备用12和13节微电子技术与通信技术.doc

本文由王小芳627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。 第1.2和1.3节 和 节 微电子技术与通信技术 电子信息技术 现代信息技术的特点： 现代信息技术的特点： 的特点 子技术： 采用电(光)子技术： 采用电 采用 以计算机为基础（computer_based） 为基础（ 以计算机为基础 computer_based） 以软件为核心（software_centric） 为核心（ 以软件为核心 software_centric） ? 现代信息技术领域： 现代信息技术领域： 微电子、通信、广播、计算机、 微电子、 微电子 通信、广播、计算机、 遥感遥测、自动控制、 遥感遥测、自动控制、机器人等 马虎成 1 信息技术三大基础技术 信息技术三大基础技术 1. 微电子技术 微电子技术 技术集成电路 集成电路 2. 通信技术 通信系统 通信技术 通信系统 3. 计算机技术 计算机技术 技术数字技术 数字技术 马虎成 2 1.2 微电子技术 1.2.1 微电子技术与集成电路 微电子技术： 微电子技术： 集成电路为核心的微电子技术是在电子电 以集成电路为核心的微电子技术是在电子电 路和系统的超小型化 微型化过程中逐渐形成和 超小型化和 路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和 发展起来的。 发展起来的。 马虎成 3 电子电路使用的基础元件的演变: 电子电路使用的基础元件的演变: 元件的演变 真空电子管 晶体管 中小规模集成电路 大规模超大规模集成电路 马虎成 4 电子电路使用的基础元件的演变 真空电子管 在这个阶段产生了广播、 在这个阶段产生了广播、电 无线电通信、仪器仪表、 视、无线电通信、仪器仪表、自 动化技术和第一代 第一代电子计算机 动化技术和第一代电子计算机 ? 晶体管 1948年发明，再加上印制 年发明， 年发明 电路组装技术的使用， 电路组装技术的使用，使电子电 路在小型化方面前进了一大步， 路在小型化方面前进了一大步， 产生了第二代 第二代计算机 产生了第二代计算机 马虎成 5 电子电路使用的基础元件的演变 集成电路(Integrated ? 集成电路 Circuit，简称 ： ，简称IC)： 这是20世纪 年代出现 这是 世纪50年代出现， 世纪 年代出现， 半导体单晶片作为材料 作为材料， 以半导体单晶片作为材料，经平 面工艺加工制造， 大量晶体管、 面工艺加工制造，将大量晶体管、 电阻等元器件及互连线构成的电 电阻等元器件及互连线构成的电 子线路集成在基片上， 子线路集成在基片上，构成的一 小规模集成电路 微型化的电路或系统。 个微型化的电路或系统。 现代集成电路使用的半导 体材料通常是硅 体材料通常是硅(Si)，也可以是 ， 化合物半导体如砷化镓 如砷化镓(GaAs) 化合物半导体如砷化镓 等。 集成电路的特点 特点是 体积小， 集成电路的特点是：体积小， 重量轻，可靠性高。 重量轻，可靠性高。 超大规模集成电路 马虎成 6 集成电路的规模 根据所包含的晶体管数目分为： 根据所包含的晶体管数目分为： 集成电路规模 小规模集成电路（SSI） 规模集成电路（ ） 中规模集成电路（MSI） 规模集成电路（ ） 大规模集成电路（LSI） 规模集成电路（ ） 超大规模集成电路（ 超大规模集成电路（VLSI） 规模集成电路 ） 极大规模集成电路（ 极大规模集成电路（ULSI） 规模集成电路 ） 马虎成 集成度（个电子元件） 集成度（个电子元件） 100 1003000 300010万 万 10万100万 万 万 100万 万 7 集成电路分类 根据所用晶体管结构 电路和工艺分为 所用晶体管结构、 分为： ? 根据所用晶体管结构、电路和工艺分为： 双极型（ 双极型（Bipolar）集成电路 ） 金属-氧化物-半导体(MOS) 集成电路 金属-氧化物-半导体 双极金属-氧化物-半导体集成电路 集成电路( 双极金属-氧化物-半导体集成电路(Bi-MOS)等 等 ? 根据集成电路的功能分为： 根据集成电路的功能分为： 集成电路的功能分为 数字集成电路 如逻辑电路、存储器、微处理器、 集成电路(如逻辑电路 数字集成电路 如逻辑电路、存储器、微处理器、 微控制器、数字信号处理器等) 微控制器、数字信号处理器等 模拟集成电路 又称为线性电路，如信号放大器、 集成电路(又称为线性电路 模拟集成电路 又称为线性电路，如信号放大器、 功率放大器等) 功率放大器等 ? 根据用途分为： 根据用途分为： 用途分为 通用集成电路 通用集成电路 专用集成电路 集成电路（ 专用集成电路（ASIC） ） 马虎成 8 微电子技术与集成电路 集成电路芯片 是微电子技术的结晶 ， 它们是 集成电路芯片是微电子技术的结晶 集成电路芯片 是微电子技术的结晶， 计算机的核心。 计算机的核心。 马虎成 9 微电子技术与集成电路 集成电路是现代信息产业和信息社会的基础 集成电路是现代信息产业和信息社会的 是现代信息产业和信息社会的基础 ? 集成电路是改造和提升传统产业的核心技术 集成电路是改造和提升传统产业的核心技术 是改造和提升传统产业的 2000年世界半导体产值达 年世界半导体产值达2000亿美元 亿美元 年世界半导体产值达 电子信息产品市场总额超过1万亿美元 电子信息产品市场总额超过 万亿美元 ? 据预测：未来十年内世界半导体的年平均增长 据预测： 率将达15%以上 ， 2010年全世界半导体的年 以上， 率将达 以上 年全世界半导体的年 销售额可达到60008000亿美元，将支持 亿美元， 销售额可达到 亿美元 将支持45 万亿美元的电子装备市场。 万亿美元的电子装备市场。 马虎成 10 集成电路的制造 集成电路的制造： 集成电路的制造：400多道工序 多道工序 硅平面工艺 硅衬底 晶圆 剔除、分类 剔除、 芯片 封装 集成电路 成品测试 成品 马虎成 11 集成电路的发展趋势 集成电路的工作速度 集成电路的工作速度 主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸 晶体管的尺寸， 主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸， 晶体管的尺寸越小，其极限工作频率越高， 晶体管的尺寸越小 ，其极限工作频率越高， 门 电路的开关速度就越快。芯片上电路元件的线 电路的开关速度就越快 。 芯片上 电路元件的线 越细， 条 越细， 相同面积的晶片可容纳的晶体管就越 多，功能就越强，速度也越快。 功能就越强，速度也越快。 马虎成 12 集成电路的发展趋势 提高集成度，关键在缩小门电路面积 提高集成度， ? 集成电路特点：体积小、重量轻、可靠性高 集成电路特点：体积小、重量轻、 ? Moore定律 Moore定律 单块集成电路的集成度平均每18 个月 个月翻一 单块集成电路的集成度平均每 24个月翻一 番 Gordon E.Moore,1965年 Gordon E.Moore,1965年 Intel公司创始人 Intel公司创始人 马虎成 13 集成电路的发展趋势 Intel公司 年来微处理器集成度的发展 公司30年来微处理器集成度的发展 公司 晶体管数 Pentium 4 Pentium III 10,000,000 100,000,000 Pentium II Pentium 1,000,000 80386 80286 80486 100,000 8086 8080 8008 4004 10,000 1,000 1970 1975 1980 1985 马虎成 1990 1995 2000 14 小插曲 让我们先来简单了解一下英特尔在微处理器的历史。事实上，英特尔的第一 款微处理器4004仅仅集成了2300个晶体管，而到今天，酷睿?2双核 处理器在 143 平方毫米的硅核尺寸上却拥有了超过 2.91 亿个晶体管，平均 每平方毫米近200万个晶体管 如果我们用一元硬币来代表酷睿?2双核处理器上的每个晶体管会是 一个什么样子？哈哈，告诉你，如果把硬币一个一个叠起来，整个高 度将达到 457 公里！ 如果把这些硬币一个挨一个的平铺开呢？知道 吗？这段距离可是比北京到拉萨（3100公里）的距离还要长。 ? 假如我们用一粒米来代表酷睿?2双核处理器里的晶体管呢？可以先 做这样一个假设，一碗米饭为45克，一粒米是0.03克，也就是说每碗 米饭有1500粒米，那么，这个时候，代表着酷睿?2双核处理器里的 晶体管的这些米粒，就已经足够供给萨摩亚群岛上所有的 17.7 万居 民每人一碗米饭！ 马虎成 15 集成电路技术的发展趋势 年度（ 年度（年） 工艺( m) 工艺(m) 晶体管( 晶体管(M) 时钟频率( 时钟频率(GHz) 面积( 面积(mm2) 连线层数 晶圆直径(mm 晶圆直径 mm) mm 引脚数目 功耗（ 功耗（w） 1999 0.18 23.8 1.2 340 6 300 700 90 马虎成 2001 0.13 47.6 1.6 340 7 300 2004 0.09 135 2.0 390 8 350 957 130 2008 0.06 539 2.655 468 9 400 2014 0.014 3500 10 901 10 450 3350 183 16 集成电路的发展趋势 目前集成电路生产的主流技术： 目前集成电路生产的主流技术： 12吋晶圆、0.18微米工艺，并正在向14吋晶圆、 吋晶圆、 微米工艺， 14吋晶圆 吋晶圆 微米工艺 并正在向14吋晶圆、 09微米工艺过渡 0.09微米工艺过渡 Intel P4：已采用0.13m工艺制造生产 已采用0 13m工艺制造生产 m ? AMD：有采用0.13m工艺制造生产的CPU AMD：有采用0 13m工艺制造生产的CPU m工艺制造生产的 ? 1（m微米） 1/1,000,000（米） m微米） 1/1,000,000（ 微米 ? 美国半导体协会(SIA)预测，到2010年将能达到 美国半导体协会(SIA)预测， 2010年将能达到 (SIA)预测 18吋晶圆和0.070.05微米的工艺 吋晶圆和0.07 微米的工艺。 18吋晶圆和0.070.05微米的工艺。在未来十 年时间里，集成电路的技术还将继续遵循Moore 年时间里，集成电路的技术还将继续遵循Moore 定律得到进一步的发展 马虎成 17 集成电路的发展趋势 光子计算机 光能够像电一样来传递信息， 光能够像电一样来传递信息，甚至效果更 而且， 好。而且，更重要的一个特点在于它不会和周 围环境发生相互干扰的作用。 围环境发生相互干扰的作用。因为当电子计算 机芯片越来越趋向于0.18m 0.18m时 机芯片越来越趋向于0.18m时，就会产生很多 的问题,而光子计算机就可以避免。 的问题,而光子计算机就可以避免。 光子计 算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、 算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、 信息存贮和处理的新型计算机。它由激光器、 信息存贮和处理的新型计算机。它由激光器、 光学反射镜、透镜、 光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备 构成， 构成，靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列 进行信息处理，以光子代替电子， 进行信息处理，以光子代替电子，光运算代替 电运算。光的并行、高速， 电运算。光的并行、高速，天然地决定了光子 计算机的并行处理能力很强， 计算机的并行处理能力很强，具有超高运算速 度。光子计算机还具有与人脑相似的容错性， 光子计算机还具有与人脑相似的容错性， 系统中某一元件损坏或出错时， 系统中某一元件损坏或出错时，并不影响最终 的计算结果。 的计算结果。光子在光介质中传输所造成的信 息畸变和失真极小，光传输、 息畸变和失真极小，光传输、转换时能量消耗 和散发热量极低， 和散发热量极低，对环境条件的要求比电子计 算机低得多。 算机低得多。 马虎成 18 集成电路的发展趋势 量子计算机 这是运用量子力学来设计的， 量子力学来设计的 这是运用量子力学来设计的， 它们的特点是其潜在的运算速度将 更大于电子计算机。从理论上说， 更大于电子计算机。从理论上说， 它们的速度提高可以说是没有止境 的，因为量子计算技术可以在同一 时间内执行各种操作， 时间内执行各种操作，同时有足够 的能力来完成现在电子计算机还很 难完成的任务， 难完成的任务，比如说完成密码的 破译和语音的识别等等。因此， 破译和语音的识别等等。因此，欧 洲已经成立了量子计算机研究所， 洲已经成立了量子计算机研究所， 现在估计， 现在估计，量子计算机可能会在今 后的十五年左右出现。 后的十五年左右出现。 马虎成 图为一种可瞬间进 行图像数据计算的 光电计算机 19 集成电路的发展趋势 分子计算机 现在已经开发出来一种能 够由氮气和二氯化碳来开动和 关闭的分子计算机， 关闭的分子计算机，这种超高 速的微型计算机离现实已经很 近了。 近了。这种技术将会导致只需 要利用立体和光线就能够产生 新的、 新的、甚至能够思考的计算机 来解决目前晶体管的物理局限， 来解决目前晶体管的物理局限， 使得未来的计算机的功能大大 的增加，尺寸大大的缩小。 的增加，尺寸大大的缩小。 马虎成 20 集成电路的发展趋势 生物计算机 实际上就是随着生物技术的发展， 实际上就是随着生物技术的发展，人们将模仿人的 大脑制造一种用基因学的机制来开发的新一代计算机。 基因学的机制来开发的新一代计算机 大脑制造一种用基因学的机制来开发的新一代计算机。 现在生物计算机的模型已经出来。 现在生物计算机的模型已经出来。以色列的科学家 制造了一个有可能会比单个活细胞还要小的计算机的模 型。这么微小的计算机也可能将在我们的体内漫游，监 这么微小的计算机也可能将在我们的体内漫游， 视我们的健康。 视我们的健康。也许会纠正它所发 现人体内哪个地方脂肪的堆积， 现人体内哪个地方脂肪的堆积，帮 助解决问题。 助解决问题。其实每一个细胞实际 上都是一个复杂的生物机件， 上都是一个复杂的生物机件，一个 系统。用这么一种仿生技术来制造 系统。 生物计算机。 生物计算机。 马虎成 21 1.3 通信技术 IT相关国际机构 马虎成 22 相关国际机构图标 马虎成 23 1.3 通信技术入门 ? ? ? ? 1.3.1 通信的基本原理 1.3.2 模拟通信与数字通信 1.3.3 光纤通信 1.3.4 无线通信 1.3.5 移动通信 马虎成 24 1.3 通信技术入门概述 通信技术入门概述 马虎成 25 现代通信 现代通信 ： 使用电波或光波双向传递信息 现代通信： 的技术（ 的技术（电信 telecommunication） ） ? 注意：利用书、报、杂志、磁带、光盘等 传递信息均不属于现代通信的范围。 马虎成 26 1.3.1 通信的基本原理 马虎成 27 马虎成 28 马虎成 29 马虎成 30 马虎成 31 马虎成 32 马虎成 33 马虎成 34 马虎成 35 3. 多路复用 多路复用 为了提高线路利用率， 为了提高线路利用率，总是设法在一条传输 线路上，传输多个模拟信号（例如，话路信息） 线路上，传输多个模拟信号（例如，话路信息） 或数字信号，这就是多路复用。 或数字信号，这就是多路复用。 ? 多路复用技术通常有： 多路复用技术通常有 通常有： 频分复用，时分复用，码分复用， 频分复用，时分复用，码分复用，波分复用 终端 终端 终端 终端 多路复用器 马虎成 信道 终端 终端 多路复用器 终端 终端 36 多路复用基本概念 多路复用基本概念 频分多路复用 频分多路复用 将传输线路的频带分成 部分 将传输线路的频带分成N部分，每一个 频带分成 部分， 部分均可作为一个独立的传输信道使用。 部分均可作为一个独立的传输信道使用。这 样在一对传输线路上可有N对话路信息传送 对话路信息传送， 样在一对传输线路上可有 对话路信息传送， 而每一对话路所占用的只是其中的一个频段。 而每一对话路所占用的只是其中的一个频段。 频分制通信又称载波通信， 频分制通信又称载波通信，它是模拟通 载波通信 信的主要手段。 马虎成 37 时分多路复用 时分多路复用 把一个传输通道进行时间分割以传送若干话 把一个传输通道进行时间分割以传送若干话 时间分割 路的信息。 路的信息。把N个话路设备接到一条公共的通道 个话路设备接到一条公共的通道 上，按一定的次序轮流的给各个设备分配一段使 用通道的时间。当轮到某个设备时， 用通道的时间。当轮到某个设备时，这个设备与 通道接通，执行操作。与此同时， 通道接通，执行操作。与此同时，其它设备与通 道的联系均被切断。待指定的使用时间间隔一到， 道的联系均被切断。待指定的使用时间间隔一到， 则通过时分多路转换开关把通道联接到下一个要 连接的设备上去。时分制通信也称时间分割通信 时间分割通信， 连接的设备上去。时分制通信也称时间分割通信， 它是数字电话多路通信的主要方法，因而PCM 它是数字电话多路通信的主要方法，因而 (脉冲编码调制 通信常称为时分多路通信。 脉冲编码调制)通信常称为时分多路通信。 脉冲编码调制 通信常称为时分多路通信 马虎成 38 码分多路复用 码分多路复用 用于无线移动通信。所有移动站点（ 用于无线移动通信。所有移动站点（例如手 在整个频段上进行传输， 机）在整个频段上进行传输，多路信号同时传输 时采用不同的编码原理加以区分。 不同的编码原理加以区分 时采用不同的编码原理加以区分。 例如，每个站点有一个唯一的m 例如，每个站点有一个唯一的m位代码 芯片序列），当需要发送比特1 ），当需要发送比特 （芯片序列），当需要发送比特1时，站点发送 其芯片序列；当需要发送比特0 其芯片序列；当需要发送比特0时，站点发送其 芯片序列的补码。 芯片序列的补码。 马虎成 39 波分多路复用 在单一光纤内同步传输多个不同波长的光 在单一光纤内同步传输多个不同波长的光 不同波长 波，使得数据传输速度和容量获得倍增 马虎成 40 马虎成 41 马虎成 42 马虎成 43 马虎成 44 1.3.2 数字通信与模拟通信 马虎成 45 马虎成 46 马虎成 47 马虎成 48 马虎成 49 马虎成 50 马虎成 51 马虎成 52 马虎成 53 1.3.3 光纤通信与无线通信 马虎成 54 马虎成 55 马虎成 56 马虎成 57 马虎成 58 马虎成 59 马虎成 60 马虎成 61 马虎成 62 马虎成 63 马虎成 64 马虎成 65 马虎成 66 马虎成 67 马虎成 68 马虎成 69 马虎成 70 马虎成 71 马虎成 72 马虎成 73 马虎成 74 马虎成 75 马虎成 76 马虎成 77 马虎成 78 1.3.4无线通信系统 ?无线通信原理 无线通信原理 利用电磁波可以 电磁波的种类与频率范围： 电磁波的种类与频率范围： 无线电波： 无线电波：104 108 (Hz) 在 空 间 自 由 传 播 的 特 微波： 微波： 108 1011 (Hz) 红外线： 1011 1014 (Hz) 性 ， 通 过 调 节 电 磁 波 红外线： 可见光： 可见光： 1014 (Hz) 的 振 幅 、 频 率 或 相 位 紫外线： 1014 1016 (Hz) 紫外线： X射线： 1016 1022 (Hz) 射线： 实现远距离传输信息 。 射线 伽玛射线: 伽玛射线 1022 1024 (Hz) 马虎成 79 马虎成 80 马虎成 81 1.微波通信 1.微波通信 无线电波按频率 ( 或波长) 可分成中波、 无线电波 按频率( 或波长 ) 可分成中波 、 短 按频率 超短波和微波。 波、超短波和微波。 微波：一种具有较高频率 300MHz 300GHz) 较高频率( MHz 微波：一种具有较高频率(300MHz300GHz) 的电磁波。波长很短，通常为1米至1毫米。 的电磁波。波长很短，通常为1米至1毫米。 微波通信是众多无线通信形式中的一种。 微波通信是众多无线通信形式中的一种。 马虎成 82 马虎成 83 微波通信方式 ： 地面微波接力通信 通信卫星 对流层 不均匀体 卫星通信 对流层散射通信 马虎成 84 地面微波接力通信 如终端站 A，通过地面中继 ，通过地面中继 ， ， ， ， 站C，D，E, F，与另一终端站 B 进行通 中继站之间的距离大致与塔高平方成正比。 信。中继站之间的距离大致与塔高平方成正比。 一般为50公里左右。 一般为 公里左右。 公里左右 经通信卫星（ 卫星通信 地球站 G 经通信卫星（空中微波中 继站） 进行通信。 继站）与另一地球站 H 进行通信。是微波接 力通信向太空的延伸。 力通信向太空的延伸。 终端站X发出的微波信号经对 对流层散射通信 终端站 发出的微波信号经对 流层散射传到另一终端站Y进行通信 散射传到另一终端站 进行通信。 流层散射传到另一终端站 进行通信。 马虎成 85 2.卫星通信 2.卫星通信 利用人造地球卫星作为中继站转发无线电 利用人造地球卫星作为中继站转发无线电 人造地球卫星 信号，实现两或多个地球站之间的通信。 信号，实现两或多个地球站之间的通信。 是微波接力通信技术与空间技术相结合的 产物。 产物。 马虎成 86 通信卫星工作原理 从地面站1发出的无 从地面站 发出的无 线电信号， 线电信号 ， 被卫星通信 天线接收后， 天线接收后 ， 首先在通 放大、 信转发器中进行放大 信转发器中进行 放大 、 变频和功率放大 和功率放大， 变频 和功率放大 ， 然后 由卫星的通信天线把放 大后的信号重新发向地 面站2，从而实现两个地 面站 ， 面站或多个地面站的远 距离通信。 距离通信。 马虎成 通信卫星 地 球 地面站1 地面站2 87 马虎成 88 马虎成 89 同步轨道 卫星(地球同步 同步轨道 卫星) 赤道上方高度为36 000 公里的地方， 公里的地方，卫星的运行周期 与地球自转一圈的周期相同， 与地球自转一圈的周期相同， 因此在地面上看这种卫星好似 静止不动 。三颗同步定点轨 道 卫星就可以覆盖地球的几 乎全部面积， 乎全部面积，可以进行二十四 小时的全天候通信。 小时的全天候通信。 卫星 天空中最多只能有180颗 天空中最多只能有180颗 只能有180 地球同步通信卫星。 地球同步通信卫星。 马虎成 90 卫星 35800 公里 地球 卫星 中、低轨道卫星 中 低轨道卫星 运行周期小于地球自转一圈的周期 因此相 地球自转一圈的周期，