1、模拟电子技术基础,肇庆学院电子信息与机电工程学院,主讲教师：俞亚堃,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,一、电子技术的发展 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！,广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机 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 交通：飞机、火车、轮船、汽车 军事：雷达、电子导航 航空航天：卫星定位、监测 医学：刀、CT、B超、微创手术 消费类电子：家电（空调、冰
2、箱、电视、音响、摄像机、照相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、保安系统,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 电子管问世,电子管、晶体管、集成电路比较,半导体元器件的发展,1947年 贝尔实验室制成第一只晶体管 1958年 集成电路 1969年 大规模集成电路 1975年 超大规模集成电路,第一片集成电路只有4个晶体管，而1997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10倍/6年的速度增长，到2015或2020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！,1883年爱迪生在研究白炽灯的寿命时，在灯泡的碳丝附
3、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，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。这股神秘的电流是从哪里来的？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，并称之为“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。,值得纪念的几位科学家！,1904年，弗莱明利用“爱迪生效应”制成了电子二极管，并证实了电子管具有“阀门”作用，他首先被用于无线电检波。世界上第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。,弗莱明 John Ambrose Fleming,人类第一只电子管的诞生，标志着 世界从此进入了电子时
4、代。,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、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“阀”。这种阀后人将其称为“真空二极管”,弗莱明同无线电的发明者、意大利发明家马可尼 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。,“爱迪生效应”引起了他的强烈兴趣。于是，他用 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。,李德福雷斯特 Lee de Forest,李德福雷斯特，美国科学家，被誉
5、为电子管之父 ，1906年他在弗莱明的二极管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，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“放大”作用，“电子三极管”从此诞生，从而建树了早期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，他的发明还包括在电影胶片边缘录制声音的技术、医学上使用的高频电热理疗机等等。发明也为他赢得“无线电之父”、“电视始祖”和“电子管之父”的称号。,它用了18800只真空管，占地1500平方英尺（约139平方米），重约30吨，每小时耗电20万千瓦，价格40多万美元，运算速度只有每秒50
6、00次。这就是人们通常所说的世界首台电子计算机。,世界首台电子计算机,ENIAC,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2月14日，这种机器正式投入使用了。,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，体积大，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。如电视机的显像管、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。 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，但电子管在人类科技发展史上所占有的地位毕竟是
7、不容忽视的。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。,威廉肖克利 William Shockley,晶体管之父，他与美国贝尔电话实验室的巴丁、布拉坦等人，在对半导体性质进行广泛研究的基础上，终于在 1947年11月底发明了点接触晶体管，并在12月16日正式宣布“晶体管”诞生。1948年，他的研发小组为晶体管技术申请了专利。,1949年他又提出了结型晶体管概 念（sandwich-transistor），那是一 种更小、更易散热的硅晶片材料。一年 后，结型晶体管研制成功，一场电子技 术革命由此爆发。他不但被时代周 刊评为了“20世纪最伟大的科学家之一”， 也因发明“晶体管”而获
8、得了 1956 年的 诺贝尔物理学奖。,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.诺依斯)与德仪公司Jack Kilby（杰克.基尔比）间隔数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史。 1961年4月25日，第一个晶体管电路专利被授予了前者：Robert Noyce。,世界首款集成块,Jack Kilb
9、y,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。,集成电路阶段,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。,可编程逻辑器件（PLD）,微控制芯片（MCU）,数字信号处理器（DSP）,大规模存储芯片（RAM/ROM）,电子设计技术的核心就是EDA技术。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、智能化技术最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
10、计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设计。,1.1.4 EDA技术,电子系统设计自动化(ESDA)阶段（ 90年代以后）：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，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）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。,计算机辅助设计(CAD)阶段（70年代）：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。,计算机辅助工程(CAE)阶段（80年代）：与CAD相比，CAE除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加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
11、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。,EDA技术发展的三个阶段,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，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、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、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。,1.1.5 纳米电子技术,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
12、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,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，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
13、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。,纳米电子技术在军事领域的应用,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,纳米计算机系统,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，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24m
14、m、高8mm、质量为400 mg，小到可以停放在一颗花生上。,纳米飞机侦察和干扰系统,最诱人的应用前景是利用纳米电子学与纳米生物学相结合可研制分子机器。分子机器将是含有纳米电脑的可人-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
15、拟电路,1. 电子电路中信号的分类 数字信号：离散性,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。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。其它模拟电路多以放大电路为基础。,“1”的电压当量,介于K与K+1之间时需根据阈值确定为K或K+1,任何瞬间的任何值均是有意义的,27,三、电子信息系统的组成,模拟电子电路,数字电子电路（系统）,传感器接收器,隔离、滤波、放大,运算、转换、比较,功放,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
16、。 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。,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,五、如何学习这门课程,1. 掌握基本概念、基本电路和基本分析方法基本概念：概念是不变的，应用是灵活的， “万变不离其宗”。基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。,2. 注意定性分析和近似分析的重要性 3. 学会辩证、全面地分析电子电路中的问题根据需求，最适用的电路才是最好的电路。要研究
17、利弊关系，通常“有一利必有一弊”。,4. 注意电路中常用定理在电子电路中的应用,六、课程的目的,1. 掌握基本概念、基本电路、基本方法和基本实验技能。 2. 具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。,本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。,注重培养系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识，学习科学的思维方法。提倡快乐学习！,七、考查方法,1. 会看：读图，定性分析 2. 会算：定量计算,考查分析问题的能力,3. 会选：电路形式、器件、参数,4. 会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA,考查解决问题的能力设计能力,考查解决问题的能力实践能力,
