工程設(shè)計。CAE的主要功能是：原理圖輸入，邏輯仿真，電路分析，自動布局布線，PCB后分析。EDA技術(shù)發(fā)展的三個階段納米技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合出現(xiàn)了納米電子學。主要是將集成電路的幾何結(jié)構(gòu)進一步減小，超越目前發(fā)展中遇到的極限，研制出體積更小、速度更快、功耗更低的新一代量子功能器件，因而使得功能密度和資料傳輸率達到目前難以想象的水平。其性能涉及放大、振蕩、脈沖技術(shù)、運算處理和讀寫等基本問題。其新原理主要基于電子的波動

12、性、電子的量子隧道效應(yīng)、電子能級的不連續(xù)性、量子尺寸效應(yīng)和統(tǒng)計漲落特性等。1.1.5 納米電子技術(shù)目前，以北威州納米研究聯(lián)合會和埃森大學為首的多家德國科研機構(gòu)已研制成功單電子納米開關(guān)，即在納米電路中用個電子實現(xiàn)硅芯片半導體電路中10萬個電子才能實現(xiàn)的“通”、“斷”特性。美國的IBM和日本的日立也相繼研制成功了單電子晶體管?？茖W家稱，這種電路有可能成為未來更小、更精確和能耗更低的芯片的基礎(chǔ) 美國認為納米科技是國防工業(yè)的未來，世界上各主要軍事大國，也都投入大量經(jīng)費，開展研制試驗，制造納米武器。作為軍事信息技術(shù)重要基礎(chǔ)的軍用微電子技術(shù)，如果一旦得到納米技術(shù)的支撐，將促使以微電子技術(shù)為代表的當代信息技

13、術(shù)實現(xiàn)向以納米技術(shù)和分子器件為代表的智能信息技術(shù)的巨大轉(zhuǎn)變。納米電子技術(shù)對未來軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域的驅(qū)動力，將遠遠超出當前微電子技術(shù)對信息戰(zhàn)的影響，也必將在世界范圍引發(fā)一場真正意義的新軍事革命，并把電子信息戰(zhàn)水平推向更新、更高級的發(fā)展階段。 納米電子技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用 采用納米技術(shù)制造的微型晶體管和存儲器芯片將使存儲密度、計算速度和效率提高數(shù)百萬倍，大大縮小計算機的體積和重量，而能耗卻可降低到今天的幾十萬分之一。一旦這種具有原子精密度的新型計算機取代現(xiàn)有的計算設(shè)備用于軍事作戰(zhàn)，必將實現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破，從而提高系統(tǒng)的可靠性、機動性、生存能力和工作效能 納米計算機系統(tǒng) 美國黑寡婦超微型飛

14、行器長度不超過15cm，成本不超過1000美元，重50g，裝備有GPS、微攝像機和傳感器等精良設(shè)備。德國美因茲微技術(shù)研究所科學家研制成功微型直升機，長24mm、高8mm、質(zhì)量為400 mg，小到可以停放在一顆花生上。 納米飛機偵察和干擾系統(tǒng) 最誘人的應(yīng)用前景是利用納米電子學與納米生物學相結(jié)合可研制分子機器。分子機器將是含有納米電腦的可人-機對話的并具有自我復(fù)制 能力的納米裝置。分子機器一旦研制成功，它能在1秒種內(nèi)完成數(shù)十億個操作動 作，可在幾秒鐘內(nèi)完成現(xiàn)在幾天或幾個月才能完成的工作。利用分子機器人可 在血液中回圈，可對身體各部位進行檢測、診斷和實施特殊治療。還可創(chuàng)造出 全新的作戰(zhàn)手段。利用昆蟲

15、作平臺，把分子機器人植入昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)中控制 昆蟲飛向敵方收集情報，使目標喪失功能。此機器人還可進入人體的血管，是 一種看不見的冷血殺手。二、模擬信號與模擬電路1. 電子電路中信號的分類數(shù)字信號：離散性 模擬信號：連續(xù)性。大多數(shù)物理量為模擬信號。 2. 模擬電路 模擬電路是對模擬信號進行處理的電路。 最基本的處理是對信號的放大，有功能和性能各異的放大電路。 其它模擬電路多以放大電路為基礎(chǔ)。“1”的電壓當量“1”的倍數(shù)介于K與K+1之間時需根據(jù)閾值確定為K或K+1任何瞬間的任何值均是有意義的三、電子信息系統(tǒng)的組成模擬電子電路數(shù)字電子電路（系統(tǒng)）傳感器接收器隔離、濾波、放大運算、轉(zhuǎn)換、比較功放模擬

16、-數(shù)字混合電子電路模擬電子系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)四、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課的特點 1、工程性 實際工程需要證明其可行性。強調(diào)定性分析。 實際工程在滿足基本性能指標的前提下總是容許存 在一定的誤差范圍的。 定量分析為“估算”。 近似分析要“合理”。 抓主要矛盾和矛盾的主要方面。 電子電路歸根結(jié)底是電路。不同條件下構(gòu)造不同模型。2. 實踐性 常用電子儀器的使用方法 電子電路的測試方法 故障的判斷與排除方法 EDA軟件的應(yīng)用方法五、如何學習這門課程1. 掌握基本概念、基本電路和基本分析方法 基本概念：概念是不變的，應(yīng)用是靈活的， “萬變不離其宗”。 基本電路：構(gòu)成的原則是不變的，具體電路是多種多樣的。 基本分析方法：不同類型的電路有不同的性能指標和描述方法，因而有不同的分析方法。2. 注意定性分析和近似分析的重要性 3. 學會辯證、全面地分析電子電路中的問題 根據(jù)需求，最適用的電路才是最好的電路。 要研究利弊關(guān)系，通?！坝幸焕赜幸槐住?。4. 注意電路中常用定理在電子電路中的應(yīng)用六、課程的目的1. 掌握基本概念、基本電路、基本方法和基本實驗技能。2. 具有能夠繼續(xù)深入學習和接受電子技術(shù)新發(fā)展的能力，