现代电子线路00绪论课件.ppt

1、School of Physics, Peking University绪论 No.12022-3-25一、电子学发展史自1904年第一只电子管问世以来，电子技术在短短百年间迅猛发展，已经成为与人们生产生活密不可分的一项技术，它的发展史大致可分为四个阶段：1907年，美国科学家李德福雷斯特（Lee de Forest ）在真空二极管中加 入金属栅网，使之成为具有放大作用的真空三极管（电子管），标志电子器件真正走向应用。德福雷斯特也被称为“电子管之父”。经过两次世界大战的洗礼，随着雷达、无线电通讯、广播、电视的发展，电子管得到了广泛应用，电子技术也日趋成熟。1946年2月，美国宾夕法尼亚大学诞生

2、了世界上第一台电子计算机ENIAC。电子管收音机第一代电子管：电子管是由电子在真空中的运动来实现电传导的一种器件。真空二级管1904年，英国电气工程师弗莱明（J. Fleming）为取代用于无线电检波的矿石检波器，利用爱迪生效应（真空中碳丝的热电子蒸发），在真空灯泡里装上碳丝和铜板，分别充当阴极和阳极，则灯泡里的电子就能实现单向流动。 从而发明了世界上第一只电子管真空二极管。由于真空二极管的性能不如当时的矿石检波器，并没有得到广泛应用。第一只电子管电子管School of Physics, Peking University绪论 No.22022-3-25ENIAC电子数字积分机和计算机(El

3、ectronic Numerical Integrator and Computer)，由美国陆军军械部赞助，于1943年在宾夕法尼亚大学摩尔电机学院开始研制，用于计算新型火炮的弹道表。1946年2月开始服役，1955年10月退役。ENIAC占地170平方米，有8英尺高，3英尺宽，100英尺长，装有16种型号的17468个电子管、7200个二极管，6000个继电器、70000个电阻器、10000个电容器，总重量30吨，耗电174KW。ENIAC内存极小，只能存20个字长为10位的二进制数，所有的程序和指令都是通过外设来完成的，即通过数百根多芯导线与相应接口的连接完成。而且如果要进行另一项运算，

4、就必须把这些导线重新连接。另外， ENIAC的可靠性也很差（平均无故障运行时间：7min），一般稳定工作的时间只有几个小时。但尽管有如此多的缺陷，在服役十年中， ENIAC的算术运算量比有史以来人类大脑所有运算量的总和还要多。1952年12月IBM公司研制出IBM第一台存储程序计算机，也是通常意义上的电脑IBM701。ENIAC有5种功能：每秒5000次加法运算；3毫秒可完成10位乘法运算；平方和立方计算；sin和cos函数数值运算；其他更复杂的计算。School of Physics, Peking University绪论 No.32022-3-25第二代晶体管：晶体管装置（NPN Ge）

5、 电子管与晶体管第一台晶体管收音机 (1955年) 最早的晶体管电视机(1960年) 巴丁布拉顿肖克利 (19081991) (19021987)(19101989)1947年12月23日，工作于贝尔实验室的威廉肖克利（WBShockley）、沃尔特布拉顿（WHBrattain）和约翰巴丁（JBardeen），用几条金箔片，一片锗半导体材料和一个弯纸架制成一个小模型，可以传导、放大和开关电流。他们把这一发明称为“点接晶体管放大器”。标志着第一只晶体管的诞生。他们也因“20世纪最重要的发明”而获得1956年诺贝尔物理学奖。 （Shockley给出了实现放大器的基本设想，Bardeen提出了表面态

6、理论，Brattain设计了实验）1954年，随着高纯硅工业提炼技术的成熟，硅晶体管开始使用，晶体管收音机、电视机也陆续问世。School of Physics, Peking University绪论 No.42022-3-25第三代集成电路：1959年1月，德克萨斯仪器公司（TI）宣布发明集成电路，是以锗做的单晶片，上面有5个元件，其中有四个晶体管。发明人是工程师杰克基尔比（JKilby），他因此而获得2000年诺贝尔物理学奖。基尔比发明的集成电路诺依斯发明的集成电路Moore定律（1964年）：每18个月芯片集成度（每平方毫米晶体管数）提高一倍。这个预测已为实践所证实，例如： 1980年

7、单片存储器容量为16kbits，而1998年单片存储器容量为16Mbits，18年增长了210 = 1024倍。同年7月，仙童公司（Fairchild）的罗伯特诺伊斯（NNoyce ）发明了硅集成电路。同时，仙童公司首创了一整套半导体平面工艺技术，包括扩散、掩模、照相、光刻、金属蒸发沉积1968年8月诺伊斯与负责研发的戈登摩尔和工艺开发专家安迪格罗夫离开仙童，创立了英特尔（Intel）公司。School of Physics, Peking University绪论 No.52022-3-254004808680286i386i486PentiumPentium IIIPentium IVIt

8、atium 280088080Pentium IIItatiumSchool of Physics, Peking University绪论 No.62022-3-25第四代大规模、超大规模集成电路：第一代CPU：Intel 4004随着半导体平面技术的成熟，在一片晶体上集成的晶体管数量越来越多，上世纪六十年代末出现了大规模、超大规模集成电路，具有代表性的是1971年英特尔公司推出的第一代中央处理器：4004，它在34毫米芯片面积上集成晶体管2250个，每个晶体管之间的距离是10微米，4比特总线配置，108千赫，每秒运算速度达6万次，当时售价为200美元。 2010年3月，英特尔公司推出了We

9、stmere架构、Gulftown核心的Core i7 980X 3.33GHz CPU，采用32纳米、6核、12线程技术，在248平方毫米的芯片上集成了11.7亿个晶体管。Intel Core i7 920 设计图 (small scale integration)(medium )(large )(very large )(ultra large )(giga )School of Physics, Peking University绪论 No.72022-3-25高密度集成高密度集成实现手段：内部导线变细。集成度的提高，将使电子设备从电路板 二次集成 片上系统（SOC）系统设计从器件级

10、门级 标准单元级 可编程模块单片收音机硅单晶片与加工好的硅片二、电子学发展方向School of Physics, Peking University绪论 No.82022-3-25高性能高性能一、高频高速l电子设备应用十分广泛，频率资源不足，只能开辟频率更高的频段。l对于数字电路，为完成高数据率信号（例如高清晰度电视）的实时处理，需要电路具有很高的时钟频率。二、低压低耗l随着集成度的提高，芯片内线条和线间距离已进入亚微米量级，使用高电源电压使线间电场强度过高，不利于电路的安全工作。l便携设备使用越来越广泛，为设备供电电池的尺寸、重量、容量和价格成为制约便携设备的关键问题之一，降低设备的功耗是

11、重要的解决方法。MFHFVHFUHFSHFEHF100kHz1MHz10MHz100MHz1GHz10GHz1000GHzSiGaAsSchool of Physics, Peking University绪论 No.92022-3-25 可编程可编程20世纪电气领域的四个重大变化：从电力到电子，从电子管到晶体管，从分立元件到集成电路和从固定功能到可编程。可编程实现了在同一硬件平台上利用编程方法实现不同功能。可编程硬件平台在数字电路中容易实现并已经取得迅速的发展，例如：可编程逻辑器件、数字信号处理器、虚拟仪器。发展动力：对电子系统的需求l系统功能越来越复杂，性能要求越来越高；l要求体积小，重量

12、轻，功耗低，成本低；l高工作稳定性和可靠性；l生产过程的少调整和无调整。支撑点：l半导体器件与集成电路工艺的进步；l计算机辅助设计工具的完善；l新材料的开发与应用（GaAs、InP、SiC、GaN、InSb、SiGe、SOI绝缘体硅、碳纳米管等）。School of Physics, Peking University绪论 No.102022-3-25三、现代物理量测量与电子学电子测量仪器的发展按所采用的技术分按仪器结构（可扩展性）和实现形式分模拟仪器数字化仪器智能仪器单台仪器模块化仪器虚拟仪器技术基础：微电子技术、数字信号处理技术、计算机技术电子仪器测量系统信号采集（包括传感器电路、信号调理

13、电路）信号分析与处理结果表达与输出+School of Physics, Peking University绪论 No.112022-3-25虚拟仪器：虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。数据采集板（卡）PC软件+=虚拟仪器School of Physics, Peking University绪论 No.122022-3-25传传 统统 仪仪 器器虚虚 拟拟 仪仪 器器功能由仪器厂商定义功能由用户自己定

14、义与其它仪器设备的连接十分有限可方便地与网络外设及多种仪器连接图形界面小，人工读取数据，信息量小界面图形化，计算机直接读取数据并分析处理数据无法编辑数据可编辑、存储、打印硬件是关键部分软件是关键部分价格昂贵价格低廉，仅是传统仪器的五至十分之一系统封闭、功能固定、可扩展性差基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器技术更新慢技术更新快开发和维护费用高基于软件体系的结构可大大节省开发费用School of Physics, Peking University绪论 No.132022-3-25现代电子仪器测量系统发展趋势微型化、智能化、网络化 新材料、新技术的应用传感器技术、EDA（Electron

15、ic Design Automatic电子设计自动化）、CAM（Computer-Aided Manufacturing计算机辅助制造）、CAT（Computer Aided Testing计算机辅助测试）、DSP（Digital Signal Processing数字信号处理）、ASIC（Application Specific Integrated Circuit专用集成电路）及SMT（Surface Mounting Technology表面贴装技术）。 性能日趋完善高精度（时间测量已达飞秒（10-15s）量级）、高灵敏度（Agilent的高性能频谱分析仪(PSA：High-Perfor

16、mance Spectrum Analyzer) 的灵敏度达到-169dBm，接近于热噪声）、高稳定性、高可靠性、无污染、长寿命。School of Physics, Peking University绪论 No.142022-3-25 仪器与计算机的融合大部分仪器提供标准的计算机接口（标准串口、标准并口、USB接口、局域网接口、无线接口），而虚拟仪器中计算机更是作为仪器的主体，可以说计算机就是仪器，或软件就是仪器。 在线分析仪器快速发展适应过程分析要求，提供实时、非侵入式在线分析功能和在线连续监测功能的仪器，得到迅速发展。 School of Physics, Peking University绪论 No.152022-3-25 仪器网络化和网络化仪器远程测量系统以计算机技术、网络通信技术为基础，构建分布式测控网络，可以提高效率、共享信息资源。网络技术的应用，将给现代测量技术带来无限的拓展空间。