0-模拟电子技术基础课绪论

本文由 kunsahn 贡献 ppt 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查 看。 模拟电子技术基础 主讲教师：俞亚堃 主讲教师： 肇庆学院电子信息与机电工程学院 绪 论 一、电子技术的发展 二、模拟信号与模拟电路 三、电子信息系统的组成 四、模拟电 子技术基础课的特点 五、如何学习这门课程 六、课程的目的 七、考查方法 电子技术的发展，推动计算机技术的发展，使之“ 电子技术的发展，推动计算机技术 的发展，使之“无 孔不入” 应用广泛！ 孔不入” ，应用广泛！ 广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电 广播通信：发射机、接收 机、扩音、录音、程控交换机、 话、手机 网络：路由器、ATM 交换机 收发器、 交换机、 网络：路由器、ATM 交换机、收发器、调制解调器 工业：钢铁、石油化工、机加工、数 控机床 工业：钢铁、石油化工、机加工、 交通：飞机、火车、轮船、 交通：飞机、火车、 轮船、汽车 军事：雷达、 军事：雷达、电子导航 航空航天：卫星定位、 航空航天：卫 星定位、监测 医学： CT、 医学： 刀、CT、B 超、微创手术 消费类电子：家电（空调、 冰箱、电视、音响、摄像机、 消费类电子：家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照 相机、电子表） 、电子玩具、各类报警器、 ） 、电子玩具 相机、电子表） 、电子玩具、各类 报警器、保安系统 一、电子技术的发展 电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展 上。从电子管半导体管集成电路 1904 年 年 电子管问世 1947 年 年 晶体管诞 生 1958 年集成电 年集成电 路研制成功 电子管、晶体管、 电子管、晶体管、集成电路比较 半导体元器件的发展 1947 年 年 1958 年 年 1969 年 年 1975 年 年 贝尔实验室制成第一只晶体管 集成 电路 大规模集成电路 超大规模集成电路 第一片集成电路只有 4 个晶体管， 第一片集成电路只有 个晶体管，而 1997 年一片集 成电路 个晶体管 年一片集成电路 中有 40 亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按 倍 年 中有 亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按 10 倍/6 年 亿个晶体管 的速度增长， 年达到饱和。 的速度增长，到 2015 或 2020 年达到饱和。 或 年达到饱和 学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！ 值得纪念的几位科学家！ 1883 年爱迪生在研究白炽灯的寿命时， 1883 年爱迪生在研究白炽灯的寿命时， 年 爱迪生在研究白炽灯的寿命时 在灯泡的碳丝附近焊上一小块金属片。结果， 在灯泡的碳 丝附近焊上一小块金属片。结果， 他发现：金属片虽然没有与灯丝接触， 他发现：金属 片虽然没有与灯丝接触，但如 果在它们之间加上电压， 果在它们之间加上电压，灯丝就 会产生一股 电流，趋向附近的金属片。 电流，趋向附近的金属片。这股神秘的电流 是从 哪里来的？爱迪生也无法解释， 是从哪里来的？爱迪生也无法解释，但他不 失时机地将 这一发明注册了专利， 失时机地将这一发明注册了专利，并称之为 爱迪生效应” 后来， “爱迪生效应” 。后来，有人证明电流的产 生是因为炽热的金属能向周围发射电子造成 的。 弗莱明 John Ambrose Fleming 1904 年 1904 年，弗莱明利用 “爱迪生效应”制成了电子 爱迪生效应” 二极管， 二极管，并证实了电子管具 阀门”作用， 有“阀门”作用，他首先被 用于无线电检波。 用于无线电检波。世界上第 一只电子管由此诞生了。 一只电子管由此诞生了。弗 莱明为 此获得了这项发明的 专利权。 专利权。 人类第一只电子管的诞生， 人类第一只电子管的诞生，标志着 世界从此进入了电子 时代。 世界从此进入了电子时代。 弗莱明同无线电的发明者、意大利发明家马可尼 弗莱明同无线电的发明者、意大利发 明家马可尼 同无线电的发明者 的合作中已经感到，要实现远距离的无线电通信， 的合作 中已经感到，要实现远距离的无线电通信，就 必须有灵敏可靠的检波器。 必须有灵敏可 靠的检波器。 “爱迪生效应”引起了他的强烈兴趣。于是，他用 爱迪生效应”引起了他 的强烈兴趣。于是， 爱迪生效应 一个金属圆筒代替了爱迪生所用的金属丝， 一个金属圆 筒代替了爱迪生所用的金属丝，套在灯丝 外面，和灯丝一起封在玻璃泡里。 外面，和灯 丝一起封在玻璃泡里。 这样，接收电子的面积大大增加了。经过实验， 这样，接收电子 的面积大大增加了。经过实验，检波效 果十分理想。由于金属筒接正电、 果十分理想。 由于金属筒接正电、灯丝接负电时才有电流通 过，因此弗莱明将金属筒称为“阳极” ，将 灯丝称为“阴 因此弗莱明将金属筒称为“阳极” 将灯丝称为“ 这种新诞生的器件， 极” 。 这种新诞生的器件，其作用相当于一个只允许电流单 向流动的阀门，弗莱明就干脆把它叫 做“ 向流动的阀门，弗莱明就干脆把它叫做“阀” 。这种阀后人 将其称为“真空二极管” 将其称为“真空二极管” 李德福雷斯特 德福雷斯特 Lee de Forest 德福雷斯特， 李德福雷斯特，美国科 德福雷斯特 学家， 学家，被誉为电子管之 父 ， 1906 年他在弗莱明的二极管 1906 年他在弗莱明的二极管 中放进了第三个电极 栅 中放进了第三个电极 栅 极,只要把一个微弱的变化电 压加在它的身上， 压加在它 的身上，就能在金 属屏板上接收到更大的变化 电流，这正是电子管的“ 电流，这正是电 子管的“放 作用， 电子三极管” 大”作用， “电子三极管 ” 从此诞生， 从此诞生，从 而建树了早期 电子技术上最重要的里程碑。 电子技术上最重要的里程碑。 德福雷斯特是一位多产的发明 是一位多产的发明 家，一生获得了多达 300 余项专利。 除了电子管之外，他的发明还包括在 除了 之外，他的发明还包括在 电影胶片边缘录制 声音的技术、医学 、医学 上使用的高频电热理疗机等等。发明 上使用的 等等。发明 也 为他赢得“无线电之父” 、 “电视 也为他赢得 始祖”和“电子管之父”的称号。 的称号。 世界首台电子计算机 二战期间， 二战期间，美国军 方要求宾州大学为 它们设计一种以真 空管来取代继 电器 来计算炮弹弹道的 机器。 1946 年 机器。 1946 年 2 月 14 日 14 日，这种机器正 式投入使用了。 式投入使用了。 ENIAC 它用了 18800 只真空管，占地 1500 平方英尺（ 它用了 18800 只真空管，占地 1500 平方英尺（约 18800 只真空管 1500 平方英尺 139 平方米） ，重约 30 吨，每小时耗电 20 万千瓦，价格 139 平方米） ，重约 30 吨 每小时耗电 20 万千瓦， 平方米） ，重约 30 20 万 千瓦 40 多万美元 运算速度只有每秒 5000 多万美元， 5000 次 40 多万美元，运算速度 只有每秒 5000 次。这就是人们 通常所说的世界首台电子计算机。 通常所说的世界首台电 子计算机。 半个多世纪以来， 半个多世纪以来，电子管在电子技术中立下了 很大功劳；但是电 子管毕竟成本高，制造繁， 很大功劳；但是电子管毕竟成本高，制造繁，体 积大，耗电 多， 积大，耗电多，工作温度过高和寿命短的特点限 制了它的使用范围 。 时至今日， 电子管仍在发挥作用。 时至今日，电子管仍在发挥作用。如电视机的 显像管、微波炉中 产生微波的主要器件、在广播、 显像管、微波炉中产生微波的主要器件、在广播、 电视、 通信发射机里的大功率发射管等。 电视、通信发射机里的大功率发射管等。 技术的进步， 导致电子管从兴旺走向衰败， 技术的进步，导致电子管从兴旺走向衰败，令 人大有“无 可奈何花落去”之感，但电子管在人 人大有“无可奈何花落去”之感， 类科技发展史上 所占有的地位毕竟是不容忽视的。 类科技发展史上所占有的地位毕竟是不容忽视的。 展 望未来， 展望未来，电子管在相当长的一段时间内还将继 续发挥重要作用。 续发挥重要 作用。 晶体管之父， 晶体管之父，他与美国贝尔电话 实验室的巴丁 布拉坦等人 巴丁、 等 人， 实验室的巴丁、布拉坦等人，在对半 导体性质进行广泛研究的基础上， 导体性质进 行广泛研究的基础上，终 1947 年 11 月底发明了 月底发明了点接触晶体 于在 1947 年 11 月底发明了点接触晶体 并在 12 16 日正式宣布“晶体管” 12 月 日正式宣布 管，并在 12 月 16 日正式宣布“晶体管” 诞生。1948 年 诞生。1948 年，他的研发小组为晶体 申请 了专利。 管技术申请了专利 管技术申请了专利。 1949 年他又提出了结型晶体管概 1949 年他又提出了结型晶体管概 年他又提出了结 型晶体管 sandwich-transistor） ， ） ，那是一 念（sandwich-transistor） ，那是一 种更小、 更易散热的硅晶片材料。 种更小、更易散热的硅晶片材料。一年 结型晶体管研制成功， 后，结型晶体管研制成功，一场电子技 术革命由此爆发。他不但被时代 术革命由此 爆发。他不但被时代周 刊评为了“20 世纪最伟大的科学家之一 世纪最伟大的科学家 之一” 刊评为了 “20 世纪最伟大的科学家之一 ”， 也因发明“晶体管” 也因发明“晶体 管”而获得了 1956 年的 诺贝尔物理学奖。 诺贝尔物理学奖。 威廉肖克利 威廉 肖克利 William Shockley 世界首台晶体管计算机 1954 年，贝尔实验室研制出世界上第一 1954 年，贝尔实验室研制出世界上第一 台 全晶体管计算机 TRADIC，装有 800 只晶体 台全晶体管计算机 TRADIC，装有 800 只晶体 管，仅 100 瓦功率，占地也只有 3 管，仅 100 瓦功率，占地也只有 3 立方英尺。 晶体管 技术的优势非常的明显，它明显的降 低了计算机的体积和功耗。这台计算机的出 现也标 志着第二代计算机的开始。 1.1.3 集成电路 1958 年，仙童公司 Robert Noyce(罗伯特. 1958 年，仙童公司 Robert Noyce(罗伯特.诺依 斯)与德仪公司 Jack Kilby（杰克 .基尔比）间隔数月 与德仪公司 Jack Kilby（杰克. 分别发明 了集成电路，开创了世界微电子学的历史。 1961 年 1961 年 4 月 25 日，第一个晶体管电 路专利被授予了 25 日，第一个晶体管电路专利被授予了 前者：Robert Noyce。 前者： Robert Noyce。 世界首款集成块 Jack Kilby 集成电路阶段 时 期 规 模 小规模集成电路（SSI） 小规模集成电路（SSI） 中规模集成电路 （MSI） 中规模集成电路（MSI ） 大规模集成电路（LSI ） 大规模集成电路（LSI） 超大规 模集成电路（VLSI ） 超大规模集成电路（ VLSI） 集成度 （元件数） 100 1000 1000 10000 50 年代末 50 年代末 60 年代 60 年代 70 年代 70 年代 70 年代末 70 年代末 80 年代 80 年代 特大规模集成电路（ULSI） 100000 特大规模集成电路（ULSI） 1985 年 兆位 ULSI 的集成度达到 200 万个元件， ULSI 的集成度达到 200 万个元件 1985 年， 1 兆位 ULSI 的集成度达到 200 万个元件， 器件条宽仅为 1 微米；1992 年，16 兆 位的芯片集成度 器件条宽仅为 1 微米；1992 年 16 兆位的芯片集成度 达到了 3200 万个 元件，条宽减到 0.5 微米，而后的 64 3200 万个元件 0.5 微米 达到了 3200 万个元件，条 宽减到 0.5 微米，而后的 64 兆位芯片，其条宽仅为 0.3 微米。 0.3 微米 兆位芯片，其条 宽仅为 0.3 微米。 集成电路制造技术的发展日新月异，其 中最具有代表性的集成电路芯片主要包括以 下几类，它们构成了现代数字系统的基石。 微控制芯片（MCU） 微控制芯片（MCU） 可编程逻辑器件（PLD ） 可编程逻辑器件（PLD ） 数字信号处理器（DSP） 数字信号处理器（DSP） 大规模存储芯片（RAM/ROM） 大规模存储芯片（RAM/ROM） 1.1.4 EDA 技术 电子设计技术的核心就是 EDA 技术 电子设计技术的核心就是 EDA 技术 。 EDA 技术。 EDA 是指以计算机为工作平台 是指以计算机为工作平台， EDA 是指以计算机为工作平台， 融合应用 电子技术、 计算机技术、 电子技术 、 计算机技术 、 智能化技术最 新成果 而研制成的电子 CAD 通用软件包， CAD 通用软件包 新成果而研制成的电子 CAD 通用软件 包， 主要能辅助进行三方面的设计工作， 主要能辅助进行三方面的设计工作 ， 即 IC 设 计、电子电路设计和 PCB 设计。 EDA 技术发展的三个阶段 1.计算机辅助设计(CAD)阶段（70 年代）： 1.计算机辅助设计(CAD)阶段（70 年代）： 计算机辅助设计(CAD)阶段 年代 用计算机辅助进行 IC 版图编辑、PCB 布局布线 IC 版图编 辑 布局布线， 用计算机辅助进行 IC 版图编辑、PCB 布局布线，取代了 手工操作。 手工 操作。 2.计算机辅助工程(CAE)阶段（80 年代）： 2.计算机辅助工程 (CAE)阶段（80 年代）： 计算机辅助工程(CAE)阶段 年代 与 CAD 相比，CAE 除了有纯粹的图形绘制功能外，又增 加 CAD 相比，CAE 除了有纯粹的图形绘制功能外， 相比 除了有纯粹的图形绘制功能外 了电路功能设计和结构设计， 了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两 者结合在一起，实现了工程设计。CAE 的主要功能是 的主要功能是： 者结合在一起，实 现了工程设计。CAE 的主要功能是：原理 图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线， PCB 后分析 后分析。 图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB 后分析。 3.电 子系统设计自动化(ESDA) 阶段（ 90 年代以后 年代以后）： 3.电子系统设计自动化(ESDA) 阶段（ 90 年代以后）： 电子系统设计自动化 (ESDA)阶段 设计人员按照“自顶向下”的设 计方法， 设计人员按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进 行方案设计和功能划分， 行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用 集成电路（ASIC ）实现，然 后采用硬件描述语言（HDL） 集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完 成 系统行为级设计， 系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标 器件。 器件。 1.1.5 纳米电子技术 纳米技术与微电子技术相结合出现了纳米电子学。 纳米技术与微电子技术相结合出现 了纳米电子学。主要 是将集成电路的几何结构进一步减小， 是将集成电路的几何结构进 一步减小，超越目前发展中遇到的 极限，研制出体积更小、速度更快、功耗更低的新一代 量子功 极限，研制出体积更小、速度更快、功耗更低的新一代量子功 能器件， 能器件， 因而使得功能密度和资料传输率达到目前难以想象的 水平。其性能涉及放大、振荡、脉冲 技术、 水平。其性能涉及放大、振荡、脉冲技术、运算处理和读写等 基本问题。其新原 理主要基于电子的波动性、 基本问题。其新原理主要基于电子的波动性、电子的量子隧道 效应、电子能级的不连续性、量子尺寸效应和统计涨落特性等。 效应、电子能级的不连续 性、量子尺寸效应和统计涨落特性等。 目前，以北威州纳米研究联合会和 埃森大学为首的多家德国科研机构已研 制成功单 电子纳米开关，即在纳米电路 中用个电子实现硅芯片半导体电路中 10 万个电子才能实 现的“通” 、 “断” 特性。美国的 IBM 和日本的日立也相继 研制成功了单电子晶体管。科 学家称， 这种电路有可能成为未来更小、更精确 和能耗更低的芯片的基础 纳米电子技术在军事领域的应用 美国认为纳米科技是国防工业的未来，世界上 各主要军事大国，也都投入大量经费， 开展研制试 验，制造纳米武器。作为军事信息技术重要基础的 军用微电子技术，如果一 旦得到纳米技术的支撑， 军用微电子技术，如果 将促使以微电子技术为代表的当代信息 技术实现向 以纳米技术和分子器件为代表的智能信息技术的巨 大转变。纳米电子技术对 未来军事作战领域的驱动 。纳米电子技术对未来军事作战领域的驱动 力，将远远超出当 前微电子技术对信息战的影响， 也必将在世界范围引发一场真正意义的新军事革命， 并 把电子信息战水平推向更新、更高级的发展阶段。 纳米计算机系统 采用纳米技术制造的微型晶体管和存储 器芯片将使存储密度、计算速度和效率提高 数百万倍，大大缩小计算机的体积和重量， 而能耗却可降低到今天的几十万分之一。一 旦这种具有原子精密度的新型计算机取代现 有的计算设备用于军事作战，必将实现信息 采集和处理能力的革命性突破，从而提高 系统的可靠性、机动性、生存能力和工作 效能 纳米飞机侦察和干扰系统 美国黑寡妇超微型飞行器长度不超 过 15cm，成本不超过 1000 美元，重 50g， 15cm，成本不超过 1000 美元，重 50g， 装备有 GPS、微摄像机和传 感器等精良 装备有 GPS、微摄像机和传感器等精良 设备。 德国美因兹微技术研究所科学 家研 制成功微型直升机，长 24mm、高 8mm、 制成功微型直升机，长 24mm、高 8mm、 质量为 400 mg，小到可以停放在一颗花 质量为 400 mg，小到可以停放在一颗花 生上。 最诱人的应用前景是利用纳米电子学与纳米生 最诱人的应用前景是 物学相结合可研 制分子机器。分子机器将是含有 可研制分子机器。分子机器将是含有 纳米电脑的可人纳 米电脑的可人-机对话的并具有自我复制 能力 的纳米装置。分子机器一旦研制成功，它能 在 1 的纳米装置。分子机器一旦研制成功，它能在 1 秒 种内完成数十亿个操作动 作，可 在几秒钟内完成 现在几天或几个月才能完成的工作。利用分子机 器人可 在血液中回圈， 可对身体各部位进行检测、 诊断和实施特殊治疗。还可创造出 全新的作战手 段。利用昆 虫作平台，把分子机器人植入昆虫的 神经系统中控制 昆虫飞向敌方收集情报，使目标 丧 失功能。此机器人还可进入人体的血管，是 一 种看不见的冷血杀手。 二、模拟信号与模拟电路 1. 电子电路中信号的分类 数字信号： 数字信号：离散性 “1”的电 的电 压当量 “1”的倍数 的倍数 介于 K 与 介于 与 K+1 之 之 间时需 根据阈值 确定为 K 或 确定为 或 K+1 任何瞬间的任何 值均是有意义的 模拟信号：连续性。大多数物理量为模拟信号。 模拟信号：连续性。大多数物理量为 模拟信号。 2. 模拟电路 模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。 模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。 是对模拟信号进行处理的电路 最基本的处理是对信号的放大， 最基本的处理是对信号的 放大，有功能和性能各异的放 大电路。 大电路。 其它模拟电路多以放大电路为基础。 其它模拟电路多以放大电路为基础。 三、电子信息系统的组成 传感器 接收器 隔离、 隔离、滤 波、放大 运算、 运算、转 换、比较 功放 执行机 构 模拟电子电路 模拟电子系统 数字电子电路（系统） 数字电子电路（系统） 模拟模拟-数字混合电 子电路 四、模拟电子技术基础课的特点 1、工程性 、 实际工程需要证明其可行性。强调定性分析。 实际工程需要证明其可行性。强调定性 分析。 实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存 在一定的误差范围的。 定量分 析为“估算” 在一定的误差范围的。 定量分析为“估算” 。 近似分析要“合理” 抓主要 矛盾和矛盾的主要方面。 近似分析要“合理” 。 抓主要矛盾和矛盾的主要方面。 电子电 路归根结底是电路。不同条件下构造不同模型。 电子电路归根结底是电路。不同条件下构 造不同模型。 2. 实践性 常用电子仪器的使用方法 电子电路的测试方法 故障的判断与排除方法 EDA 软件的应 用方法 软件的应用方法 五、如何学习这门课程 掌握基本概念 基