项目研究：计算机的发展.doc

计算机的发展 第一代电子管 一、电子管的发明简介 爱迪生在做实验时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，灯丝就会产生一股电流，趋向附近的金属片。 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。但最先预见到这一效应具有实用价值的，则是英国物理学家和电气工程师弗莱明。 世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m*2，重30t，耗电150kW。 二、电子管的定义 电子管是一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。早期应用于电视机、收音机扩音机等电子产品中，近年来逐渐被晶体管和集成电路所取代，但目前在一些高保真音响器材中，仍然使用电子管作为音频功率放大器件（香港人称使用电子管功率放大器为“煲胆”）。 三、构造和原理下面的讨仅限于真空式电子管 二极管： 考虑一块被加热的金属板，当它的温度达到摄氏800度以上时，会形成电子的加速运动，以至能够摆脱金属板本身对它们的吸引而逃逸到金属表面以外的空间。若在这一空间加上一个十几至几万伏的正向电压（踏雪留痕在上面说到的显像管，阳极上就加有7000-27000伏的高压），这些电子就会被吸引飞向正向电压极，流经电源而形成回路电流。 二极管 把金属板（阴极），加热源（灯丝），正向电压极板（阳极）封装在一个适当的壳里，即上面说的玻璃（或金属，陶瓷）封装壳，再抽成几近真空，就是电子二极管。 需要说明的是由于制造工艺，杂质附着以及材料本身等原因，管内会残留微量余气，成品管都在管内涂敷了一层吸气剂。吸气剂一般使用掺氮的蒸散型锆铝或锆钒材料。目前除特殊用途外（如超高频和高压整流等），为便于使用和增加一至性，均为两只二极管，或二极三极，或三极三极以及二极五极等合装在一个管壳内，这就是复合管。 三极管： 二极管的结构决定了它的单向导电的性质，当在阴极与阳极之间再加上一个带适当电压的极点，这个电压就会改变阴极的表面电位，从而影响了阴极热电子飞向阳极的数量，这就是调制极，一般是用金属丝做成螺旋状的栅网，所以又把它称为栅极。这就是阀门功能了。由此可以知道，当作为被放大的信号电压加在栅极-阴极之间时，由于它的变化必然会使阳极电流发生相应的变化，又由于阳极电压远高于阴极，因此栅阴极间微小的电压变化同样能使阳极产生相应的几十至上百倍的电压变化，这就是三极管放大电压 三极管 信号的原理。 四极管：纯粹意义的四极管只是在电子管的发展史上作为验证管出现过而没有进入实用 四、电子管的优缺 由于电子管体积大、功耗大、发热厉害、寿命短、电源利用效率低（联系课本：效率=管耗电源提供的功率）、结构脆弱而且需要高压电源的缺点，现在它的绝大部分用途已经基本被固体器件晶体管所取代。但是电子管负载能力强，线性性能优于晶体管，在高频大功率领域的工作特性要比晶体管更好，所以仍然在一些地方（如大功率无线电发射设备）继续发挥着不可替代的作用。 五、应用于计算机的逻辑元件电子管有关图形 第一台电子管计算机 成品功放电路 高功率电子管单端a类211功放 联系课本：功率放大电路，前置放大电路（保证不失真），功率放大电路（在允许失真范围内提高放大倍）六、电子管的种类 （一）按用途分类 电子管按其用途的不同可分为电压放大管、功率大管、充气管、闸流管、引燃管、混频或变频管、整流管、振荡管、检波管、调谐指过管、稳压管等。 （二）按电极数分类 电子管按其电极数的不同可分为电压放大管、三极管、四极管、五极管、六极管、七极管、八极管、九极管和复合管等。三极以上的电管又称为多极管或多栅管。 （三）按外形分类 电子管按其外形及外壳材料可分为瓶形玻璃管（ST管）、“橡实”管、筒形玻璃管（GT管）、大型玻璃管（G式管）、金属瓷管、小型管（也称花生管或指形管、MT管）、塔形管、超小型管（铅笔形管）等多种。 （四）按内部结构分类 电子管按其内部结构可分为单二极管、二极管、双二极三极管、双二极管极管、单三极管、功率五极管、束射四极管、束射五极管、双一极管、二极五极复合管、又束射四极管、三极-五极复合管、三极-六极复合管、三极-七极复合管、束射功率各处室等多种类型。 （五）按阴极的加热方式分类 电子管按阴极的加热方式可分为直热式阴极电子管（电流直接通过阴极使其达到热电子发射状态）和旁热式阴极电子管（通过阴极旁的灯丝加热阴极）。 （六）按屏蔽方式分类 电子管按屏蔽方式可分为锐截止屏蔽电子管和遥截止屏蔽电子管。 （七）按冷却方式分类 电子管按冷却方式可分为水冷式电子管、风冷式电子管和自然冷却式电子管。 七 电子管的基本参数1.灯丝电压：V； 2.灯丝电流：mA 3.阳极电压：V； 4.阳极电流：mA； 5.栅极电压：V； 6.栅极电流：mA； 7.阴极接入电阻：； 8.输出功率：W； 9.跨导：mA/v； 10.内阻: k。 第二代晶体管 一： 晶体管简介：晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流，因此晶体管可做为电流的开关，和一般机械开关（如Relay、switch）不同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常之快，在实验室中的切换速度可达100GHz以上。 二：与电子管相比晶体管的优越性： 晶体管的构件是没有消耗的。无论多么优良的电子管，都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。随着材料制作上的进步以及多方面的改善，晶体管的寿命一般比电子管长 100到1000倍，称得起永久性器件的美名。 晶体管消耗电能极少，仅为电子管的十分之一或几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去，这对电子管收音机来说，是难以做到的。 晶体管不需预热，一开机就工作。例如，晶体管收音机一开就响，晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一点。开机后，非得等一会儿才听得到声音，看得到画面。显然，在军事、测量、记录等方面，晶体管是非常有优势的。 晶体管结实可靠，比电子管可靠 100倍，耐冲击、耐振动，这都是电子管所无法比拟的。另外，晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装 三： 晶体管分类 （一）按半导体材料和极性分类 按晶体管使用的半导体材料可分为硅材料晶体管和锗材料晶体管。（联系模电课本：按晶体管的极性可分为锗NPN型晶体管、锗PNP晶体管、硅NPN型晶体管和硅PNP型晶体管。） （二）按结构及制造工艺分类 晶体管按其结构及制造工艺可分为扩散型晶体管、合金型晶体管和平面型晶体管。 （三） 按电流容量分类 晶体管按电流容量可分为小功率晶体管、中功率晶体管和大功率晶体管。 （四）按工作频率分类 晶体管按工作频率可分为低频晶体管、高频晶体管和超高频晶体管等。 （五）按封装结构分类 晶体管按封装结构可分为金属封装（简称金封）晶体管、塑料封装（简称塑封）晶体管、玻璃壳封装（简称玻封）晶体管、表面封装（片状）晶体管和陶瓷封装晶体管等。其封装外形多种多样。 （七）按功能和用途分类 晶体管按功能和用途可分为低噪声放大晶体管、中高频放大晶体管、低频放大晶体管、开关晶体管、达林顿晶体管、高反压晶体管、带阻晶体管、带阻尼晶体管、微波晶体管、光敏晶体管和磁敏晶体管等多种类型。 四：晶体管开关的作用 （一)控制大功率 现在的功率晶体管能控制数百千瓦的功率，使用功率晶体管作为开关有很多优点，主要是； (1)容易关断，所需要的辅助元器件少， (2)开关迅速，能在很高的频率下工作， (3)可得到的器件耐压范围从100V到700V，应有尽有 几年前，晶体管的开关能力还小于10kW。目前，它已能控制高达数百千瓦的功率。这主要归功于物理学家、技术人员和电路设计人员的共同努力，改进了功率晶体管的性能。如 (1)开关晶体管有效芯片面积的增加， (2)技术上的简化， (3)晶体管的复合达林顿， (4)用于大功率开关的基极驱动技术的进步。 、 (二)直接工作在整流380V市电上的晶体管功率开关 晶体管复合(达林顿)和并联都是有效地增加晶体管开关能力的方法。 在这样的大功率电路中，存在的主要问题是布线。很高的开关速度能在很短的连接线上产生相当高的干扰电压。 (三)简单和优化的基极驱动造就的高性能 今日的基极驱动电路不仅驱动功率晶体管，还保护功率晶体管，称之为“非集中保护” (和集中保护对照)。集成驱动电路的功能包括： (1)开通和关断功率开关； (2)监控辅助电源电压； (3)限制最大和最小脉冲宽度； (4)热保护； (5)监控开关的饱和压降。 五、电阻晶体管门路 六：从02年以来的发展 2002年1月：英特尔奔腾4处理器推出，高性能桌面台式电脑由此可实现每秒钟22亿个周期运算。它采用英特尔0.13微米制程技术生产，含有5500万个晶体管。 2002年8月13日 ：英特尔透露了90纳米制程技术的若干技术突破，包括高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质材料。这是业内首次在生产中采用应变硅。 2003年3月12日 ：针对笔记本的英特尔迅驰移动技术平台诞生，包括了英特尔最新的移动处理器“英特尔奔腾M处理器”。该处理器基于全新的移动优化微体系架构，采用英特尔0.13微米制程技术生产，包含7700万个晶体管。 2005年5月26日 ：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器”诞生，含有2.3亿个晶体管，采用英特尔领先的90纳米制程技术生产。 2006年7月18日 ：英特尔安腾2双核处理器发布，采用世界最复杂的产品设计，含有17.2亿个晶体管。该处理器采用英特尔90纳米制程技术生产。 2006年7月27日 ：英特尔酷睿2双核处理器诞生。该处理器含有2.9亿多个晶体管，采用英特尔65纳米制程技术在世界最先进的几个实验室生产。 2006年9月26日 ：英特尔宣布，超过15种45纳米制程产品正在开发，面向台式机、笔记本和企业级计算市场，研发代码Penryn，是从英特尔酷睿微体系架构派生而出。 2007年1月8日 ：为扩大四核PC向主流买家的销售，英特尔发布了针对桌面电脑的65纳米制程英特尔酷睿2四核处理器和另外两款四核服务器处理器。英特尔酷睿2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。 2007年1月29日 ：英特尔公布采用突破性的晶体管材料即高-k栅介质和金属栅极。英特尔将采用这些材料在公司下一代处理器英特尔酷睿2双核、英特尔酷睿2四核处理器以及英特尔至强系列多核处理器的数以亿计的45纳米晶体管或微小开关中用来构建绝缘“墙”和开关“门”，研发代码Penryn。采用了这些先进的晶体管，已经生产出了英特尔45纳米微处理器。 最后，期待晶体管有更开更新的发展！ 第三、四代集成电路计算机一：集成电路定义集成电路（integrated circuit）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，这样，整个电路的体积大大缩小，且引出线和焊接点的数目也大为减少，从而使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。二：集成电路的起源与发展 晶体管制造工艺经过10年的发展后，1958年出现了第一块集成电路。 标志集成电路水平的指标之一是集成度。联系数电：所谓集成度就是指在一定尺寸的芯片上（这个芯片的尺寸比小姆指的指甲还小）能做出多少个晶体管。也有的用在一定尺寸的芯片上能做出多少个门电路（一个标准的门电路是由一个或几个晶体管组成的）来衡量集成度。集成电路发展的初期仅能在这个小面积上制造十几年或几十个晶体管，因而其电路的功能也是有限的。一般将集成100个晶体管以下的集成电路称为小规模集成电路。到60年代中期，集成度水平已经提高到几百甚至上千个元器件（指晶体管）。我们把集成1001000个晶体管的集成电路称为中规模集成电路。70年代是集成电路飞速发展的时期，集成电路已经进人1000个以上元器件的大规模集成时代，这期间已经出现了集成20多万个元器件的芯片。大规模集成电路不仅仅是元器件集成数量的增加，集成的对象也起了根本的变化，它可能是一个复杂的功能部件，也可能是一台整机o单片计算机人80年代可以看作是超大规模集成电路的时代，芯片上集成的元件数已达10万以上，而且已经突破了百万大关。三： 优缺点集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。 目前国内使用的图形发生器一般采用中小规模集成电路,存在图形运算速度慢,体积大,耗电大,效率低,工作极不稳定,故障多,曝光圆环靠软件弥补等弊端。四、相关图形1、集成电路板 2、原理图 五、集成电路分类（一）按功能结构分类集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。 模拟集成电路用来产生、放大和处理各种模拟信号（联系数电课本模拟信号定义：指幅度随时间变化的信号。例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等），而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。例如VCD、DVD重放的音频信号和视频信号）。 （二）按制作工艺分类 集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和薄膜集成电路。 膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。 （三）按集成度高低分类 集成电路按集成度高低的不同可分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路。 （四）按导电类型不同分类 集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路。 （联系数电：双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低