电子学的基本概念ppt课件

电子学的基本概念,电,1,一、电二、电子学三、电子管四、集成电路五、微处理器六、跟激光器相关的术语，基本计量单位的介绍,2,电是一种自然现象，指电荷运动所带来的现象。自然界的闪电就是电的一种现象。电是像电子和质子这样的亚原子粒子之间产生的排斥力和吸引力的一种属性。它是自然界四种基本相互作用之一。电子运动现象有两种：我们把缺少电子的原子说为带正电荷，有多余电子的原子说为带负电荷。电是个一般术语，是静止或移动的电荷所产生的物理现象。在大自然里，电的机制给出了很多众所熟知的效应，例如闪电、摩擦起电、静电感应、电磁感应等等,电,3,电荷：某些亚原子粒子的内涵性质。这性质决定了它们彼此之间的电磁作用。带电荷的物质会被外电磁场影响，同时，也会产生电磁场。电流：带电粒子的定向移动，通常以安培为度量单位。电场：由电荷产生的一种影响。附近的其它电荷会因这影响而感受到电场力。电势：单位电荷在静电场的某一位置所拥有的电势能，通常以伏特为度量单位。电磁作用：电磁场与静止或运动中的电荷之间的一种基本相互作用。（一）电荷的电场失去电子或得到电子的物体就带有正电荷或负电荷，带有电荷的物体称为带电体。在电荷的周围存在着电场，引进电场中的电荷将受到电场力的作用。该电荷称为试探电荷！发出电场的电荷称为场源电荷！电场强度和电位是表示静电场中各点性质的两个基本物理量。电场中某点的电场强度即是单位正电荷在该点所受到的作用力。电场强度的单位是牛顿/库伦(N/Co)电场中某点的电位是指在电场中将单位正电荷从该点移至电位参考点的电场力所作的功。电位的常用单位是伏特(V)或毫伏(mV)，即1V=1000mVe电场中某两点之间的电位差称为这两点之间的电压或电压降。电压的单位与电位的单位相同。电场强度由电场本身决定！一种物体的原子得到电子后会带上负电，失去电子后会带上正电。电性相反的电荷会互相吸引，电性相同的电荷会互相排斥。不带电荷的物体是一种电中性物体。,4,（二）电流与电路在电源的非静电力作用下，同种带电微粒会发生定向移动，正电荷向电源负极移动、负电荷向电源正极移动。带电微粒的定向移动就是电流，一般规定正电荷移动的方向为电流的正方向。电流方向不随时间变化的电流叫直流电，电流方向随时间变化的电流叫交流电。区分直流和交流，仅仅是其方向而已，与其它的量无关。电流虽然有方向，但是是一个标量。电流的大小称为电流强度，电流强度简称为电流，等于每秒通过电路的电荷量。电流的常用单位是安培（A）或毫安培（mA），即1000mA=1A。电流所流经的路径即电路。在闭合电路中，实现电能的传递和转换。电路由电源、连接导线、开关电器、负载及其它辅助设备组成。电源是提供电能的设备，电源的功能是把非电能转换为电能，如电池把化学能转换为电能，发电机把机械能转换为电能，太阳能电池将太阳能转化为电能等。干电池、蓄电池、发电机等是最常用的电源。负载是电路中消耗电能的设备，负载的功能是把电能转变为其它形式的能量。如电炉把电能转变为热能，电动机把电能转变为机械能等。照明器具、家用电器、机床等是最常见的负载。开关电器是负载的控制设备，如闸刀开关、断路器、电磁开关、减压起动器等都属于开关电器。辅助设备包括各种继电器、熔断器以及测量仪表等。辅助设备用于实现对电路的控制、分配、保护及测量。连接导线把电源、负载和其它设备连接成一个闭合回路，连接导线的作用是传输电能或传送电讯号。,5,开拓和利用光频的开拓和利用电子学发展的一个重要方面，表现在电磁波谱利用的扩展上，其中特别是对光频段(包括红外和紫外)的开拓和利用上。麦克斯韦在他创立的经典电磁理论中，就已经阐明了光的电磁本质。人类对光的认识和利用远在电子学诞生之前。但是，在激光器发明以前，人们所涉及的，主要是非相干光。1954年，美国C.H.汤斯用致冷的氨分子作工作物质，研制成世界上第一台微波激射器。稍后，苏联.巴索夫和.普罗霍洛夫也研制成以氟化铯为工作物质的微波激射器。1958年，汤斯与A.L.肖洛将微波受激辐射的原理推广到红外和光频段。1960年，美国T.H.梅曼研制成第一台激光器红宝石脉冲激光器。此后不到一年，第一个连续激光器氦氖激光器研制成功。从此，用于信息技术的电磁波谱，从无线电频段扩展到了光频段，从而使已经显得十分拥挤的无线电频段得到了缓解。激光器的出现，使英国D.盖伯在1946年发明的全息摄影技术获得了新的活力，并为后来的高密度大容量信息存储技术奠定了基础。激光器的问世，也导致了大容量光纤通信的出现，使通信技术继卫星通信之后发生了又一次飞跃，这又是一个重大进展。,激光器,6,电子学是一门以应用为主要目的的科学和技术。它主要研究电子的特性和行为，以及电子器件的物理学科。电子技术是应用电子学的原理设计和制造电路、电子器件来解决实际问题的科学。现代的电子学已经成为了举世瞩目的学科。,电子学,7,电子学诞生迄今只有100年左右的历史，它是在早期的电磁学和电工学的基础上发展起来的。在电子学诞生之前，人类对于电磁现象的研究已相当深入。一系列物理定律已经确立，如库仑定律、安培定律、欧姆定律、楞次定律、法拉第电磁感应定律等。英国J.C.麦克斯韦集以往电磁学研究之大成，建立了电磁学的完整理论麦克斯韦方程，并从理论上预言了电磁波的存在。2与此同时，人们对电磁学的利用也达到了一定的水平，有线电报和有线电话已相继发明，并且有了横贯美洲大陆的电报、电话线路和横跨大西洋的海底电缆。美国T.A.爱迪生发明了白炽灯。所有这些，都为电子学的诞生准备了充足的条件。,8,爱迪生虽然发现了热电子发射效应（即爱迪生效应），但他并未意识到这一效应的意义，而且对它的机理也不清楚。1897年，英国J.J.汤姆逊揭示出形成爱迪生效应的荷电粒子是电子，爱迪生效应乃是一种热电子发射现象。1904年，英国J.A.弗莱明第一个把爱迪生效应付诸实用，发明了二极电子管。二极电子管的发明为无线电报接收提供了一种灵敏可靠的检波器。1906年，美国L.德福雷斯特发明具有放大能力的三极电子管，为当时蓬勃发展的无线电报通信事业提供了一种极其有用的器件。三极电子管以后，又出现了四极管、五极管、更多极的电子管和复合管，形成了包括收信管、发射管、低频管、高频管、微波电子学管和超小型管等系列。电子管是电子器件的第一代，在晶体管发明以前的近半个世纪里，电子管几乎是各种电子设备中唯一可用的电子器件。电子学随后取得的许多成就，如电视、雷达、计算机的发明，都是和电子管分不开的。就是在固体电子学十分兴旺的现代，以大功率电子管（特别是微波功率电子管）和电子束管为代表的真空电子学也仍然是一个活跃的领域。1,电子管,9,晶体管金黄色管壳的锗晶体管4晶体管：正当电子管进入全盛时期，美国贝尔实验室的物理学家看到电子管在体积、功耗、寿命等方面的局限性，在客观需要的推动下着手固体器件的研究。1948年，贝尔实验室宣布J.巴丁、W.H.布喇顿和W.B.肖克莱研制成晶体三极管。初期的晶体管是点触式的，制造比较困难，稳定性较差，但它毕竟是时代的标志。1957年，贝尔实验室的D.斯帕克斯发明面结型晶体管，克服了点触式晶体管的缺点，使得问世不久的晶体管的地位巩固下来。后来，由于材料工艺方面取得进展，肖克莱早期设想的场效应晶体管也实现了。晶体管的发明将电子学推向了一个新的阶段。电子学在以后取得的许多成就，如集成电路、微处理器和微型计算机等，都是从晶体管发展而来的。4,10,二极管：整流、检波、开关,11,三极管：放大、驱动。,12,13,集成电路集成与非门电路74LS011958年，美国得克萨斯仪器公司宣布一种集成的振荡器问世，首次把晶体管和电阻、电容等集成在一块硅片上，构成了一个基本完整的单片式功能电路。1961年，美国仙童公司宣布制成一种集成的触发器。从此，集成电路获得了飞速的发展。数字集成电路从小规模到中规模、大规模，乃至到超大规模，集成度越来越高，使过去的中小型计算机乃至大型计算机得以微型化，进入了微型计算机的时期。与此同时，模拟集成电路也获得了发展。集成电路的发明开创了集电子器件与某些电子元件于一体的新局面，使传统的电子器件概念发生了变化。这种新型的封装好的器件体积和功耗都很小，具有独立的电路功能，甚至具有系统的功能。单片微波集成电路也已进入生产阶段。集成电路的发明使电子学进入了微电子学时期，是电子学发展的一次重大飞跃。,集成电路,14,一、数字集成电路：门电路四二输入与非门：74ls00,cd4011,缓冲器，编码器，驱动器,15,二、模拟集成电路放大器：单端放大，差分放大LM358滤波器：高通滤波器，低通滤波器，带通滤波器,16,一、传统的微处理器1.四位机2.八位机:51单片机，Microchip的pic系列单片机，Atmel的mega,xmega系列单片机3.16位机：msp430系列3.32位机：ARM32Bit处理器，通用M0,M3,M4,M7高端A系列。,微处理器电路,17,二、数字信号处理器DSP:Ti,Motorola,Ad,Ti的低功耗处理器Ti数字信号处理器Ti高端多核数字信号处理器：图像应用，交通违法摄像头。,18,三、可编程逻辑器件1.Altera,lattice：相机，雷达，导弹。2.ASIC,19,国际单位制基本单位是一系列由物理学家订定的基本标准单位。缩写为SI，国际单位制共有七个基本单位。SI制：七个基本单位：长度m，时间s，质量kg，热力学温度（开尔文温度）K，电流A，光强度cd（坎德拉），物质的量mol,国际单位制基本单位,长度L米（又称“公尺”）m,量常用符号单位名称单位符号,长度的国际单位是米(m)：常用的单位有千米（Km），分米（dm）厘米（cm），毫米（mm）微米（m）纳米（nm）。1Km=1000m，1m=10dm，1dm=10cm，1cm=10mm，1mm=1000m，1m=1000nm,20,波长：波长（wavelength）是指波在一个振动周期内传播的距离。也就是沿着波的传播方向，相邻两个振动位相相差2的点之间的距离。波长等于波速u和周期T的乘积，即=uT。同一频率的波在不同介质中以不同速度传播，所以波长也不同。,跟激光器有关的基本单位,波长（或可换算成频率）是波的一个重要特征指标，是波的性质的量度。例如：声波可以从它的频率来量度，人耳可听的声波从20Hz到20kHz，相应的波长从17m到17mm不等；人眼的可见光从深红色的760nm波长，到紫色的390nm波长。,21,频率，是单位时间内完成周期性变化的次数，是描述周期运动频繁程度的量，常用符号f或表示，单位为秒分之一，符号为s-1。为了纪念德国物理学家赫兹的贡献，人们把频率的单位命名为赫兹，简称“赫”，符号为Hz。每个物体都有由它本身性质决定的与振幅无关的频率，叫做固有频率。频率概念不仅在力学、声学中应用，在电磁学、光学与无线电技术中也常使用。,频率,单位：物理中频率的基本单位是赫兹（Hz），简称赫，也常用千赫（kHz）或兆赫（MHz）或吉赫（GHz）做单位。1kHz=1000Hz，1MHz=1000000Hz，1GHz=1000MHz。,22,功率是指物体在单位时间内所做的功的多少，即功率是描述做功快慢的物理量。功的数量一定，时间越短，功率值就越大。求功率的公式为功率=功/时间。功率表征作功快慢程度的物理量。单位时间内所作的功称为功率，用P表示。故功率等于作用力与物体受力点速度的标量积。,功率、连续输出功率、,物理意义物理意义：表示物体做功快慢的物理量。物理定义：单位时间内所做的功叫功率。功率是表示物体做功快慢的物理量。,物理公式：功率可分为电功率，力的功率等。故计算公式也有所不同。功率：电功率计算公式：P=W/t=UI；在纯电阻电路中，根据欧姆定律U=IR代入P=UI中还可以得到：P=I2R=(U2)/R在动力学中：功率计算公式：1.P=W/t（平均功率）2.P=FV；P=Fvcos（瞬时功率,因为W=F（F力）S（s位移）（功的定义式），所以求功率的公式也可推导出P=Fv：P=W/t=F*S/t=F*V（此公式适用于物体做匀速直线运动）公式中的P表示功率，单位是“瓦特”，简称“瓦”，符号是W。W表示功。单位是“焦耳”，简称“焦”，符号是J。t表示时间，单位是“秒”，符号是s。,23,物理单位1、国际单位：瓦特（W）2、常用单位1kW=1103W1MW=1103kW=1106W1马力=735W,电功率计算电功率的计算公式包括瞬时功率和平均功率。即瞬时电压和瞬时电流为u(t)、i(t)，瞬时功率为p(t)，下式无条件成立：P(t)=U(t)I(t)对于周期信号，一个周期内的瞬时功率的平均值，称为平均功率，也称有功功率。,测量功率的装置称为功率计，根据被测信号频率分类，功率计可分为：直流功率计、工频功率计、变频功率计、射频功率计和微波功率计。由于直流功率等于电压和电流的简单乘积，实际测量中，一般采用电压表和电流表替代。工频功率计是应用较普遍的功率计，常说的功率计一般都是指工频功率计。,传统的射频功率计或射频检测系统的电路复杂，集成度很低。2013年，美国ADI公司相继推出AD8361、AD8362和AD8318型全集成化的单片射频真有效值功率测量系统，不仅能精确测量射频(RF)功率，还可测量中频(IF)、低频(LF)功率。,功率稳定度：5%,24,电压（voltage），也称作电势差或电位差，是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。其大小等于单位正电荷因受电场力作用从A点移动到B点所做的功，电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向。电压的国际单位制为伏特（V，简称伏），常用的单位还有毫伏（mV）、微伏（V）、千伏（kV）等。此概念与水位高低所造成的“水压”相似。需要指出的是，“电压”一词一般只用于电路当中，“电势差”和“电位差”则普遍应用于一切电现象当中。,电压,单位：电压在国际单位制中的主单位是伏特（V），简称伏，用符号V表示。11伏特等于对每1库仑的电荷做了1焦耳的功，即1V=1J/C。强电压常用千伏(kV)为单位，弱小电压的单位可以用毫伏(mV)微伏(v)。它们之间的换算关系是：1kV=1000V1V=1000mV1mV=1000v,25,常见值电视信号在天线上感应的电压约0.1mV维持人体生物电流的电压约1.2mV碱性电池标称电压1.5V电子手表用氧化银电池两极间的电压1.5V一节铅蓄电池电压2V手持移动电话的电池两极间的电压3.7V对人体安全的电压一般不高于36V家庭电路的电压220V动力电路电压380V无轨电车电源的电压550600V电视机显像管的工作电压10kV以上列车上方电网电压25000v发生闪电的云层间电压可达1000kV,26,科学上把单位时间里通过导体任一横截面的电量叫做电流强度，简称电流。通常用字母I表示，它的单位是安培（安德烈玛丽安培，1775年1836年，法国物理学家、化学家，在电磁作用方面的研究成就卓著，对数学和