現(xiàn)代電子線路00緒論課件

一、電子學(xué)發(fā)展史

自1904年第一只電子管問世以來，電子技術(shù)在短短百年間迅猛發(fā)展，已經(jīng)成為與人們生產(chǎn)生活密不可分的一項技術(shù)，它的發(fā)展史大致可分為四個階段：

1907年，美國科學(xué)家李·德·福雷斯特（LeedeForest）在真空二極管中加入金屬柵網(wǎng)，使之成為具有放大作用的真空三極管（電子管），標(biāo)志電子器件真正走向應(yīng)用。德福雷斯特也被稱為“電子管之父”。經(jīng)過兩次世界大戰(zhàn)的洗禮，隨著雷達、無線電通訊、廣播、電視的發(fā)展，電子管得到了廣泛應(yīng)用，電子技術(shù)也日趨成熟。1946年2月，美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生了世界上第一臺電子計算機——ENIAC。電子管收音機第一代——電子管：電子管是由電子在真空中的運動來實現(xiàn)電傳導(dǎo)的一種器件。真空二級管

1904年，英國電氣工程師弗萊明（J.Fleming）為取代用于無線電檢波的礦石檢波器，利用愛迪生效應(yīng)（真空中碳絲的熱電子蒸發(fā)），在真空燈泡里裝上碳絲和銅板，分別充當(dāng)陰極和陽極，則燈泡里的電子就能實現(xiàn)單向流動。從而發(fā)明了世界上第一只電子管——真空二極管。由于真空二極管的性能不如當(dāng)時的礦石檢波器，并沒有得到廣泛應(yīng)用。第一只電子管電子管2023/8/151一、電子學(xué)發(fā)展史自1904年第一只電子管問世以來，電子技ENIAC——電子數(shù)字積分機和計算機(ElectronicNumericalIntegratorandComputer)，由美國陸軍軍械部贊助，于1943年在賓夕法尼亞大學(xué)摩爾電機學(xué)院開始研制，用于計算新型火炮的彈道表。1946年2月開始服役，1955年10月退役。

ENIAC占地170平方米，有8英尺高，3英尺寬，100英尺長，裝有16種型號的17468個電子管、7200個二極管，6000個繼電器、70000個電阻器、10000個電容器，總重量30噸，耗電174KW。

ENIAC內(nèi)存極小，只能存20個字長為10位的二進制數(shù)，所有的程序和指令都是通過外設(shè)來完成的，即通過數(shù)百根多芯導(dǎo)線與相應(yīng)接口的連接完成。而且如果要進行另一項運算，就必須把這些導(dǎo)線重新連接。另外，ENIAC的可靠性也很差（平均無故障運行時間：7min），一般穩(wěn)定工作的時間只有幾個小時。但盡管有如此多的缺陷，在服役十年中，ENIAC的算術(shù)運算量比有史以來人類大腦所有運算量的總和還要多。

1952年12月IBM公司研制出IBM第一臺存儲程序計算機，也是通常意義上的電腦——IBM701。

ENIAC有5種功能：每秒5000次加法運算；3毫秒可完成10位乘法運算；平方和立方計算；sin和cos函數(shù)數(shù)值運算；其他更復(fù)雜的計算。2023/8/152ENIAC——電子數(shù)字積分機和計算機(Electronic第二代——晶體管：晶體管裝置（NPNGe）

電子管與晶體管第一臺晶體管收音機(1955年)

最早的晶體管電視機(1960年)

巴丁布拉頓肖克利

(1908～1991)

(1902～1987)

(1910～1989)

1947年12月23日，工作于貝爾實驗室的威廉·肖克利（W·B·Shockley）、沃爾特·布拉頓（W·H·Brattain）和約翰·巴丁（J·Bardeen），用幾條金箔片，一片鍺半導(dǎo)體材料和一個彎紙架制成一個小模型，可以傳導(dǎo)、放大和開關(guān)電流。他們把這一發(fā)明稱為“點接晶體管放大器”。標(biāo)志著第一只晶體管的誕生。他們也因“20世紀(jì)最重要的發(fā)明”而獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎。（Shockley給出了實現(xiàn)放大器的基本設(shè)想，Bardeen提出了表面態(tài)理論，Brattain設(shè)計了實驗）

1954年，隨著高純硅工業(yè)提煉技術(shù)的成熟，硅晶體管開始使用，晶體管收音機、電視機也陸續(xù)問世。2023/8/153第二代——晶體管：晶體管裝置（NPNGe）電子管與晶體管第三代——集成電路：1959年1月，德克薩斯儀器公司（TI）宣布發(fā)明集成電路，是以鍺做的單晶片，上面有5個元件，其中有四個晶體管。發(fā)明人是工程師杰克·基爾比（J·Kilby），他因此而獲得2000年諾貝爾物理學(xué)獎?；鶢柋劝l(fā)明的集成電路諾依斯發(fā)明的集成電路Moore定律（1964年）：每18個月芯片集成度（每平方毫米晶體管數(shù)）提高一倍。這個預(yù)測已為實踐所證實，例如：1980年單片存儲器容量為16kbits，而1998年單片存儲器容量為16Mbits，18年增長了210=1024倍。同年7月，仙童公司（Fairchild）的羅伯特·諾伊斯（N·Noyce）發(fā)明了硅集成電路。同時，仙童公司首創(chuàng)了一整套半導(dǎo)體平面工藝技術(shù)，包括擴散、掩模、照相、光刻、金屬蒸發(fā)沉積……1968年8月諾伊斯與負(fù)責(zé)研發(fā)的戈登·摩爾和工藝開發(fā)專家安迪·格羅夫離開仙童，創(chuàng)立了英特爾（Intel）公司。2023/8/154第三代——集成電路：1959年1月，德克薩斯儀器公司（TI）4004808680286i386i486PentiumPentiumIIIPentiumIVItatium280088080PentiumIIItatium2023/8/1554004808680286i386i486PentiumPe第四代——大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路：第一代CPU：Intel4004隨著半導(dǎo)體平面技術(shù)的成熟，在一片晶體上集成的晶體管數(shù)量越來越多，上世紀(jì)六十年代末出現(xiàn)了大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，具有代表性的是1971年英特爾公司推出的第一代中央處理器：4004，它在3×4毫米芯片面積上集成晶體管2250個，每個晶體管之間的距離是10微米，4比特總線配置，108千赫，每秒運算速度達6萬次，當(dāng)時售價為200美元。2010年3月，英特爾公司推出了Westmere架構(gòu)、Gulftown核心的Corei7980X3.33GHzCPU，采用32納米、6核、12線程技術(shù)，在248平方毫米的芯片上集成了11.7億個晶體管。IntelCorei7920設(shè)計圖(smallscaleintegration)(medium~)(large~)(verylarge~)(ultralarge~)(giga~)2023/8/156第四代——大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路：第一代CPU：Intel高密度集成實現(xiàn)手段：內(nèi)部導(dǎo)線變細(xì)。集成度的提高，將使電子設(shè)備從電路板二次集成片上系統(tǒng)（SOC）系統(tǒng)設(shè)計從器件級門級標(biāo)準(zhǔn)單元級可編程模塊單片收音機硅單晶片與加工好的硅片二、電子學(xué)發(fā)展方向2023/8/157高密度集成單片收音機硅單晶片與加工好的硅片二、電子學(xué)發(fā)展方向高性能一、高頻高速電子設(shè)備應(yīng)用十分廣泛，頻率資源不足，只能開辟頻率更高的頻段。對于數(shù)字電路，為完成高數(shù)據(jù)率信號（例如高清晰度電視）的實時處理，需要電路具有很高的時鐘頻率。二、低壓低耗隨著集成度的提高，芯片內(nèi)線條和線間距離已進入亞微米量級，使用高電源電壓使線間電場強度過高，不利于電路的安全工作。便攜設(shè)備使用越來越廣泛，為設(shè)備供電電池的尺寸、重量、容量和價格成為制約便攜設(shè)備的關(guān)鍵問題之一，降低設(shè)備的功耗是重要的解決方法。MFHFVHFUHFSHFEHF100kHz1MHz10MHz100MHz1GHz10GHz1000GHzSiGaAs2023/8/158高性能MFHFVHFUHFSHFEHF100kHz1MHz1可編程20世紀(jì)電氣領(lǐng)域的四個重大變化：從電力到電子，從電子管到晶體管，從分立元件到集成電路和從固定功能到可編程?？删幊虒崿F(xiàn)了在同一硬件平臺上利用編程方法實現(xiàn)不同功能?？删幊逃布脚_在數(shù)字電路中容易實現(xiàn)并已經(jīng)取得迅速的發(fā)展，例如：可編程邏輯器件、數(shù)字信號處理器、虛擬儀器。發(fā)展動力：對電子系統(tǒng)的需求系統(tǒng)功能越來越復(fù)雜，性能要求越來越高；要求體積小，重量輕，功耗低，成本低；高工作穩(wěn)定性和可靠性；生產(chǎn)過程的少調(diào)整和無調(diào)整。支撐點：半導(dǎo)體器件與集成電路工藝的進步；計算機輔助設(shè)計工具的完善；新材料的開發(fā)與應(yīng)用（GaAs、InP、SiC、GaN、InSb、SiGe、SOI絕緣體硅、碳納米管等）。2023/8/159可編程發(fā)展動力：對電子系統(tǒng)的需求支撐點：2023/8/29三、現(xiàn)代物理量測量與電子學(xué)電子測量儀器的發(fā)展按所采用的技術(shù)分按儀器結(jié)構(gòu)（可擴展性）和實現(xiàn)形式分模擬儀器數(shù)字化儀器智能儀器單臺儀器模塊化儀器虛擬儀器技術(shù)基礎(chǔ)：微電子技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、計算機技術(shù)電子儀器測量系統(tǒng)信號采集（包括傳感器電路、信號調(diào)理電路）信號分析與處理結(jié)果表達與輸出++2023/8/1510三、現(xiàn)代物理量測量與電子學(xué)電子測量按所采用的技術(shù)分按儀器結(jié)構(gòu)虛擬儀器：虛擬儀器利用個人計算機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器價格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。數(shù)據(jù)采集板（卡）PC軟件++=虛擬儀器2023/8/1511虛擬儀器：虛擬儀器利用個人計算機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能2023/8/15122023/8/212現(xiàn)代電子儀器測量系統(tǒng)發(fā)展趨勢——微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化

新材料、新技術(shù)的應(yīng)用傳感器技術(shù)、EDA（ElectronicDesignAutomatic電子設(shè)計自動化）、CAM（Computer-AidedManufacturing計算機輔助制造）、CAT（ComputerAidedTesting計算機輔助測試）、DSP（DigitalSignalProcessing數(shù)字信號處理）、ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit專用集成電路）及SMT（SurfaceMountingTechnology表面貼裝技術(shù)）。

性能日趨完善高精度（時間測量已達飛秒（10-15s）量級）、高靈敏度（Agilent的高性能頻譜分析儀(PSA：High-PerformanceSpectrumAnalyzer)

的靈敏度達到-169dBm，接近于熱噪聲）、高穩(wěn)定性、高可靠性、無污染、長壽命。2023/8/1513現(xiàn)代電子儀器測量系統(tǒng)發(fā)展趨勢——微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化新材

儀器與計算機的融合大部分儀器提供標(biāo)準(zhǔn)的計算機接口（標(biāo)準(zhǔn)串口、標(biāo)準(zhǔn)并口、USB接口、局域網(wǎng)接口、無線接口），而虛擬儀器中計算機更是作為儀器的主體，可