模拟电子技术发展与应用概述

1、模拟电子技术发展与应用概述北京交通大学电子信息工程学院姓名：张学号：班级：通信1004模拟电子技术的发展与应用概述张建萍(北京交通大学电子信息工程学院北京100044)摘要：模拟电子技术是一门研究对仿真信号进行处理的模拟电路的学科。它以半导体二极管、半 导体三极管和场效应管为关键电子器件，包括功率放大电路、运算放大电路、反馈放大电路、信 号运算与处理电路、信号产生电路、电源稳压电路等研究方向。本文将简单回顾简单电子技术的 发展历史，主要介绍模拟电子技术的现状与应用，最后将对其未来发展前景进行展望。关键词：模拟电子技术，现状，未来Monidianzijishudefazhanyuyingyong

2、gaishuZhang jianping(College of Electric and Information Engineering , Beijing Jiaotong University , Beijing 100044)Abstract: Analog electronic technology is a research on the simulation of signal processing of analog circuit course. It takes three semiconductor diodes, semiconductor transistor and

3、field effect tube is the key of electronic devices, including power amplification circuit, an operational amplification circuit, feedback amplification circuit, signal processing and processing circuit, signal generating circuit, power supply circuit, research direction. This article will briefly re

4、view the history of the development of a simple electronic technology , introduces the status and application of analog electronics technology , and finally prospects for the future development prospects .Key words: Analog electronic technology , present situation, future development prospect一、前言模拟电

5、子技术是电子技术的一个方面，它是一个极其美妙的领域，在这一领域里，数学、物 理学、信息工程、电气工程与自动化控制工程等学科找到了一个和谐的结合点，其深厚的理论基 础和广泛的实际应用使其具有旺盛持久的生命力。因而，对于许多有关的学科来说，模拟电子技 术是一门非常重要的基础理论课。一般来说，模拟电子技术的是一门应用性、实践性很强的学科。本课程主要研究各种半导体 器件的性能、电路及其应用。这门课程概念很多，并且深奥难懂。但是，在理工科学习专业知识 的过程中，它起到了很重要的作用。它不仅为今后的课程打下基础，而且对于培养我们分析问题 和解决问题的能力也非常重要。因为当今的模拟电子技术已从一门较单纯的学

6、科成了许多学科所 共有的基础理论，这一演变过程充满了人类智慧的结晶，充满了科学思想甚至哲学概念上的进化。 因此，模拟电子技术已被列为有关专业如电子信息工程、通信工程等电类专业的专业必修课。二、模拟电子技术发展概况电子器件的产生电子技术是在通信技术发展的基础上诞生的。随着新型电子材料的发现，电子器件发生了 深刻变革。自1906年，福雷斯特发明了电子管以来，世界电子技术经历了电子管、晶体管和集 成电路等重要发展阶段。电子器件是按照“电子管一一晶体管一一集成电路”的顺序，桌布发展 起来的。一、第一代电子器件一一真空电子管1904年美国Fleming发明了真空二极管。1906年美国Leede Fore

7、st发明了真空三极管，是 电子学发展史上的第一个里程碑。用电子管可实现整流、稳压、检波、放大、振荡、变频、调制 等多种功能电路。二、第二代电子器件一一晶体管1947年在贝尔实验室制成第一只晶体管电子技术进入晶体管时代。1948年，美国的W.Shocly 等发明了半导体三极管，其性能明显优越于电子管，从而大大促进了电子技术的应用与发展。晶 体管的发明是电子学历史上的第二个里程碑。尽管由晶体管组成的电路具有体积小、重量轻、功 耗低、电路性能稳定可靠等一些列优于电子管的的特性，但成百上千只晶体贾娜和其他元件组成 的分离点了体积大、焊点多、可靠性差。三、第三代电子器件一一集成电路1958年，基尔白等提

8、出将管子、元件和线路集成封装在一起的设想，三年后，集成电路实 现了商品化。集成电路是通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电 容等无源器件，按照一定规则的电路互连，集成在一块半导体单晶片上，执行特定电路或系统功 能。集成电路岸集成度可分作小规模集成电路、中规模集成电路和大规模集成电路。当前，微电子已经成为最具发展前途的产业，微电子水平已成为衡量一个国家技术水平的重 要标志。模拟电子技术的发展历史模拟电子技术是整个电子技术和电力技术的基础，在信号放大、功率放大、整流稳压、模拟 量反馈、混频、调制解调电路等领域具有无法替代的作用。子曰：温故而知新。回顾模拟电子技术的发展历史，

9、我们可以从中悟出科学技术从产生到发 展的某些规律，这种规律必将对我们现在的学习及未来的工作有所指导和帮助，同时，了解模拟 电子技术的发展历史，可以使你眼界开阔、联想出新。分立元件阶段该阶段主要由1905年一一1959年。在这几十年中，真空三极管问世，且用它构成的电子电 路能够产生从低频到微波范围的振荡，可以放大各种微弱的信号。从而使电子技术进入了实际应 用阶段。时间推移至20世纪40年代末，出现了晶体三极管，由于晶体管具有体积小，轻重量， 功耗低，工作可靠性高等一系列优点，使它在许多领域中取代了电子管。其实，三极管的出现在 一定程度上是由在导体物理的发展来奠基的。因为构成晶体管的材料，大部分是

10、硅一一这种性能 良好的半导体。所以，现在也有人将晶体管的发明称作电子技术发展的里程碑，是有历史依据的。 自从晶体管出现，电子电路进入了晶体管电路阶段。集成电路阶段该阶段从1959开始，即集成电路的问世开始，强烈地推动了整个电子技术的历程。所谓的 集成电路，就是在一块小的基片上光刻出多个晶体管、电阻和电容器件，并将它们连接成完成一 定功能的电子电路。有这样的技术基础，集成电路由起初的小规模集成电路（SSI）发展到中规 模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）。形成了集成度逐渐提 高，器件尺寸逐渐减小的格局。目前，单片集成度已经能够达到数千万个元、器件，从而可将

11、器 件、电路与系统融合于一体，构成一个集成电子系统。大规模和超大规模集成电路的出现，、使电子技术装置发生了根本变化。电子设备的功能、 速率、体积、功耗、可靠性诸方面都取得了惊人的成就。一场电子技术的革命已经在当今科技的 大环境中掀起，电子技术发展至今，已经进入了 “微电子学”时代。这是一个新纪元，也是新一 代电子技术的起点！三、模拟电子技术现状及未来展望模拟电子技术的特点为：线性与非线性相结合，直流与交流相结合，电路与器件相结合，基 本估算与物理概念相结合。目前，模拟电子技术的现状可简单地归纳为：与系统理论紧密结合、全面引入网络图论、深 受计算机的冲击、非线性电路与系统的研究方兴未艾、集成电路

12、的出现并向超大规模迅速发展的 状况将在相当长时间内左右电路与系统学科的发展；在器件上多端化、集成化；在分析方法上系 统化、通用化、计算机辅助化；在综合上有源化、最佳化、可集成化；在体系上从线性扩展到非 线性、从无源扩展到有源、从单元件分立扩大到电路系统的集成；新的研究方向迭起，新的研究 成果不断。从现状展望未来，你会发现，模拟电子技术已成为现代科学技术基础理论中一门活跃、 举足轻重而又有着广阔发展前景的引人注目的学科。进入21世纪，电子技术进入了飞速发展的时代。随着工艺技术的不断改进，使得器件的尺 寸不断缩小，从而集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。在电子技术在进入微电子时 代的当下，

13、其发展大致有一下几方面。（1）继续缩小器件的尺寸特征所谓的尺寸特征，就是指器件中最小线条宽度。对MOS器件而言，通常指器件栅极所决定的 沟道几何长度。基于市场竞争，不断提高产品的性价比是微电子技术发展的动力。缩小特征尺寸 从而提高集成度是提高产品性价比的有效手段。基于上述原因，在高新技术的推动下，集成电路 自产生以来，以每3年提高4倍，加工尺寸1/2倍的速度生产。这就是由Intel公司创始人之一 的Gorden E.Moor博士总结的规律，被称作摩尔定律。但是，随着器件尺寸缩小。我们也面临着 许多问题。（2）关键技术开发层次目前，集成器件的生产已经具备了大规模生产的条件，但是，仍然有许多开发与

14、演剧要进一 步完善。关键的加工工艺一一曝光技术还是一个大问题。众所周知，器件特征尺寸之所以可以缩 小，主要得益于曝光技术的进步。但目前，曝光技术的方法仍然在研究之中。在另一个关键技术 互连技术上，铜互连已在之前使用，但是在器件更小以后，同互连于低价常数绝缘材料共同 使用的可靠性问题还有待研究。（3）基础研究层次未来的几十年间，面对电子电路高集成的特点，空间尺寸为纳米量级，时间尺度为飞秒量级 的新器件将遇到其间结构，关键工艺，集成技术，散热问题，材料体系及理论基础方面的一系列 问题。具体的需要创新和重点的领域包括基于介观和量子物理基础的亚50纳米半导体器件的输 运理论、器件模型、热障模型、模拟和

15、仿真软件、新器件结构、高K栅介质材料和新栅结构、电 子束步进光刻、超细线条刻蚀等工艺技术。（4）模拟电子技术发展方向随着半导体产业数十年的发展，整机制造商和半导体供应商的需求和服务都在发生转变：从 整机制造商来看，其需求层次已由器件、参考设计上升到总体解决方案，包括硬件、软件，甚至 外形等工业设计，这对半导体厂商提出更高的要求；另一方面，半导体供应商面临更多的挑战， 包括更高的集成度、更低的功耗、更低的成本。基于这些要求，业界的广泛合作会成为一个必然。产品可靠、高效率、低功耗是业界对电源系统的永久追求。从目前一些领先电源半导体制造 商的解决方案来看，在中、小功率应用中，提高效率、降低成本仍然是

16、主要的作为；而对于大功 率应用来看，多相位无疑将成为主流，在服务器、电信设备中的应用中已明显看到这个趋势。节 能产品已成为进入欧美等发达国家的通行证，相关的法规和行业标准也在不断出台，利用先进的 节能半导体技术能在电动控制、照明等主要耗电领域节省30%至50%的能源。可编程技术和器件将与平台半导体解决方案形成更激烈的竞争态势，并促进FPGA/CPLD器件 密度的进一步提高，以及面向特定应用的新型器的研发。快速的产品更新周期和不断的升级造就 了可编程器件的迅速发展，对于样品阶段以及一些新兴电子产品来说，将一直保持其灵活、快速 的优势，而当进入快速成长和成熟期的阶段，可编程器件公司的策略是低成本可

17、编程器件或类似 ASIC的掩膜器件来进一步延伸其产品的生命周期。而这对于制造商的利益在于可以无缝地移植 代码，并顺利地进入批量生产。EDA工具和半导体IP成为半导体工业发展的重要支持力量。半导体工艺向90nm以及65nm、 45nm直至32nm的进程大大增加了芯片复杂度，而其它需求，如采用CMOS工艺实现模拟和射频 电路、DFM、DFT等，对EDAX具提出了更高的要求。SiP是半导体厂商可以考虑的一种重要模式。 与此同时，半导体IP，尤其是一些被业界广泛认同的内核，正成为快速推出IC（单IP内核或多 IP内核）的一条捷径。模拟器件仍然无处不在。数字家庭中的无线连接、新潮便携数码产品中的音频电路

18、、电源管 理、信号通路使模拟器件的重要性日益突显，我们看到的趋势是在数字世界中创造了更多的模拟 应用，放大器、ADC/DAC、接口都是明显的例子。未来，我们应该更关注的是模拟器件将如何不 断融合的发展进程。四、模拟电子技术的应用模拟电子技术实用于生活的方方面面，正高效实用地帮助我们的生活。下面简单介绍模拟电 子技术在自动化领域和农业中的应用。（1）模拟电子技术在自动化领域的制作工艺、特点、调试方法在自动化领域中，自动化的实现过程中最基本最重要的就是的自动控制电路。自动控制电器 是按照信号或某个物理量的变化自动动作的，常用的自动控制电路有无触点开关、电流继电器、 速度继电器、压力式温度继电器和晶

19、体管时间继电器等。通过这些自动控制电路，可以在生活生 产中真正的实现过程自动化，管理自动化等。然而，这些看似深奥的自动控制电路，却是由最基 本的电子元件一一晶体管组成的。以无触点式开关电路为例。开关电路是最常用的自动控制电路之一，它所研究的问题，主要 是用什么样的方法和电路来产生、变换、传递、放大和测量各种信号。自动控制中大多数开关电路时用二极管或三极管制成的。二极管具有单向导电性，即当二极 管加正向电压时，二极管导通；加反向电压时，二极管截止，因此可以利用二极管做成无触点开 关。无解点开关相比于通常的刀开关、按钮开关、继电器开关等，动作速度快、消耗功率少、灵 敏度高、体积小重量轻而且没有机械

20、磨损。而三极管有三种工作状态：饱和、截止和放大。三极 管应用于脉冲电路时，若三极管在饱和状态下工作，管压降很小，相当于开关接通；若三极管处 于截止状态时，电源电压基本上降到集射极之间，阻抗很高，相当于开关断开；在由通到断的转 换过程中管子工作于放大状态。三管开关由通到断（或由断到通）的转换异常迅速，因此利用三 极管作开关可以获得边沿很陡直的脉冲信号。因此开关电路又叫脉冲电路，被广泛应用于生产过 程的自动控制和遥测遥控等。从某些方面讲，无触点式开关实际上是由晶体管等组成的继电器，这种继电器适用于微弱的 控制电流或无触点控制。但晶体管继电器也有它的缺点，即断通电阻比小（104-106），抗干扰能

21、力差，易受温度变化的影响，参数稳定性较差等，而这些正是电磁继电器的优点。因此，在实际 使用中为了发挥各自的特长，弥补自身的不足，通常将它们结合使用，即用晶体管继电器作为感 应元件，用有触点继电器作为执行元件，由此得到的继电器称为混合式继电器。随着科技的发展，生产生活都逐步的趋向于自动化，而自动控制则趋向于小型化、集成化。 因此，作为实现自动控制元件小型化、集成化的最重要的基础，电子技术的发展水平，特别是基 础元件三极管的发展水平，直接影响着自动控制的发展。（2）模拟电子技术在农业中的应用模拟电子技术是指在计算机数据库的基础上，建造一个能精确反应起初的物理性质及动态行 为的人造环境。在这个环境中

22、，科技工作者通过各种模拟现实工具可以实时地与客观对象进行各 种交互。模拟电子技术包括三维实时图形显示技术、三维定位跟踪技术和触觉、嗅觉等传感技术， 高速、复杂的计算机技术及人类工程学（包括自然语言理解、语音识别、图像识别等的智能技术）。 模拟电子技术应用于农业则是由20世纪80年代中期问世的“虚拟现实”延伸而来，即利用计算 机设计出虚拟作物、畜、禽、鱼等，然后利用遗传学的变异遗传育种理论实际培育出能与虚拟产 品相媲美（品质最佳、产量最高、抗病、虫害能力最强）的作物、畜、禽、鱼等。如某种短杆大 穗的粮食作物、带有某种特定风味的水果等、脂肪含量低而营养丰富的畜、禽、鱼等，并能阻断 害虫食物通道。破

23、坏其藏匿环境，防止其危害。这种技术将对改良作物的品种、品系及提高作物 产量、质量起着重大的作用。在就是网络及多媒体技术计算机网络系统，是指以共享资源为目的， 利用现代通信手段将地域上分散的多个独立的计算机系统、终端数据设备与中心服务器、控制系 统连接起来，对网上信息进行开发、获取、传播、加工、再生和利用的综合设备体系。因此，利 用网络的有线及无线信道可以将最新的技术及研究成果发布到全球的每一个角落。实现信息的跨 地域、跨时空的实时传送。同时，利用多媒体网络技术可将更多、更先进的科研成果及技术以文 字、图象、声音等多种形式迅速、快捷更加接近实际地送达到用户。此外，还可及时地传播普及 先进的科学知

24、识，使科学技术迅速转化为生产力。通过网络可获取农业生产所需的科技信息，借 此充分发挥农业计算机网络的功能.自1993年以来我国农业科技人员已先后研制开发开通了中 国农业信息网、中国农业科技信息网及中国饲料信息网、中国家禽业信息网、中国花卉信息网等 一些专业农用计算机网络，网络及多媒体技术在我国农业领域正在得到日益普及及推广。最后是 利用计算机控制技术模拟、优化农业生产过程由于农业生产过程是在露天环境下进行的，具有生 产周期长、受环境因素影响较大的特点。因此，为了提高农业生产的效率，一方面，可以利用计 算机控制技术模拟农业生产过程，实现“工厂化农业”。该技术是以计算机技术和数学模型为基 础，采用

25、过程模拟和优化原理相结合的手段模拟农业生产过程，由于计算机技术模拟生产过程具 有多源、多维、动态、实时、数据信息全等优势，可对农业生产中的现象、过程进行模拟，以达 到合理利用农业资源，降低生产成本，改善生态环境，提高农作物的质量和产量。目前，该技术 已在我国部分地区应用到农业生产中，并取得了较大的成功。如由江苏省农业科学院高亮之等专 家研制开发的小麦栽培模拟优化决策系统（WCSODS），以及应用中的作物育种的计算机模拟优化 决策系统（C. SODS）、用于节水灌溉的计算机模拟优化决策系统（CSODS）。国外在该领域的研究 也有建树，如美国的作物模拟CERES、SIMCOTII系统，该模拟系统不仅能够模拟土壤水分变化、 作物生长等，还可以模拟发芽期等发育过程。另一方面，还可应用计算机控制技术对智能温室进 行监测和控制。它是在普通日光温室的基础上，利用现代计算机自动控制技术、智能传感技术、 人工智能和专家系统等高科技手段。在计算机控制下提供