信息科学与电子工程专业英语(王朔中)课程翻译上.doc

Unit 1 电子学：模拟和数字Unit 1-1第一部分：理想运算放大器和实际限制为了讨论运算放大器的理想参数，我们必须首先定义一些指标项，然后对这些指标项讲述我们所认为的理想值。第一眼看运算放大器的性能指标表，感觉好像列出了大量的数值，有些是陌生的单位，有些是相关的，经常使那些对运放不熟悉的人感到迷惑。对于这种情况我们的方法是花上必要的时间有系统的按照列出的次序阅读并理解每一个定义。如果没有对每一项性能指标有一个真正的评价，设计人员必将失败。目标是能够依据公布的数据设计电路，并确认构建的样机将具有预计的功能。对于线性电路而言，它们与现在的复杂逻辑电路结构相比看起来较为简单，（因而在设计中）太容易忽视具体的性能参数了，而这些参数可极大地削弱预期性能。现在让我们来看一个简单但很引人注意的例子。考虑对于一个在50kHz频率上电压增益为10的放大器驱动10kW负载时的要求。选择一个普通的带有内部频率补偿的低价运放，它在闭环增益为10时具有所要求的带宽，并且看起来满足了价格要求。器件连接后，发现有正确地增益。但是它只能产生几伏的电压变化范围，然而数据却清楚地显示输出应该能驱动达到电源电压范围以内2到3伏。设计人员忽视了最大输出电压变化范围是受频率严格限制的，而且最大低频输出变化范围大约在10 kHz受到限制。当然，事实上这个信息也在数据表上，但是它的实用性并没有受到重视。这种问题经常发生在那些缺乏经验的设计人员身上。所以这个例子的寓意十分明显：在开始设计之前总要花上必要的时间来描写全部的工作要求。关注性能指标的详情总是有益的。建议下面列出的具体的性能指标应该考虑：1. 在温度，时间和供给电压下的闭环增益的精确性和稳定性2. 电源要求，电源和负载阻抗，功率消耗3. 输入误差电压和偏置电流，输入输出电阻，随着时间和温度的漂移4. 频率响应，相位偏移，输出变化范围，瞬态响应，电压转换速率，频率稳定性，电容性负载驱动，过载恢复5. 线性，失真和噪声6. 输入，输出或电源保护要求，输入电压范围，共模抑制7. 外部补偿调整要求不是所有的指标项都是有关的，但要记住最初就考虑它们会更好，而不要被迫返工。所有参数可以大范围变化不要忽略这样一个事实。有多少次是在用典型值设计好电路后发现（该电路）只是因为使用的器件不典型而不能工作？这就提出一个棘手的问题：在设计中何时应该使用典型值，何时应该使用最不利值？这是经验丰富的设计人员也必须进行的判断。显然，如果某些性能要求是强制性的，则一定要用最不利情况下的数值。然而在许多情况下某一规定性能是否可以取得将在易实现性，重要性，经济性之间取得折中。不超指标设计或超安全标准设计最后，我们将受制于价格因素，因为杀鸡用牛刀实在是没有意义的。简单极为重要，因为用较少元器件实现（的电路）总是更便宜也更可靠。作为最不利情况设计的例子，考虑一个低增益直流传感器放大器，要求将电压源输出的10mV信号放大，产生1V的输出，在070C范围内达到1%的精度。注意，性能要求是1%的精度。这就是指输出必须在070C温度范围内控制在1 V 10 mV的限度内。第一步，当然是考虑前面的列表，并决定其中哪些参数是有关的。对这样（非常有限）的参数，两项最重要的指标是电压偏移和对于温度的增益稳定性。我们假设所有的起始误差可以忽略不计（这在实际中是几乎不可能的）。经验丰富的设计人员会知道大多数运放具有极大的开环增益，经常远大于10000。闭环增益1%的变化意味着环路增益（将在下面说明）的变化在闭环增益为100时应该小于100%。很明显这将十分容易实现，设计人员会立刻知道计算中他可以使用开环增益的典型值。但是，补偿电压偏移却有所不同。许多运放技术指标仅仅给出补偿电压偏移的典型值，这很可能会在5mV/C的数量级，而未给出任何器件可以达到的最大值30mV/C。如果我们碰巧使用的是一个有最不利偏移的器件，那么放大器随温度而产生的误差可为2.1 mV，占所有误差源所产生的总的允许误差的相当大一部分。这就是我们可以肯定可使用开环增益典型值的情况，不过最大漂移很可能导致相当大的误差。在仔细的设计中这种判定是必要的，而且理解厂商的数据要更加仔细。这种考虑必须推广到前面列出的所有详细资料，除了最不利值通常是不会注明的。经常发现（技术规格表上）给出的值并非是经过100测试的。例如，采用统计测试可以保证90的器件的性能在给定范围之内。对于某些用户可能很不方便，他们依赖于技术指标所给出的性能，而随后发现却有“另外”10% 的器件被用在了他们的电路中。Unit 1-2第二部分：数据寄存器和计数器数据寄存器数据寄存器是寄存器中最简单的类型，它可以用来暂时存放数据的一个“字”。其最简单的形式是由共用一个时钟的一组N 个D触发器组成。N比特数据字中的所有位数通过N条数据总线连接数据寄存器。图1.1显示了一个由四个D触发器实现的四位数据寄存器。由于所有触发器同时改变状态，所以这种数据寄存器称为是同步器件。图1.1 四位D寄存器移位寄存器用于计算机和许多其它类型逻辑电路的另一种普通寄存器是移位寄存器。它就是一组触发器（通常是D锁存器或RS触发器）联在一起，使其中一个触发器的输出成为下一个的输入，依此形成一串。它称为移位寄存器，因为数据在每一个时钟脉冲的作用下通过寄存器移动一位。图1.2显示了一个由D触发器实现的四位移位寄存器。图1.2 四位串行输入串行输出的移位寄存器在第一个时钟脉冲的前沿，“DATA”输入端的信号被锁存在第一个触发器中。在下一个时钟脉冲的前沿，第一个触发器的内容被存放到第二个触发器中，而出现在“DATA”输入端的信号则存放在第一个触发器中，依此类推。由于每次有一位数据进入，因此被称为串行输入移位寄存器。由于仅有一个输出，每次从移位寄存器输出1比特数据，因此也称为串行输出移位寄存器。（移位寄存器根据它们的输入输出方式命名，不是串行的就是并行的）。通过预置和清除触发器输入端可以提供并行输入。触发器的并行加载可以是同步的（也就是由时钟脉冲发生），或者异步的（不依赖于时钟脉冲），取决于移位寄存器的设计。如图1.3从每个触发器的输出端可以获得并行输出。图1.3 四位串行输入并行输出的移位寄存器计算机与外设之间的通信一般都是串行的，而计算机内部的计算通常都是用并行逻辑电路来执行的。移位寄存器可以将信息从串行形式转换成并行形式，反之亦然。根据所要求的复杂程度，可以利用许多不同种类的移位寄存器。计数器二进制数字的加权编码在某种意义上，移位寄存器可以看作是一种基于一元数字系统的计数器。可惜的是一个一元计数器在计数范围内对于每一个数字需要一个触发器。然而，一个二进制计数器只需要一个触发器就可以进行N位数据计算。一个简单的二进制加权计数器可用T触发器来构建。触发器依次相连，使一个触发器的输出作为下一个的时钟，依此类推。这样，触发器在链中的位置决定了它的权重，即对于二进制计数器而言就是它所对应的2的幂。如图1.4显示了一个由T触发器组成的三比特（模八）二进制计数器，图1.5是此电路的时序图。图1.4三比特二进制计数器图1.5三比特计数器时序图注意，一组接在Q0, Q1, Q2上的灯泡将以二进制（模8）形式显示第一个脉冲以来已完成的完整时钟脉冲数。根据需要很多T触发器组合起来构成许多位数的计数器。注意在这种计数器中，每一个触发器在前一个触发器送来的脉冲下降沿改变状态。因此将略有时延，这是由一个触发器改变状态到下一个触发器改变状态之间的传播延迟造成的，即状态变化像波纹一样传过计数器，因而这些计数器被称为波纹计数器。就像波纹进位加法器一样，传播延时会对大数值计数器造成严重影响。可以通过制作或购买单片芯片计数器来实现计数器的递增计数、递减计数或者预置任何你想要的数字。一个计数器也可以构造出二十进制、十二进制或者任何进制数的计数器。一个倒计数计数器可以通过将输出连接到前一级计数器的时钟输入来实现。利用预置和清零端，通过用与门将每一个T触发器的输出与另一个逻辑电平作逻辑运算（比方说0为倒计数，1为正计数），则可构成可预置的可逆二进制计数器。图1.6显示了一个没有预置和清零功能的可逆计数器。图1.6可编程可逆计数器同步计数器以上介绍的是异步计数器，这样叫是因为他们的状态随前一级的状态变化而变化，而非同时变化。一个触发器的输出是下一个的输入，因而状态的变化以波动形式通过各个触发器，所需时间与计数器的长度成正比。可以利用JK触发器来设计同步计数器，所有触发器同时改变状态，即时钟脉冲将同时送给每一级JK触发器。这很容易做到，对于二进制计数器，只要所有前面的数字都是1，任何给定的数字都会改变它的值（从1变为0，或者从0变为1）。图1.7显示了一个四位二进制同步计数器的例子。一个倒计数定时器可通过将输出端通过与门连接到J和K端实现。也可以设置预置和清零功能，像前一种一样，计数器也可以做成可编程的。图1.7四比特同步计数器同步计数器的时序图类似于异步（波纹）计数器，除了波动时间现在为零以及所有计数器的时钟同时输入之外。对于同步计数器而言，在时钟上升沿触发比在下降沿触发更为常见。Unit 1-3第三部分：锁相特性锁相环包含三个组成部分（图1.8）： 相位检测器（PD）。 环路滤波器。 压控振荡器（VCO），其频率由外部电压控制。相位检测器将一个周期输入信号的相位与压控振荡器的相位进行比较。相位检测器的输出是它两个输入信号之间相位差的度量。差值电压由环路滤波后，再加到压控振荡器上。压控振荡器的控制电压使频率朝着减小输入信号与本振之间相位差的方向改变。当锁相环处于锁定状态时，控制电压使压控振荡器的频率正好等于输入信号频率的平均值。对于输入信号的每一周期，振荡器输出也变化一周，且仅仅变化一周。锁相环的一个显而易见的应用是自动频率控制（AFC）。用这种方法可以获得完美的频率控制，而传统的自动频率控制技术不可避免地存在某些频率误差。为了保持锁定环路所需的控制电压，通常要求相位检测器有一个非零的输出，所以环路是在有一些相位误差条件下工作的。不过实际上对于一个设计良好的环路这种误差很小。一个稍微不同的解释可提供理解环路工作原理的更好说明。让我们假定输入信号的相位或频率上携带了信息，并且此信号不可避免地受到加性噪声地干扰。锁相接收机的作用是重建原信号而尽可能地去除噪声。为了重建原始信号，接收机使用一个输出频率与预计信号频率非常接近的本机振荡器。本机振荡和输入信号的波形由相位检测器比较，其误差输出表示瞬时相位差。为了抑制噪声，误差在一定的时间间隔内被平均，将此平均值用于建立振荡器的频率。如果原信号状态良好（频率稳定），本机振荡器只需要极少信息就能实现跟踪，此信息可通过长时间的平均得到，从而消除可能很强的噪声。环路输入是含噪声的信号，而压控振荡器输出却是一个纯净的输入信号（的复本）。所以，有理由认为环路是一种传输信号并抑制噪声的滤波器。环路滤波器有两个重要的特性：其一是带宽可以非常窄，其二是滤波器能自动跟踪信号频率。自动跟踪和窄带的特点说明了锁相接收机的主要用途。窄带能够抑制大量的噪声，难怪锁相环路常用来恢复深深地淹没在噪声中的信号。历史与应用关于锁相的早期论述（思想）是Bellescize于1932年提出的，并在处理无线电信号同步接收中得到应用。20世纪20年代开始使用超外差接收机，但人们一直努力寻求更简单的接收技术。一种方法就是同步接收机或零差接收机。这种接收机本质上只是由一个本机振荡器，一个混频器和一个音频放大器组成。为了正常工作，必须调节振荡器使其输出频率与输入的信号载波频率完全一致，于是载波被变换成0Hz的“中频”。混频器输出含有解调出来的，由信号边带携带的信息。干扰与本地振荡器不同步，因此由干扰信号引起的混频器输出是一个拍音，可用音频滤波器加以抑制。对于同步接收，本振的正确调谐至关重要，任何一点频率误差都将严重损坏信号。此外，本振的相位必须与接收的载波相位一致，其间的误差限于周期的很小一部分。就是说，本振与输入信号之间必须实现相位锁定。由于各种原因简单的同步接收机从未广泛应用过。现在锁相接收机几乎无例外地运用超外差原理，并趋于高度复杂化。锁相接收机最重要的应用之一是接收来自遥远的宇宙飞行器的极微弱信号。锁相技术的首次广泛使用是在电视接收机中的行和帧的同步扫描。与视频信号一起传送的脉冲发出电视图像每一行的开始信号和隔行扫描的半帧开始信号。作为一种非常粗糙的重建电视显象管扫描光栅的方法，这些脉冲可以剥离出来单独用于触发一对单扫描发生器。一个较为复杂的途径是利用一对自由振荡的张弛振荡器驱动扫描发生器。用这种方法，即使失去同步（消失），扫描还是存在的。将振荡器的自由振荡频率设置得略低于水平和垂直（扫描）脉冲频率，剥离出来的脉冲用于提前触发振荡器从而使振荡器与行频和半帧频同步（由于美国电视在交替的垂直扫描时进行隔行交织，所以是半帧频）。在噪声不存在的情况下这种方案可提供良好的同步，这就完全可以了。不幸的是噪声总是存在的，并且任何触发电路对噪声都是特别敏感的。在极端情况下触发扫描将完全失效，尽管在这样的信噪比条件下电视图像虽然较差却还能辩认。 在不是极端恶劣的条件下，噪声将造成起始时间抖动和偶尔的误触发。行抖动将降低行清晰度,并使得垂直线条呈现锯齿状。严重的水平误触发通常会造成画面出现狭窄的水平黑带。帧扫描抖动会引起图像的垂直滚动。另外，相继半帧之间的隔行扫描行还会相对移动，使图像进一步恶（退）化。将两个振荡器与剥离出来的同步脉冲锁相可大大减小噪声起伏。锁相技术靠检查各振荡器和许多同步脉冲之间的相位关系来调节振荡频率，使得平均相位偏差很小，而不是仅用一个脉冲进行触发。由于锁相同步器检测许多脉冲，因此它不会被偶发的破坏同步器触发的大幅度脉冲噪声所干扰。目前电视接收机中使用的飞轮同步器实际上就是锁相环路。使用飞轮一词是因为此电路能够跟踪增加的噪声或微弱信号的周期。通过锁相可以获得同步性能的重大改进。在彩色电视接收机中色同步信号是由锁相环路同步的。宇宙飞行的需要强烈地刺激了锁相技术的应用。锁相的空间应用是随着早期美国人造卫星的发射而开始的。这些飞行体携带低功率（10毫瓦）的连续波发射机，相应的接收信号很微弱。由于多普勒频移和发射振荡器的频率漂移，接收信号的精确频率难以确定。在最初使用的108MHz频率上，多普勒频移可在3kHz范围内。因此使用普通的固定调谐接收机时，带宽至少应为6kHz，然而信号本身却只占非常窄的频谱，大约在6Hz带宽内。接收机中的噪声功率与带宽成正比，所以如果使用传统的技术，就不得不接受1000倍（30dB）噪声的代价。随着技术的进步这些数字变得更加惊人。发射频率上升到了S波段，使多普勒频移范围达到75kHz，而接收机带宽则已减小到3Hz。这样一来常规技术的代价就将是47dB左右。这是无法接受的，也就是要使用窄带的锁相跟踪接收机的原因所在。窄带滤波器能抑制噪声，但是如果滤波器被固定，则信号将几乎总是落在通带之外。一个可用的窄带滤波器必须有跟踪信号的能力。锁相环路既提供了窄带，又提供了所需的跟踪能力。而且，非常窄的带宽也能方便地获得（对于空间应用典型的是到1000Hz）。如果需要的话，还能容易地改变带宽。对于多普勒信号，用于确定飞船速度的信息是多普勒频移。锁相接收机很适合用于多普勒恢复，因为当锁相环路锁定时不存在频率误差。其它应用以下的应用阐述了目前锁相技术的一些应用，这些应用将在本书其他章节进一步讨论。1. 跟踪运动飞船的一种方法涉及到将相干信号发射到飞船上，将信号频率偏移并转发回地面。飞船上的相干应答器必须如此工作以使输入和输出频率严格地成m/n的比例关系，此处m和n都是整数。锁相技术经常被用来建立相干性。2. 锁相环可用作频率解调器，锁相环在其中比传统的鉴频器具有更优越的性能。3. 带有噪声的振荡器可被包围在环路内，并使之锁定在一个纯净的信号上。如果环路具有大的带宽，振荡器检测出自已的噪声，其输出被大大净化。4. 用锁相环路可构成频率倍乘器和分频器。5. 数字传输的同步通常应用锁相技术实现。6. 频率合成器可方便地用锁相环路构成。Unit 2 集成电路Unit 2-1第一部分：集成电路数字逻辑和电子电路由称为晶体管的电子开关得到它们的（各种）功能。粗略地说，晶体管好似一种电子控制阀，由此加在阀一端的能量可以使能量在另外两个连接端之间流动。通过多个晶体管的组合就可以构成数字逻辑模块，如与门和触发电路等。而晶体管是由半导体构成的。查阅大学化学书中的元素周期表，你会查到半导体是介于金属与非金属之间的一类元素。它们之所以被叫做半导体是由于它们表现出来的性质类似于金属和非金属。可使半导体像金属那样导电，或者像非金属那样绝缘。通过半导体和少量其它元素的混合可以精确地控制这些不同的电特性，这种混合技术称之为“半导体掺杂”。半导体通过掺杂可以包含更多的电子（N型）或更少的电子（P型）。常用的半导体是硅和锗，N型硅半导体掺入磷元素，而P型硅半导体掺入硼元素。不同掺杂的半导体层形成的三明治状夹层结构可以构成一个晶体管，最常见的两类晶体管是双极型晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET），图2.1给出了它们的图示。图中给出了这些晶体管的硅结构，以及它们用于电路图中的符号。BJT是NPN晶体管，因为由NPN掺杂硅三层构成。当小电流注入基极时，可使较大的电流从集电极流向发射极。图示的FET是N沟道的场效应型晶体管，它由两块被P型基底分离的N型组成。将电压加在绝缘的栅极上时，可使电流由漏极流向源极。它被叫做N沟道是因为栅极电压诱导基底上的N通道，使电流能在两个N区域之间流动。图2.1所示的另一个基本的半导体结构是二极管，由N型和P型硅连接而成的结组成。二极管的作用就像一个单向阀门，由于电流只能从P流向N。可以构建一些特殊二极管，在加电压时可以发光，这些器件非常合适地被叫做发光二极管或LED。这种小灯泡数以百万计地被制造出来，有各种各样的应用，从电话机到交通灯。半导体材料上制作晶体管或二极管所形成的小芯片用塑料封装以防损伤和被外界污染。在这封装里一些短线连接半导体夹层和从封装内伸出的插脚以便与（使用该晶体管的）电路其余部分连接。一旦你有了一些分立的晶体管，直接用电线将这些器件连线在一起就可以构建数字逻辑（电路）。电路会工作，但任何实质性的数字逻辑（电路）都将十分庞大，因为要在各种逻辑门中每实现一种都需要多个晶体管。1947年，John Bardeen、Walter Brattain和and William Shockley发明晶体管的时候。将多个晶体管组装在一个电路上的唯一方法就是购买多个分离的晶体管，将它们连在一起。1959年，Jack Kilby 和 Robert Noyce各自独立地发明了一种将多个晶体管做在同一片半导体材料上的方法。这个发明就是集成电路，或IC，是我们现代电脑化世界的基础。集成电路之所以被这样命名，是因为它将多个晶体管和二极管集成到同一块小的半导体芯片上。IC包含按照形成电路所要求的拓扑结构连在一起的许多小元件，而无需再将分立元件的导线焊接起来。去除了塑料或陶瓷封装后，一个典型的集成电路就是每一边2mm至15mm的方形或矩形硅片。根据制造集成电路的技术水平的不同，在这种小片上可能有几十个到几百万个晶体管，电子器件这种令人惊异的密度表明那些晶体管以及连接它们线是极其微小的。集成电路的尺寸是以微米为单位测量的，1微米是1米的百万分之一。作为参照，一根人的头发其直径大约为100微米。一些现代集成电路包含的元件和连线，是以小到0.1微米的增量来测量的。每年研究人员和工程师都在寻找新的方法来不断减小这些元件的大小，以便在同样面积的硅片上集成更多的晶体管，如图2.2所示。在集成电路的设计和制造过程中，常用两种主要晶体管技术是：双极和金属氧化物半导体（MOS）。双极工艺生产出来的是BJT（双极型晶体管），而MOS工艺生产出来的是FET（场效应晶体管）。在20世纪80年代以前更常用的集成电路是双极逻辑，但是此后MOS技术在数字逻辑集成电路中占据了大多数。N沟道FET是采用NMOS工艺生产的，而P沟道FET是采用PMOS工艺生产的。到了20世纪80年代，互补MOS即CMOS成为占主导地位的加工技术，并且延续至今。CMOS集成电路包含了NMOS和PMOS两种晶体管。Unit 2-2第二部分：专用集成电路（ASIC）专用集成电路（ASIC）是为了特殊应用而定制的集成电路，而不是通用的。比如，一片仅被设计用于运行蜂窝式电话的芯片是专用集成电路（ASIC）。相比之下，7400与4000系列集成电路是可以用导线连接的逻辑构建模块，适用于各种不同的应用。随着逐年来特征尺寸的缩小和设计工具的改进，ASIC中的最大复杂度从5000个门电路增长到了1亿个门电路，因而功能也有极大的提高。现代ASIC常包含32位处理器，包括ROM、RAM、EEPROM、Flash等存储器，以及其它大规模组件。这样的ASIC经常被称为SoC（片上系统）。数字ASIC的设计者们使用硬件描述语言（HDL），比如Verilog或VHDL语言来描述ASIC的功能。现场可编程门阵列（FPGA）是7400系列和面包板的现代版，它包括可编程逻辑块和可编程的模块之间的相互连接，使得相同的FPGA能够用于许多不同的场合。对于较小规模的设计或（与）小批量生产，FPGA可能比ASIC设计有更高的成本效率。不能循坏的工程费用（建立工厂生产特定ASIC的成本）可能会达到数十万美元。专用集成电路这一通用名词也包括FPGA，但是大多数设计者仅将ASIC用于非现场可编程的器件，将ASIC和FPGA两者区别开来。历史最初的ASIC使用门阵列技术。Ferranti在1980年左右制作了也许是第一片门阵列，ULA（自由逻辑阵列）。通过改变金属互相连接掩模产生了定制。ULA有多至几千个门电路的复杂度。之后的版本变得更通用，有适应用户的包含金属和多层硅的不同基底，有些基底包括RAM单元。标准单元设计在20世纪80年代中期，一个设计者要选择一家ASIC制造商，并用制造商提供的设计工具完成他们的设计工作。尽管有第三方设计工具，但第三方设计工具和不同的ASIC制造商的布线以及实际半导体工艺过程的性能之间却缺乏有效的联系。大多数的设计者最终使用工厂特制的工具来完成他们的设计。解决这个问题的一个方法是实现标准元件，这一问题也带来了更高密度的器件。每个ASIC制造商都可创造他们自己的具有已知电性能的功能块，如传播延迟器、电容、电感，这些都可以用第三方工具来表示（实现）。标准单元设计就是利用这些功能块来实现很高的门密度以及良好的电性能。标准单元设计使门阵列和全定制设计之间在一次性投入的工程费用和循环元件成本方面相互适应。直到80年代后期，逻辑综合工具，比如设计编译器，开始向广大设计者提供。这些工具能够将HDL描述语言编译成门级的网表。这就使得称作标准单元设计的设计方法成为可能。标准单元集成电路的设计过程在概念上需经过以下几个过程，但事实上在实际生产中这些工序都有较大的重叠。以工业界普通的熟练水平实现的这些步骤几乎总是产生能正确实现原设计的最终器件，除非后来在物理制造过程中引入了缺陷。设计工程师团队开始工作于对新的ASIC所要求功能的非正式理解，这通常来自于需求分析。 设计团队构建对ASIC芯片的描述并使用HDL语言实现这些目标。这一过程可类比于用高级语言编写计算机程序。这一过程常被称为RTL（寄存器传送级）设计。仿真验证目标的合适性。利用例如Virtutechs Simics工具，用软件构建的虚拟系统能以高达每秒数十亿条模拟指令的速度来模拟ASIC的功能。逻辑综合工具，比如设计编译器，将RTL设计转换成称为标准单元的较低层结构的集合。这些构成的元素是从一个标准单元库中得到的，这个库由事先规定好的门电路集合构成，例如2输入或非门，2输入与非门，非门等等。有计划的ASIC制造商有其特定的标准单元。所产生的所有标准单元，加上连接他们所需要的导线称为门级网表。 接着，门级网表由布局工具进行处理，将标准单元布局在代表最终ASIC的区域。努力寻找一种标准单元的布局服从各种规定的约束。有时，先进的技术比如模拟退火被用来优化布局。路由工具获取标准单元的物理布局，并利用网表来创建它们之间的电连接。由于搜索空间很大，该过程将产生满足充分条件的解，而不是全局最优解。这个过程的输出是一套光掩模使半导体制造产生实物的IC。接下来是对最终延时、寄生电阻和电容以及能量消耗的周全的评估。对于数字电路，这将被进一步对应为延迟信息，这些评估将用于最后一轮的测试。这一测试表明器件将在所有极端的过程、电压、温度下正常工作。当这项测试完成时，光掩模信息将被公布用于芯片制造。这些设计步骤（或流程）对于标准产品设计同样适用。重要的差别在于标准单元设计使用制造商的单元库，这些库已用于数以百计的其它设计实现，因而比起全定制设计来风险小得多。门阵列设计门阵列设计是一种制造方法，事先定义好扩散层（晶体管和其它有源器件），包含这些器件的晶片在金属化之前被库存，就是说先不进行联接。然后在物理设计过程中定义最终设计的连接。对设计者来说重要的是，ASIC相比在市场上可提供的FPGA解决方案，能达到最小的传播延时。门阵列ASIC是一种折中方案，因为将某一给定的设计与制造商库存的晶片相对应总是不可能达到100%利用率的。现在电路设计者已经很少采用纯粹的逻辑门阵列设计，而几乎都代之以FPGA之类的现场可编程器件了。这些器件可由用户编程，使工具作业费用最低，以略为提高的零件价格获得可比的性能。现在门阵列正在发展为结构化ASIC，其中包含很大的IP内核，如处理器、DSP单元、外围设备、标准接口、集成SRAM存储器、以及一组可重新设置的未确定功能的逻辑单元。这种转变很大程度上是因为ASIC器件能够集成大量的系统功能模块，以及片上系统所要求的（功能）比仅仅逻辑单元多得多。全定制设计全定制设计的优点通常包括减小的面积，性能的改进，以及能集成模拟元件和其它预先设计的元件比如构成片上系统的微处理器核。缺点包括增加的制造和设计时间，增加的不可循环工程成本，更复杂的CAD系统，和对设计团队熟练程度高得多的要求。但对于纯数字设计来说，“标准单元”库与现代CAD系统一起，可以低风险提供相当大的性能/价格优势。自动布局工具使用起来快速且简单，也提供了对设计的性能限制进行人工优化的可能性。结构化设计结构化ASIC设计是一个不明确的表达，在不同的上下文中有不同的意义。在工业界这是一个相对新的术语，这也是为什么在它的定义上有一些不同。不过结构化ASIC的基本前提是，由于有事先定义的金属层和事先规定了硅片上包含的内容，制造周期和设计周期相对于基于单元的ASIC都有所减少。一种定义是这样的：在结构化ASIC设计中，器件的逻辑掩模层是被ASCI供应商（有些情况下由第三方）预先定义的。结构化ASCI可以被看成是在现场可编程门阵列与“标准单元”ASCI设计之间建立联系。使得结构化ASCI与门阵列不同的是，在门阵列中，预先定义的金属层是为能更快地制造转向而服务的。而在结构化ASIC中预先定义的金属化主要是降低掩模的成本，并被用于使设计周期明显缩短。同样的，为结构化ASCI所使用的设计工具可以大大降低成本，并比基于单元的工具更容易使用，因为这些工具不必像基于单元的工具那样执行所有的功能。关于结构化ASIC的另一个重要方面是，它使对于某些应用共同的IP成为内在的，而不是设计在内的。通过直接将IP植入结构中，相比将IP设计在基于单元的ASIC中，设计者又能节省时间和花费。Unit 3 电磁场，天线和微波Unit 3-1第一部分：电磁场电磁场是由带电物体产生的物理场。它会影响场附近的带电物体的行为。电磁场在空间无限延伸，描述电磁相互作用。它是自然界中四个基本作用力之一（其余为万有引力，弱相互作用，强相互作用）。电磁场可以看成是电场和磁场的结合。电场是由静止电荷产生的，磁场由运动电荷（电流）产生；这两种（电荷）通常被描述为电磁场的源。电荷和电流与电磁场相互作用的方式由麦克斯韦方程组和洛伦兹力定律所描述。从经典的角度，电磁场可认为使平滑、连续的场，以波动方式传播；而从量子力学的角度，场可看作是由光子组成的。电磁场的结构电磁场可用两种截然不同的观点来看。连续结构：经典地，电场和磁场被认为是由带电物体的平滑运动产生的。例如，振荡电荷产生电场和磁场，可看成光滑的、连续的波动方式。这时，能量可以看成是在任意两个位置之间通过电磁场连续地传递。例如，在无线电发射机中的金属原子（看来是）连续地传递能量。这个观点在一定程度上（低频辐射）是有用的，但是高频时就有问题（如紫外灾难）。由此产生了另一种观点。离散结构：电磁场可以一种比较“粗略”的方式来考虑。实验表明：电磁场的能量传递可以更好地描述为用固定频率的光子来传递。普朗克的关系式将光子的能量E及其频率n 通过下式联系起来E = h n ，其中h是为纪念马克斯普朗克而命名的普朗克常量。n 是光子的频率。例如在光电效应中，即因电磁辐射而从金属表面发射电子的现象，我们发现增加入射辐射的强度并无影响，只有辐射频率与发射的电子有关。已经证明电磁场的量子描述是非常成功的，引出了量子电动力学。量子电动力学是一种描述电磁辐射与带电物体之间相互作用的量子场理论。电磁场的动力学过去，认为带电物体会产生与它们电荷性质有关的两种场。相对于测量电荷性质的观察者，电荷静止时产生电场，电荷运动（产生电流）时产生磁场（和电场）。随着时间的推移，人们认识到电场和磁场是电磁场这一整体的两个部分。一旦给定的电荷分布产生了电磁场，那么在电磁场中的其它带电物体就会受到一个力的作用（就像行星受到太阳重力场的力一样）。如果这些电荷和电流的大小与产生上述电磁场的源是可比的，那么将产生一个新的净电磁场。这样，电磁场可以认为是一个动力学实体，它促使其它电荷和电流运动，同时又受它们影响。这些相互作用可由麦克斯韦方程和洛伦兹力定律来描述。Unit 3-2第二部分：微带天线通信中，有几种微带天线（又叫印刷天线），其中最普通的是微带片状天线或片状天线。片状天线是一种窄带宽波束的天线，通过将天线单元图样蚀刻到粘贴在绝缘基底上的金属轨迹而制成，基底的另一面则粘贴连续的金属层形成接地平面。通常微带天线辐射器的形状有正方形的，矩形的，圆形的和椭圆的，而任何连续的形状都是可以。一些片状天线为了避免绝缘基底，在接地平面的上空用绝缘逆电流器悬挂一个金属贴片；这种结构的鲁棒性不是很好，但能提供更好的带宽。因为这种天线外形低矮，机械强度大，并且形状上适应性强，通常装在飞机或太空飞行器外表，或组合在移动无线电通信设备上。因为其简单的二维形状，所以微带天线的生产和设计相对来说不算太贵。微带天线通常用于UHF（超高频）和更高的频率，因为天线的尺寸直接受制于谐振频率的波长。一个简单的片状天线可以提供最大为69dBi的定向增益。通过平板印刷技术我们很容易在单个大绝缘体上印刷贴片阵列。以很少的额外成本，贴片阵列比单个贴片能提供更高的增益，用形成辐射电波的片状微带天线的同样机理，可对印刷微带天线的馈电结构进行匹配和相位调节。以低矮的天线构成高增益阵列的能力是片状天线广泛用于飞机和其他军事应用的原因之一。最普遍应用的微带天线是矩形贴片。矩形贴片天线长近似为矩形微带传输线的一段，其长度等于半波长。当空气作为天线基底时，矩形微带天线的长度大约为自由空间波长的一半。因为天线是负载绝缘体作为它的基底，所以天线的长度会随着基底的相对介电常数的增加而减小。天线的谐振长度略短一些，这是因为边缘场稍微增加了天线的电气长度。微带天线的一个早期模型是一段微带传输线，在一端具有等效负载，代表辐射损耗。微带天线的介电负载影响天线的辐射模式和阻抗带宽。随着基底介电常数的增大，天线的带宽减小，其Q值提高，因而阻抗带宽减小。当使用天线的传输线模型时这种情况并没有发生，到了七十年代后期出现空腔模型时这种情况就显现出来了。矩形微带天线的辐射可以理解为一对等效的狭缝。这些狭缝就像一个阵列，当天线使用空气电介质时方向性最好，但是当天线的负载材料的相对介电常数增加时方向性会减弱。贴片天线固有的优点是能有极化分集。片状天线能很容易地通过多个馈点或在非对称片结构上采用单一馈点设计成具有各种极化特性。这个独特的性质使得贴片天线应用于有不同需求的通信链接的许多领域。半波矩形微带天线沿其中心有一个虚拟短路平面。用物理短路平面替代上述虚拟短路平面就可以做成四分之一波长微带天线。有时称四分之一波长微带天线为半贴片。这种天线只有单一的辐射边缘（等效狭缝），因此会降低天线的方向性/增益。由于没有辐射边缘之间的耦合，所以阻抗带宽也比半波长全贴片窄。Unit 3-3第三部分：微波 微波是波长比频率为特赫兹（THz）的波更长，但比无线电波短的电磁波。微波的波长范围大约在30厘米（频率= 1 GHz ）到1毫米（ 300 GHz）之间。这个波长范围已经使人对命名习惯提出了问题，因为微波使人联想到微米波长。然而，远红外光，赫特辐射，微波，超高频无线电波之间的界限相当随意的，在不同的学科领域有不同的用法。电磁理论的同一个方程组应用于所有频率。当信号的波长和设备的尺寸大致相同时，仪器和技术可被描述为“微波”，因此集总元件电路理论不再准确。微波这个术语一般是指“频率为300MHz和300GHz之间的交流电信号” 。但是，IEC标准60050和IEEE标准100都定义“微波”频率从1 GHz（ 30厘米波长）开始。詹姆斯克拉克麦克斯韦于1864年根据他的方程组预言了电磁波存在，而微波只是电磁波频谱中的一部分。 1888年，亨利希赫兹构建了在UHF频段产生和检测微波的装置，首次证明了电磁波的存在。1894 J. C. Bose公开展示了用毫米波长对钟进行的无线电控制，并引导了微波传播的研究。微波范围包括超高频（UHF）（0.3-3 GHz），甚高频（SHF）（3-30GHz）以及极高频(EHF）（30-300 GHz）信号。地球大气对高于300 GHz的电磁辐射的吸收是如此之大，以至于变得实际上是不透明，直到所谓的红外线和可见光窗口的频率范围，大气又变得透明。器件基于电子管的器件是在受控制电场和磁场影响的真空内由电子的冲击运动而工作的，包括磁控管，速调管，行波管和振动陀螺仪。这些器件工作在密度调制模式而不是电流调制方式。这意味着它们是基于真空管发出的电子簇工作的，而不是用连续的电子流。用途微波炉是通过穿过食物的微波辐射工作的，通常频率是在2450 MHz（波长12.24厘米）。食物中的水、脂肪和糖分子在称为电介电加热的过程吸收微波波束的能量。许多分子（如那些水）是电偶极子，这意味着它们一端带正电，另一端带负电，因此它们力图与微波波束所引起的交变电场保持一致而发生旋转。旋转分子撞击其它分子使他们运动，这种分子运动产生热量。微波加热对液态水是最有效的，其次为脂肪和糖类（分子偶极矩较少）以及冷冻水（分子不能自由转动）。微波加热有时被错误地解释为水分子的旋转共振，而这种共振只能发生在数十千兆赫的高频。此外，大型工业/商业微波炉在900兆赫的范围内工作，也能很好地加热水和食物。一个常见的误解是，微波炉从“从里面到外面” 彻底地烹调食物的。实际上与其它加热方法类似，微波被食物外层吸收。微波中的射线处理水粒子来烹调食物。实际上它是由运动引起的摩擦产生热来加热食物。这种误解源自微波在许多普通食物的表面穿透干燥的非导电物质，因此比起其它方法来能在更深层堆积初始热量。使用微波炉，初始热沉积的深度可达几个公分以上，这取决于水分含量的多少，而焙烤是依赖红外辐射或烤箱内的热对流，它们在食物表面存储的热量很浅。微波渗透的深度是依赖于食物的成分和频率，较低频率的微波穿透力更强。微波无线电用于广播和电信传输，这是因为其波长短，与波长较长（低频）时相比，方向性天线体积更小也更实用。比起其它无线电频谱，微波频谱有更宽的频带可以利用；频率低于300兆赫时可用带宽小于300兆赫，而在300兆赫以上可用频带达到几个GHz。典型地，微波用于电视新闻，它利用一辆特殊装备的车辆将信号从一个偏僻地点发送到电视台。在光纤传输出现之前，大部分的长途电话都是通过各站点，像AT&T公司的通信设备，之间微波点对点的连接来传送。从20世纪50年代开始，人们用频分复用在每一个微波无线电信道中传送多达5400路电话，将10路无线电信道组合起来送到一个天线，发送到70公里以外的下一个中继站。雷达也是用微波来检测远距离物体的范围，速度和其它特征的。无线局域网协议，如蓝牙和IEEE 802.11规范，在2.4GHz ISM频段上也使用的微波，尽管802.11a 在5 GHz范围使用ISM频段和UNII 频率。在3.5 4.0 GHz范围内我们可以发现许多国家（但不包括美国）的经授权许可的远距离无线互联网接入业务。 城域网：城域网协议，如WiMAX （微波接入的全球互通）是基于IEEE 802.16规范。IEEE 802.16规范设计工作在2至11千兆赫。商业实现是在2.5千兆赫，3.5千兆赫和5.8千兆赫。广域移动宽带无线接入： 基于IEEE 802.20或ATIS/ANSI HC-SDMA（如 iBurst ) 标准规范的MBWA协议设计工作在1.6和2.3 GHz之间，提供移动性和楼宇内部穿透性，类似于移动电话但频谱效率更高。 有线电视和同轴电缆上的互联网接入以及广播电视使用一些低频微波。一些移动电话网络，像GSM，也使用较低的微波频率。许多半导体处理工艺用微波来产生等离子体，用于反应离子蚀刻和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）。微波可用于长距离传输电能（微波输能），二战后就研究了可能性。美国航空航天局在20世纪70年代和80年代初期研究利用太阳能发电卫星系统SPS的可能性，这种系统装有大型太阳能阵列，通过微波向地球表面发送能量。迈泽是和激光相似的设备，除了前者是工作在微波频率。大部分射电天文学都是使用微波。微波频率波段 微波频谱通常定义为频率范围大约从1GHz到1000GHz的电磁能量，但较早的使用还包括较低的频率。常用的是在1到40GHz范围，由大不列颠无线电学会定义的微波频率波段如表3.1。Unit 4 通信和信息论Unit 4-1第一部分：远程通信远程通信是远距离通信的信号传输，在现代，通常这个过程需要电子发射机发射电磁波，但是在早期远程通信包括使用烟火信号，鼓或旗语或日光仪。今天，远程通信很普遍的，助推这一过程的设备如电视，无线电和电话在世界的许多地区都已很普遍。还有连接这些设备的许多网络，包括计算机网络，公共电话网，无线电网和电视网络。互联网上的计算机通信是众多通信的一个例子。通信系统通常由通信工程师设计。在这个领域中早期的发明家有Alexander Graham Bell, Guglielmo Marconi 和John Logie Baird。通信在当今的世界经济发展中起着举足轻重的作用，通信产业的税收在世界总产值的比例已接近百分之三。基本要素每个通信系统包括三个基本要素：采集信息并能将其转换为信号的发射机，传输信号的传输媒介，接收信号并能将其还原为有用信息的接收机。考虑一个无线电广播的例子。广播塔是发射机，收音机是接收机，传输媒介是自由空间。通常通信系统都是双向的，一个设备既做发射机又做接收机，即收发器。例如，移动手机就是一个收发器。电话线上的通信称为点对点通信，因为只在一个发射机和一个接收机之间。通过无线电广播的通信称为广播（一对多）通信，因为通信是在一个大功率的发射机和许多接收机之间。模拟或数字信号可以是模拟的，也可以是数字的。在模拟信号中，信号根据信息而连续变化。在数字信号信息被编码为一组离散值（如，1和0）。在传输过程中，模拟信号中的信息会因噪声而退化。相反，只要噪声不超过一定的阈值，数字信号中的信息是不会丢失的。这是数字信号相对于模拟信号一个关键的优点。网络网络是由一个相互通信的发射机、接收机或收发机的集合。数字网络由一个或多个路由器组成，路由器正确地将数据发送给用户。模拟网路由一个或多个交换器组成，交换器在两个或多个用户间建立连接。这两种网络都需要中继器，用于远距离传输时的放大或重建信号。（中继器）用来抗击衰减，再现噪声中难以分辨的信号。信道信道在传输媒介中分隔区域，以用于使传输媒介传送多个信息流。例如，一个广播站可以工作在96 MHz，而另一个广播站可以工作在94.5 MHz。这时，传输媒介被频率分隔，每个信道接收一个单独的广播频率。另一种方法是给每个信道分配重复的时间段，在这种时间段中进行广播，称为时分多路技术，有时用于数字通信中。调制传输信息的信号的形成称为调制。调制可将数字信息表示为模拟波形，称为键控法，键控法有几种技术，包括相移键控，频移键控和振幅键控。例如，蓝牙就是通过相移键控在不同设备之间交换信息的。调制也可用来以更高的频率传送模拟信号的信息。这一点非常有用，因为低频的模拟信号不能在自由空间中有效地传输。所以，低频模拟信号中的信息在发送之前必须叠加在高频载波上。这种调制也有几种不同的方法，最基本的两种是幅度调制和频率调制。例如，电台主持人的声音就是通过频率调制加载在96 MHz 的载波中发送的（收音机的96 FM台可以收到这个声音）。Unit 4-2第二部分：数据传输数据传输就是将信息从一个地方传送到另一个地方。在历史上人们依靠信使，篝火连或日光仪传送信息，后来用铜线传送莫尔斯电码。在近代的计算机时期，数据传输是运用许多技术将比特流或字节流从一个位置传送到另一个位置，这些技术如铜线，光纤，激光或者红外光。实际的应用包括数据在不同存储设备之间的传输及网络连接，网络连接实现数据在网络服务商和用户浏览器之间的传送。与数据传输有关的一个概念是数据传输协议，使得传输的数据清晰可懂。目前协议都支持基于分组的网络通信。数据传输类型串行传送：在一根线路上一位一位地传送比特。尽管一次只传送一个比特，仍可实现很高的传输速率。这种方式可用于较远距离传输，因为一个校验数字或奇偶校验位很容易在数据线上传输。并行传送：多条线路同时传送多个比特。由于传送一个字节（8个比特）而不是1个比特，所以比串行传输快得多。这种传输方式适用于计算机内部，比如内部总线，有时也用于外部例如对打印机这样的外设。然而这种传输模式只适用于近距离传输。在远距离传输时，由于多条线路之间的干扰比一条线路中干扰更