1、从电视机、手机、电脑到航天飞机、卫星，集成电路技术对人们生活及科学进步的作用令人瞩目。几十年来，集成电路单块芯片上集成的晶体管数目成指数规律上升。集成电路复杂度的增加使得集成电路的设计必须依靠 EDA 技术，集成电路模拟技术正是 EDA 中的关键技术之一。面向不同应用的集成电路模拟技术随着集成电路从中、小规模到大规模、超大规模、甚大规模乃至片上系统芯片的发展，电路模拟技术也经历了多个发展阶段。电路模拟技术的每一次飞跃都得益于应用更先进的数学方法和计算机软件技术来满足越来越复杂集成电路的规模和速度需求。下面将针对不同规模、不同应用类型的集成电路，分别介绍各种集成电路模拟技术。通用电路模拟技术电路
2、模拟技术的发展始于通用电路模拟技术。通用电路模拟技术是电路级的模拟技术，通过晶体管、基本电路元件来描述集成电路的行为。借助高精度的晶体管模型和数值分析算法达到很高的模拟精度，但是模拟速度很慢，只适用于中小规模集成电路的模拟。通用电路模拟的主要技术包含以下几个步骤。首先根据克希霍夫定律以及晶体管模型建立描述电路行为的电路方程，即非线性的微分代数方程组。第二步通过对微分方程进行时域离散得到非线性的代数方程组。第三步采用迭代方法将非线性代数方程组转化为线性代数方程组。最后对线性代数方程组进行求解，得到电路的响应。通用电路分析程序经过了三代的发展。1962 年，IBM 公司发布了 TAP 的电路模拟程
3、序，之后出现了第一代的电路模拟程序如 NET、ECAP、CONNAP 等。到了 20 世纪 70 年代，第二代的电路模拟技术开始出现，并在非线性电路方程解法及微分方程求解和稀疏矩阵求解方面取得了突破，但求解线性代数方程采用的是直接求解方法，复杂度较高。第二代电路模拟程序的代表有 ASTAP、AOP、SPICE 等。其中 SPICE 于 1975 年诞生于美国加州大学伯克莱分校，后来被引入工业界，成为至今仍被广泛使用的通用电路模拟的经典软件工具。如表 1 列出的 HSPICE、 VIRTUOSO SPECTRE CIRCUIT SIMULATOR、Eldo 分别是Synopsys、Cadence
4、、Mentor 公司的目前的高精度通用电路模拟器，这些工具由 SPICE 衍变而来。在 70 年代后期到 80 年代，随着大规模集成电路的出现，发展起来了以松弛迭代法替代直接求解线性方程组的第三代电路分析技术，比第二代电路分析的求解速度提高了一到二个数量级。第三代的电路模拟工具的代表有 RELAX。数字电路模拟技术80 年代以后，MOS 集成电路特别是 CMOS 集成电路逐渐取代双极型集成电路成为集成电路的主流，并出现了超大乃至甚大规模数字 CMOS 集成电路。由于数字电路处理的信号为离散信号，同时对数字电路的模拟也只需要在电路状态改变的离散时间点上进行，因此数字电路模拟可以采用较为特殊的模拟
5、方法。数字电路模拟技术的抽象层次数字电路的模拟可以在不同的抽象层次上进行，以实现对模拟精度和模拟速度的折衷。一般来说，模拟的抽象层次越低，模拟所花费的时间就越长，模拟的精度也越高。数字电路模拟的抽象层次分为电路级、开关级、门级、寄存器传输级和行为级。在电路级，可以采用通用电路模拟技术进行模拟。在开关级，采用只包含开和关两个状态的开关模型描述晶体管，因此模拟速度比电路级有很大提高。对超大和甚大规模数字电路，多采用门级模拟，其中逻辑门模型包含了实现逻辑门的实际电路功能及性能信息。寄存器传输级和行为级只能对电路逻辑功能进行验证，无法得到电路性能信息。门级模拟技术数字电路的门级模拟是模拟速度和模拟精度
6、的最佳折衷，对数字电路功能和性能的验证通常在这一级进行。门级模拟通常采用事件驱动的模拟方式。数字电路中的一个事件是指电路中一个信号的改变。只有事件发生时，电路的状态才会发生变化，引发新的事件。基于事件驱动的模拟方式就是跟踪这些事件来模拟电路状态的改变，从而加快数字电路的模拟。表 1 列出了常见的门级电路模拟器。形式验证和时序分析门级模拟需要有适当的输入激励才能进行，这些输入激励需要电路设计者根据电路设计要求来设定。近年来，无输入激励的数字电路验证方式也开始出现。形式验证方法用数学方法对电路的逻辑等效性进行验证，验证速度很快，对电路的输入激励没有要求。静态时序分析对数字电路中信号经过的不同路径的
7、延时进行计算并验证是否满足电路时序要求，验证速度也很快。采用形式验证和静态时序分析的方法可以满足超大和甚大规模集成电路模拟的要求。互连线建模技术上世纪 90 年代以来，集成电路进入深亚微米（0.25mm 以下）,互连线上的延迟逐渐大于逻辑门延迟，成为主宰芯片性能的主导因素。在当前的集成电路芯片中通常包含有千万乃至近亿个晶体管，为了完成这些晶体管之间的互连，在集成电路芯片中有 6 层到 8 层金属互连线层用于互连，使得互连线的规模十分庞大。另一方面，随着芯片工作频率的提高，信号在这些错综复杂的互连线上传输会产生延迟、衰减、失真和电磁串扰等复杂的电磁场行为，这使得互连线的建模工作十分复杂。90 年
8、代以来，超深亚微米和纳米级集成电路的整个设计方法发生了质的变化，甚大规模和SoC 集成电路设计变成以互连线为中心的设计。互连线建模和模拟也成为甚大规模和 SoC集成电路设计的瓶颈和国内外研究的热点。互连线等效模型互连线的三维电磁场等效电路模型包括部分元等效模型(PEEC)和传输线等效模型。部分元等效模型将整个互连线结构划分成若干块，每个分块表示为一个电阻、电容和电感组成的电路单元。积分形式的麦克斯韦方程离散化后得到各单元之间的部分参数。另一类模型是传输线模型。该模型假设在互连线中传输的电磁波为横电磁波(TEM)，因此对于非常高速的应用不够精确。互连线参数提取软件提取互连线模型中的电阻、电感、电
9、容参数，称为参数提取。为了提高三维参数提取的速度，对麦克斯韦方程组采用不同的近似形式进行求解。采用准静电场近似可以提取电容参数，典型的软件是美国的麻省理工学院 J. White 1991 年开发的 FastCap，2003 美国得州农机大学 W.Shi 开发的参数提取软件 PhiiCap 将 FastCap 的速度提高了 60 倍。在准静磁场近似下，可以提取电阻和电感参数，典型的软件是 J. White 1994 年开发的 FastHenry。当电路工作频率非常高时，互连线的电容和电感效应已无法区分，必须采用似稳场或全波形式适用很宽的频率范围，这时提取的是阻抗参数。典型的阻抗提取软件是美国的麻
10、省理工学院Z. Zhu 2003 年开发的 FastImp。目前参数提取的商业软件主要有：Synopsys 系列：Star-RCXT、Arcadia 、Raphael 和Aurora；Cadence 系列：Assura RCX 和 Fire & Ice QXC；Mentor Graphics 公司：Calibre xRC 等。模型降阶技术为了精确模拟互连线的传输行为，必须采用分布式电阻、电感、电容 RLC 模型。由于芯片中互连线数目多、长度长，且互连线间相互耦合，因此分布式互连电路规模相当庞大，电路阶数通常在 104106 量级。为了在合理时间内分析互连电路的性能，必须降低所需分析的分布式互连
11、电路的规模。模型降阶技术通过有效的数学方法，将一个大规模的原始系统降阶为一个低阶的系统，然后对低阶系统进行电路模拟，从而大大提高电路分析的速度。90 年代以来，模型降阶技术得到了充分的发展。互连电路可以采用 RLC 模型，并被描述为一个一阶线性微分代数方程的形式。对于该一阶系统，模拟降阶的主流技术是基于 Krylov投影、矩匹配和合同变换的降阶方法。线性投影降阶的终极目标是同时保持降阶系统的结构、稳定性、无源性以及矩匹配的数目。这方面的先驱性工作是 1990 年美国得州大学奥斯汀分校的 L. Pillage 提出 AWE 方法，但该方法由于显示计算矩而失去了数值稳定性，无法获得高阶模型。199
12、5 年 IBM 公司 R. Frued 提出的 PVL、MPVL 类方法能够精确匹配矩，也能保证降阶电路的稳定性，但不能保证电路方程特有的块状结构。1998 年 L. Pillage 提出的PRIMA 可以保持降阶电路的稳定性，但不能同时保证降阶电路的对称性和无源性，也不能保证电路方程特有的块状结构。直到 2004 年，R. Freud 才提出了可以保持数值稳定性、无源性，以及保证降阶系统结构的 SPRIM 算法，全面解决了基于一阶系统的 Krylov 投影降阶问题。近年来，用电感导纳来描述互连线的磁场耦合效应比采用电感具有更多优点。用电阻、电容和电感导纳表示的互连线模型一般采用二次系统来表示
13、，一阶系统的降阶算法直接对二次系统降阶将不能保证无源性。针对二阶系统直接降阶的模型降阶算法应运而生。2001 年，Mentor 公司的 B. N. Sheehan 提出了直接矩匹配的 ENOR 算法，但它存在数值不稳定的问题。2002 年，美国卡内基梅隆大学的 L. Pillage 提出空间投影的隐式矩匹配方法 SMOR 算法，但是由于投影空间存在近似，降阶系统精度不高。2004 年，复旦大学苏仰锋和曾璇提出了采用二次 Krylov 子空间投影的 SAPOR 算法，完整地解决了二阶系统的模型降阶问题。SAPOR 算法可以同时保证数值稳定性、高的精度、无源性并能保证系统结构。由于采用了电感导纳模
14、型替代电感模型，所以降阶的速度比 SPRIM 快。除了基于矩匹配的模型降阶算法，另一类主流的模型降阶算法是基于奇异值分解的模型降阶算法。但这一算法计算复杂度过高且在降阶系统无源性方面存在困难，目前算法还未进入实用阶段。数模混合集成电路模拟技术在片上系统时代，数模混合集成电路的应用越来越广泛了。数模混合集成电路由于同时包含有数字和模拟电路，其模拟需要同时在不同的电路抽象层次进行。数模混合集成电路的数字电路部分处理的是离散信号，在模拟时只需要跟踪电路中状态的改变，采用事件驱动的模拟方式进行模拟。模拟电路部分处理的是连续信号，在模拟时必须采用很小的时间步长进行模拟。因此，数模混合集成电路模拟的关键问
15、题在于处理数字电路部分和模拟电路部分的离散/连续信号之间的转换和因为模拟时间步长不同引起的模拟同步问题。离散/连续信号的转换通常较为容易。不同模拟时间步长引起的模拟同步问题则是影响数模混合集成电路模拟效率的关键因素。模拟同步的最简单的方法是锁定步长，即采用数字模拟部分电路分别模拟时间步长中较短步长作为混合电路模拟的时间步长。采用这一模拟方式，实现最为方便，但其模拟速度是最慢的。数字控制步长方式以数字电路的模拟为主，当数字电路部分需要等待模拟电路部分信号时才对模拟电路部分进行模拟，实现同步。而模拟控制步长方式则恰恰相反，以模拟电路部分的模拟为主，当模拟电路部分需要等待数字电路部分信号时，对数字电
16、路进行模拟，实现同步。另外一种同步方式是通过滚回机制实现同步。在滚回同步方案中，数字电路和模拟电路轮流进行模拟，当两者模拟需要进行同步时，模拟时间进程靠前的部分其模拟时间滚回到同步时间点实现同步，然后从同步点重新开始模拟。当电路存在过多的反馈时，滚回同步方式的模拟效率会受到严重影响。表 1 列出了常见的数模混合集成电路模拟工具。特殊电路模拟技术对于模拟电路，SPICE 是一个通用的电路模拟工具。但是针对特殊的模拟电路，比如开关电容和开关电流电路、射频电路等，采用通用电路模型工具耗时非常巨大，因此必须根据电路工作的特殊性，开发专用高效的模拟工具，以提高电路模拟的精度，加快电路模拟的速度。以下对这
17、些专用模拟技术做简单介绍。开关电路模拟技术。对于开关电容和开关电流电路这样的电路，由于这些电路的开关特性，如果采用传统的 SPICE 模拟器对这类电路进行模拟，必须采用很小的时间步长才能保证模拟结果的收敛。但这类电路通常只需要计算电路在某些特定时间点的行为，利用这一特性可以加快这类电路的模拟。在这类开关电路的模拟器如 SWITCAP、SWAP 和 TOSCA 中都利用了这一点。射频电路模拟技术。随着无线通信的发展，射频电路逐渐得到了广泛应用。在射频电路设计中，通常需要得到射频电路在信号激励下的稳态响应。如果采用传统的 SPICE 模拟器对射频电路进行模拟，为了得到电路的稳态响应，通常需要经过很
18、长的瞬态模拟时间，电路的响应才会稳定。对于射频电路的稳态响应，可以采用特殊的模拟技术在较短的时间内获得。这些模拟技术包括：打靶法、谐波平衡法和小波平衡法。其中，打靶法的基本思想是求取电路的一个特殊的初始状态，从该初始状态出发电路直接进入稳态响应时期。由于该方法需要计算数值积分，因此计算复杂度很高。1986 年美国加州大学伯克莱分校 A. Sangiovanni-Vincentelli 等人最早提出了谐波平衡法。该方法将电路状态变量近似写成傅立叶级数展开的形式。通常展开项必须取得足够大，以保证高次谐波对于模拟结果的影响可以忽略不计。谐波平衡法在目前的商用软件中得到了较好的应用。2002 年复旦大
19、学提出了小波平衡法，它针对射频高速电路中电路状态变量的奇异性，在时域中采用具有局域性的小波基函数对状态变量进行展开，通过求解小波基函数系数得到未知变量的解。基于小波的多分辨率特性和小波自适应计算，小波方法可以采用很小的基函数来获得均一误差分布，相比谐波平衡法具有更高精度和速度。挑战及发展趋势经过数十年的发展，集成电路模拟技术已经相当成熟。但集成电路的模拟技术仍然存在诸多挑战。片上系统芯片全芯片宽频段、高精度互连线参数提取虽然目前已经提出了多种快速的三维电磁场计算算法，但片上系统芯片中包含百万以上的互连线，采用三维电磁场计算来实现全芯片宽频段、高精度互连线参数提取几乎不可能。因此必须将电磁场计算
20、、应用数学与高效的计算机软件技术相结合，来解决这一瓶颈问题。大规模非线性电路的模型降阶大规模非线性模拟电路要实现快速模拟，同样需要借助模型降阶技术。虽然模型降阶技术在互连线这样的线性电路分析中应用非常成功，但非线性的电路降阶由于非线性问题的引入使得降阶变得非常复杂。非线性模型降阶技术在国际上才刚刚开始，距实用化更遥远。随机电路模拟技术进入 90 纳米以后,集成电路的工艺随机偏差对电路性能的影响越来越严重，并严重地影响了电路的成品率。电路设计阶段如果不对存在工艺偏差的电路性能做出有效预测，生产得到的电路成品率会很低。因此，在当前工艺条件下，电路模拟还需要对存在工艺偏差的电路性能的分布进行模拟，预
21、测电路在存在工艺偏差条件下的性能分布，提高集成电路的成品率。对集成电路随机行为的模拟涉及到了多方面的内容，如对晶体管和互连线的随机行为进行建模和分析、对电路随机行为进行分析的电路模拟技术。这些技术是目前 EDA 技术的研究热点，这些技术会逐步发展成熟并集成到未来 EDA 工具当中。数模混合集成电路的快速验证问题数模混合集成电路的模拟虽然已发展得相当成熟，但目前的模拟方案是对数字电路部分和模拟电路部分分别进行模拟，采用同步和信号转换机制实现两种模拟方式的协调。采用这种模拟方式模拟效率较低，模拟速度目前仍然不能满足应用要求。目前正在研究的数字模拟混合集成电路模拟技术是采用单一的模拟方式实现数字模拟
22、电路的统一模拟，实现数字模拟混合集成电路的快速验证。同时，为了进一步提高数模混合模拟的速度，模拟电路有必要像数字电路那样建立比电路级更高的抽象层次，从而减小模拟电路的规模，高效自动的模拟电路的行为级建模技术是一个非常有前景的研究方向。集成电路的发展历史及趋势1947 年美国物理学家肖克利和两位同事沃尔特布兰坦和约翰巴丁制作了一个简单的器件，实现电流的控制与放大，这就是后来引发电子革命的“晶体管” 。1959 年 2 月，美国德州仪器公司的工程师基尔比将四个晶体管通过金属线连接在了一起，这就是集成电路的雏形。 2000 年基尔比因发明世界上第一块集成电路，而获诺贝尔奖。1964 年，摩尔指出集成
23、电路的集成度每 18 月翻一番，这就是著名的摩尔定律。在过去的几十年里，集成电路惊人地按照摩尔定律指数发展，经历了从小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电路到目前片上系统芯片的发展过程。集成电路的发展主要体现在三个方面。第一是集成电路集成度的不断增加，第二是集成电路工作频率的不断提高，第三是集成电路中晶体管尺寸的不断缩小。集成电路发展到现在，在单个芯片上集成的晶体管数目达到了一个亿，芯片中晶体管的特征尺寸达到了 90nm，芯片的工作频率也达到了数 GHz。在当前的工艺条件下，一个复杂的电子系统可以在一块芯片上集成。支撑集成电路不断发展的动力是集成电路的
24、工艺技术、设计方法学及设计自动化技术的不断进步。集成电路模拟技术的意义集成电路生产工艺在过去几十年里得到了极大的发展，但集成电路的生产成本却在不断提高，例如在 90nm 工艺下，集成电路制造成本已超过 100 万美元。集成电路制造成本如此之高，因此要求集成电路能够一次性设计生产成功。但是，集成电路功能如此之复杂，离开了设计自动化技术，设计者无法保证电路设计的正确性。集成电路模拟技术通过建立电路模型，采用数值分析技术和计算机软件工程技术开发电路模拟的软件工具。借助集成电路模拟工具，设计者可以在集成电路生产之前对电路行为进行仿真、功能进行验证，从而保证电路设计成功。因此，集成电路模拟技术是现代集成
25、电路设计的关键技术之一。电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。 第一代电子产品以电子管为核心。四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管。五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。由于，电子计算机发展经历的四个阶段恰好能够充分说
26、明电子技术发展的四个阶段的特性，所以下面就从电子计算机发展的四个时代来说明电子技术发展的四个阶段的特点。世界上第一台电子计算机于 1946 年在美国研制成功，取名 ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator） 。这台计算机使用了 18800 个电子管，占地 170 平方米，重达 30 吨，耗电 140 千瓦，价格 40 多万美元，是一个昂贵耗电的“庞 然大物“ 。由于它采用了电子线路 来执行算术运算、逻辑运算和存储信息，从而就大大提高了运算速度。ENIAC 每秒可进行 5000 次加法和减法运算，把计算一条弹道的时间短为 30 秒。
27、它最 初被专门用于弹道运算，后来经过多次改进而成为能进行各种科学计算的通用电子计算机。从1946 年 2 月交付使用，到 1955 年 10 月最后切断电 源， ENIAC 服役长达 9 年。尽管 ENIAC 还有许多弱点，但是在人类计算工具发展史上，它仍然是一座不朽的里程碑。它的成功，开辟了提高运算速度的极其广阔的可能性。它的问世，表明电子计算机时代的到来。从此，电子计算机在解放人类智力的道路上，突飞猛进的发展。电子计算机在人类社会所起的作用，与第一次工业革命中蒸汽机相比，是有过之而无不及的。ENIAC 问世以来的短短的四十多年中，电子计算机的发展异常迅速。迄今为止，它的发展大致已经了下列四
28、代：第一代（19461957 年）是电子计算机，它的基本电子元件是电子管，内 存储器采用水银延迟线，外存储器主要采用磁鼓、纸带、卡片、磁带等。由于当时电子技术的限制，运算速度只是每秒几千次 几万次基本运算，内存容量仅几千个字。程序语言处于最低阶段，主要使用二进制表示的机器语言编程，后阶段采用汇编语言进行程序设计。因此，第一代计算机体积大，耗电多，速度低，造价高，使用不便；主要局限于一些军事和科研部门进行科学计算。第二代（19581970 年）是晶体管计算机。1948 年，美国贝尔实验室发明了晶体管，10 年后晶体管取代了计算机中的电子管，诞生了晶体管计算机。晶体管计算机的基本电子元件是晶体管，
29、内存储器大量使用磁性材料制成的磁芯存储器。与第一代电子管计算机相比，晶体管计算机体积小，耗电少，成本低，逻辑功能强，使用方便，可靠性高。第三代（19631970 年）是集成电路计算机。随着半导体技术的发展，1958 年夏，美国德克萨斯公司制成了第一个半导体集成电路。集成电路是在几 平方毫米的基片，集中了几十个或上百个电子元件组成的逻辑电路。第三代集成电路计算机的基本电子元件是小规模集成电路和中规模集成电路，磁芯存储器进一步 发展，并开始采用性能更好的半导体存储器，运算速度提高到每秒几十万次基本运算。由于采用了集成电路，第三代计算机各方面性能都有了极大提高：体积缩小， 价格降低，功能增强，可靠性
30、大大提高。第四代（1971 年 日前）是大规模集成电路计算机。随着集成了上千甚至上万个电子元件的大规模 集成电路和超大规模集成电路的出现，电子计算机发展进入了第四代。第四代计算机的基本元件是大规模集成电路，甚至超大规模集成电路，集成度很高的半导体存 储器替代了磁芯存储器，运算速度可达每秒几百万次，甚至上亿次基本运算。模拟电子技术发展史，就是早期电子技术发展史。自从发明集成电路之后，采用集成电路的电气设备逐渐发展了数字电子技术。以下电学发展史摘自 Baidu Baike。1公元前的琥珀和磁石希腊七贤中有一位名叫泰勒斯的哲学家。公元前 600 年前后，泰勒斯看到当明的希腊人通过摩擦琥珀吸引羽毛，用
31、磁钱矿石吸引铁片的现象，曾对其原因进行过一番思考。据说他的解释是：“万物皆有灵。磁吸铁，故磁有灵。 ”这里所说的“磁” 就是磁铁矿石。希腊人把琥珀叫做“elektron”（与英文“电”同音） 。他们从波罗的海沿岸进口琥珀，用来制作手镯和首饰。当时的宝石商们也知道摩擦琥珀能吸引羽毛，不过他们认为那是神灵或者魔力的作用。在东方，中国人民早在公元前 2500 年前后就已经具有天然的磁石知识。据吕氏春秋一书记载，中国在公元前 1000 年前后就已经有的指南针，他们在古代就已经用磁针来辨别方向了。2磁，静电通常所说的摩擦起电，在公元前人们只知道它是一种现象。很长时间里，关于这一种现象的认识并没有进展。而
32、罗盘则在 13 世经就已经在航海中得到了应用。那时的罗盘是把加工成针形的磁铁矿石放在秸秆里，使之能浮在水面上。到了 14 世纪初，又制成了用绳子把磁针吊起来的航海罗盘。这种罗盘在 1492 年哥伦布发现美洲新大陆以及 1519 年麦哲伦发现环绕地球一周的航线时发挥了重要的作用。（1）磁，静电与吉尔伯特英国人吉尔伯特是伊丽莎白女王的御医，他在当医生的同时，也对磁进行了研究。他总结了多年来关于磁的实验结果，于 1600 年出了一本取名为论磁学的书。书中指出地球本身就是一块大磁石，并且阐述了罗盘的磁倾角问题。吉尔伯特还研究了摩擦琥珀吸引羽毛的现象，指出这种现象不仅存在于琥珀上，而且存在于硫磺，毛皮，
33、陶瓷，火漆，纸，丝绸，金属，橡胶等是摩擦起电物质系列。把这个系列中的两种物质相互摩擦，系列中排在前面的物质将带正电，排在后面的物质将带负电。那时候，主要的研究方法就是思考，而他主张真正的研究应该以实验为基础，他提出这种主张并付诸实践，在这点上，可以说吉尔伯特是近代科学研究方法的开创者。（2）雷和静电在公元前的中国，打雷被认为是神的行为。说是有五位司雷电的神仙，其长者称为雷祖，雷祖之下是雷公和电母。打雷就是雷公在天上敲大鼓，闪电就是电母用两面镜子把光射向下界。到了亚里斯多德时代就已经比较科学了。认为雷的发生是由于大地上的水蒸气上升，形成雷雨云，雷雨云遇到冷空气凝缩而变成雷雨，同时伴随出现强光。认
34、为雷是静电而产生的是英国人沃尔，那是 1708 年的事。1748 年，富兰克林基于同样的认识设计了避雷针。能不能用什么办法把这种静电收集起来？这个问题很多科学家都考虑过。1746 年，莱顿大学教授缪森布鲁克发明了一种存贮静电的瓶子，这就是后来很有名的“莱顿瓶” 。缪森布鲁克本来想像往瓶子里装水那样把电装进瓶子里，他首先在瓶子里灌上水，然后用一根金属丝把摩擦玻璃棒能到水里。就在他的手接触到瓶子和棒的一瞬间，他被重重地“电击” 了一下。据说他曾这样说过：“ 就算是国王命令，我也不想再做这种可怕的实验了”。富兰克林联想到往莱顿瓶里蓄电的事，于 1752 年 6 月做了一个把风筝放到雷雨云里去的实验。
35、其结果，发现了雷雨云有时带正电有时带负电的现象。这个风筝实验很有名，许多科学家都很感兴趣，也跟着做。1753 年 7 月，俄罗斯科学家利赫曼在实验中不幸遭电击身亡。通过用各种金属进行实验，意大利帕维亚大学教授伏打证明了锌，铅，锡，铁，铜，银，金，石墨是个金属电压系列，当这个系列中的两种金属相互接触时，系列中排在前面的金属带正电，排在后面的金属带负电。他把铜和锌做为两个电极置于稀硫酸中，从而发明了伏打电池。电压的单位“伏特”就是以他的名字命名的。19 世纪初，正是法国大革命后进入拿破仑时代。拿破仑从意大利归来，在 1801 年把伏打召到巴黎，让他做电实验，伏打也因此获得了拿破仑授予的金质奖章和莱
36、吉诺-多诺尔勋章。（3）伏打电池的利用与 电磁学的发展伏打电池发明之后，各国利用这种电池进行了各种各样的实验和研究。德国进行了电解水的研究，英国化学家戴维把 2000 个伏打电池连在一起，进行了电弧放电实验。戴维的实验是在正负电极上安装木炭，通过调整电极间距离使之产生放电而发出强光，这就是电用于照明的开始。1820 年，丹麦哥本哈根大学教授奥斯特在一篇论文中公布了他的一个发现：在与伏打电池连接了的导线旁边放一个磁针，磁针马上就发生偏转。俄罗斯的西林格读了这篇论文，他把线圈和磁针组合在一起，发明了电报机（1831 年），这可说是电报的开始。其后，法国的安培发现了关于电流周围产生的磁场方向问题的安
37、培定律（1820 年） ，法拉第发现了划时代的电磁感应现象（1831 年） ，电磁学得到了飞速发展。另一方面，关于电路的研究也在发展。欧姆发现了关于电阻的欧姆定律（1826 年） ，基尔霍夫发现了关于电路网络的定律（1849 年） ，从而确立了电工学。3有线通信的历史有人说科学技术是由于军事方面的需要而发展起来的，这种说法有一定的历史事实根据。英国害怕拿破仑进攻，曾用桁架式通信机向自己的部队进报法国军队的动向。瑞典，德国，俄罗斯等国家也以军事为目的，架设了由这类通信机组成的通信网，据说都曾投入了庞大的预算。将这种通信机改造成电通信方式的构想大概就是有线通信的开始。(1）有线通信的原理除了将前面
38、所讲到的西林所发明的电磁式电报机以外，还有德国的简梅林发明的电化学式 电报机，高斯和韦伯（德国）的电报机，库克和惠斯能（英国）的 5 针式电报机等。电报机的形式也是各种各样的，有音响式，印刷式，指针式，钟铃式等。其中， 库克和惠斯通的 5 针式电报机最为有名。 1837 年，这种电报机曾通过架设在伦敦与西德雷顿之间长达 20 公里的 5 根电线而投入实际使用。（2）莫尔斯电报机1837 年，莫尔斯电报机在美国研制成功，发明人就是以莫尔斯电码而闻名的莫尔斯。莫尔斯电码是一种以点，划来编码的信号。莫尔斯本来是想当一名画家，他为此在伦敦留学。1815 年，他在回美国的船上听了波士顿大学教授杰克逊关于
39、电报的一席谈话，萌发了莫尔斯电码和电报机的构想。为了铺设电报线，莫尔斯成立了电磁-电报公司，并于 1846 年在纽约-波士顿，费城-匹兹堡，多伦多-布法罗-纽约之间开通了电报业务。莫尔斯的事业获得了极大成功，于是就在美国各地创办电报公司，电报业务逐渐扩大起来。1846 年，莫尔斯电报机装上了音响收报机，使用也更加方便。（3）电话和交换机1876 年 2 月 14 日，美国的两位 发明家贝尔和格雷分别递交了电话机专利的申请，贝尔的申请书比格雷的申请书早两个小时到达，因而贝尔得到了专利权。1878 年，贝尔成立了电话公司，制造电话机，全力发展电话事业。从发展电话业务开始，交换机就担负着重要的任务。
40、1877 年前后的交换机称为传票式交换机，话务员收到通话请求，很把传票交给另一位话务员。其后，经过反复改进，开发出了框图式交换机，进而又开发出了自动交换方式（1879年） 。1891 年，史端乔式自动交换机研制成功。至此，自动交换的愿望就算实现了。之后研究仍在继续，又经过了几个阶段才达到现在的电子交换机。（4）海底通信电缆陆上通信网日渐完备，人们开始考虑在海底敷设通信电缆来实现跨海国家之间的通信。1840 年前后，惠斯通就已经考虑到了海底电缆的问题。海底电缆有很多问题需要解决，电缆的机械强度，绝缘及敷设方法都陆上电缆不同。1845 年，英吉利海峡海底电报公司成立，开始了从英国到加拿大并跨过多佛
41、尔海峡到达法国的海底电缆敷设工程。海底电缆敷设中碰到了电缆断裂等大难题，但敷设诲底电缆是时代的要求，各国都为此投稿了力量。1851 年，最早的加来-多佛尔海底电缆敷设完毕，成功地实现了通信。以此为契机，欧洲周边和美洲东部周边也敷设了许多电缆。现在，世界上的大海里遍布着电缆，供通信使用。4无线通信的历史世界上任何一个地区的信息都能显示在电视机上，这种方便是电波带给我们的。最早的电波实验是德国的赫兹在 1888 年进行的。通过实验，赫兹弄清了电波和光一样，具有直线传播，反射和折射现象。频率的单位赫兹就是来自他的名字。（1）马可尼的无线电装置在杂志上读到过赫兹实验文章的意大利人马可尼，在 1895
42、年研制出了最早的无线电装置，利用这一装置在相隔大约 3 公里远的距离之间进行了莫尔斯电码通信实验。他想到了要把无线通信企业化，就成立了一个无线电报与信号公司。尽管马可尼在无线通信领域获得了诸多成功，但由于与海底电缆公司的利益相冲突，他想在纽芬兰设立无线电报局的事遭到了反对，马可尼的反对者还不在少数。（2）高频波的产生要实现无线通信，首先要产生稳定的高频电磁波。达德尔采用由线圈和电容器构成的电路产生出了高频信号，但频率还不到 50KHZ，电流也只有 23A，比较小。1903 年，荷兰的包鲁森利用酒精蒸气电弧放电产生出了 1MHZ 的高频波，彼得森又对其进行了改进，制成了输出功率达到 1KW 的装
43、置。其后，德国设计出了机械式高频发生装置，美国的斯特拉和费森登，德国的戈尔德施米特等人开发出了用高频交流机产生高频波的方法等，很多科学家和工程师都曾致力于高频波发生器的研究。（3）无线电话如果传送的不是莫尔斯信号而是人的语言，那就需要有运载有信号的载波。载波必须是高频波。1906 年，美国通用电气（GE ）公司的亚历山德森制成了 80KHZ 的高频信号发生装置，首次成功地进行了无线电话的实验。用无线电话传送语音，并且要收听它，这就需要有用于发送的高频信号发生装置和用于接收的检波器。费森登设计了一种多差式接收装置，并于 1913 年试验成功。达德尔设计出了以包鲁森电弧发送器为发送装置，以电解检波
44、器为接收装置的受话器方式。在当时，由于都是采用火花振荡器，所以噪声很大，实验阶段可说是成功了，但离实用化还很远。要想使产生的电波稳定，接收到的噪声小，还得等待电子管的出现。（4）二极管和三极管1903 年，爱迪生发现从电灯泡的热丝上飞溅出来的电子把灯泡的一部分都熏黑了，这种现象被称为爱迪生效应。1904 年，弗莱明从爱迪生效应得到启发，造出二极管，用它来进行检波。1907 年，美国的 D。福雷斯 特在二极管的阳极和阴极之间又加了一个叫做栅极的电极，发明了三极管。这种三极管既可以用于放大信号电压，也可以配以适当的反馈电路产生稳定的高频信号，可说是一个划时代的电路元件。三极管经过进一步的改进，能够
45、产生短波，超短波等高频信号。此外，三极管具有能控制电子流的功能，随后出现的阴极射线管和示波器与此有密切的关系。5电池的历史1790 年，伽伐尼根据解剖青蛙实验提出了“动物电”，以此为开端，伏打发现了两种金属接触就有电产生的规律，可以说这就是电池的起源。1799 年，伏打在铜和锌之间夹入一层浸透盐水的纸，再把它们一层一层地迭起来，制成了“ 伏打电堆” 。 “电堆”的意思就是指把许多单个电池单元高高地堆在一起。（1） 一次电池一次电池放完电后不能再用的电池称为一次电池。伏打对伏电电堆做了改进，制成了伏打电池。1836 年，英国人丹尼尔在陶瓷桶里放入阳极和氧化剂，制成了丹尼尔电池。与伏打电池相比，丹
46、尼尔电池能长时间提供电流。1868 年，法国的勒克朗谢公布了勒克朗谢电池，1885 年（明治 18 年）日本的尾井先藏发明了尾井乾电池。尾井乾电池是一种把电解液吸附在海绵里的特殊电池，具有搬运方便的特点。1917 年，法国的费里发明了空气电池，1940 年，美国的鲁宾发明了水银电池。（2）二次电池放完电还可以充电再用的电池称为二次电池。1859 年，法国的普朗泰发明了能够反复充电使用的铅蓄电池，其结构是稀硫酸中装有铅电极，这是最早的二次电池。现在，汽车里使用的就是这种类型的电池。1897 年（明治 30 年） ，日本的岛津源藏开发出了具有 10A*H 容量的铅蓄电池，并把他本人名字 GENZO
47、 SIMAZU 的字头 GS 作为商品名称，取名为 GS 电池投放市场。1899 年，瑞典的容纳制成了容纳电池，1905 年爱迪生制成了爱迪生电池。这些电池的电解液都用的是氢氧化钾，后来就被称为碱性电池。1948 年，美国的纽曼发明了镍镉电池。这是一种能充电的乾电池，是具有划时代意义的电池。（3）燃料电池1939 年，英国人格罗夫发现氧和氢的反应中有电能产生，并由实验证明了燃料电池的可能性。也就是说，电解水的时候消耗了电能而生成了氧和氢，反过来，从外部给阳极一侧送入氧，给阴极一侧送入氢，就能够产生电能和水。格罗夫当时只是做了实验，并未实用化。1958 年，剑桥大学（英国）制成了 5KW 的燃料
48、电池。1965 年，美国 GE 公司成功地开发出了燃料电池，这个电池就安装在 1965 年的载人飞船双子星 5 号上，用于供给宇航员 饮用水的飞船电能。1969 年登上月球的 阿波罗 11 号飞船上的电源也使用了燃料电池作为飞船内电源。（4）太阳能电池1873 年，德国人西门子发明了用硒和铂丝制成的光电池。现在照相机曝光表上所用的就是这种硒光电池。1945 年，美国的夏品发明了硅太阳能电池，这是一种当太阳光或灯光照到其 PN 结上时能产生电能的元件，广泛用于人造卫星，太阳能汽车，钟表，台式计算器等。提高这种元件转换效率的研究与开发工作仍在进行中。6照明的历史18 世纪 60 年代由英国兴起的产
49、业革命使工厂进入了连续加工，批量生产的时代，夜间照明成了重要问题。前面已经讲过，英国人戴维 1815 年曾做过用 2000 个伏打电池产生电弧的有名实验。（1）白炽灯泡1860 年，英国人斯旺把棉线碳化后做成灯丝装入玻璃泡里，发明了碳丝灯泡。然而，由于当时的真空技术不高，点灯时间不能过长，时间一长，灯丝就会在灯泡里氧化而烧掉。斯旺所想到的白炽灯泡的原理是现在的白织灯的起源。随着灯丝研究和真空技术的进步，白炽灯最终达到了实用化。从这点不说，斯旺的发明是一项大发明。1865 年，施普伦格尔为研究真空现象而开发出水银真空泵。斯旺知道这件事后，就在1878 年把玻壳内的真空度提高，又在灯丝上下了一番功夫。他先把棉线用硫酸处理，然后再碳化，最后，他公布了斯旺灯泡。斯旺的白炽灯泡曾在巴黎万国博览会上展出。1879 年，美国的爱迪生成功地把白炽灯泡的寿命延长到了 40 小时以上。1880 年，爱迪生发现竹子是做白炽灯灯丝的优良材料，就把日本，中国，印度的竹子收集起来反复进行实验。爱迪生把部下穆尔派到日本，在京都的八幡寻找优质竹子，若乾年后，用八幡竹子制造出了灯丝。为了制造这种竹灯丝的灯泡，1882 年他在伦敦和纽约成立了爱迪生电灯公司。在日本，1886 年（明治 19 年）东京电灯公司成立，明治 22 年起，一般的家庭开始用上了白治灯泡。1910 年，美国
