第一章绪论

第一章绪论 武汉理工大学信息工程学院电子技术基础课程组

1 绪论 • 本章主要内容 • 引言 • 1.1 电子系统与信号 • 1.2 放大电路的基本知识

引言 • 本课程的性质 • 《模拟电子技术》是电气信息类专业的一门必修学科基础课，是联系基础课和专业课的桥梁课程，其系统性和实践性较强。 • 本课程的特点 • 非纯理论性课程 • 实践性很强, 定量计算多 • 以工程的观点来处理电路中的一些问题，抓主要矛盾，忽略次要矛盾，用实际观点分析问题，允许有一定的误差（±10％工程误差）

引言 • 研究内容 • 以器件为基础、以信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。 • 教学目标 • 通过本课程的学习，使学生获得电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能。能读懂典型的模拟电子电路，并能分析计算，会查阅电子器件手册，从而具备一定的设计制作模拟电子电路的能力，并为以后深入学习电子技术某些领域中的内容及电子技术在专业技术中的应用打好基础。

引言 • 选用教材 • 《电子技术基础.模拟部分》 • (第四版) • 华中理工大学教研室编 • 康华光主编 • 高等教育出版社

引言 • 主要参考书 • 《模拟电子技术基础》童诗白、华成英主编高等教育出版社 • 《模拟电子技术》王远主编机械工业出版社出版 • 《模拟电子技术基础》陈大钦主编华中理工大学出版 • 《模拟电子技术基础习题集》 XXX 主编 XXXX出版社

1.1 电子系统与信号 • 电子技术的三个方面 • 电子器件 • 电子电路 • 分立元件电路 • 集成电路 • 电子系统 • 电子系统通常是指由若干相互联接、相互作用的基本电路组成的具有特定功能的电路整体。

1.1 电子系统与信号 • 进入21世纪，人们面临的是以微电子技术、计算机技术和网络技术为标志的信息化社会。 • 现代电子技术的广泛应用使社会生产力和经济获得了空前的发展，电子技术无处不在：收录机、彩电、音响、VCD、DVD、电子手表、数码相机、个人电脑、手机、U盘、MP3、大规模的工业流水线、网络和通信设备、汽车电子设备、机器人、导弹、航天飞机、宇宙探测器等。 • 可以说没有电子技术，现代生活无法想象。

苏联发射第一颗人造卫星 英国首次试行无线电广播马可尼马可尼马可尼马可尼马可尼马可尼马可尼马可尼马可尼马可尼马可尼马可尼马可尼马可尼麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦法拉第法拉第法拉第法拉第法拉第法拉第法拉第法拉第法拉第法拉第法拉第法拉第法拉第法拉第赫兹赫兹赫兹赫兹赫兹赫兹赫兹赫兹赫兹赫兹赫兹赫兹赫兹赫兹佛莱铭发明真空管莫尔斯莫尔斯莫尔斯莫尔斯莫尔斯莫尔斯莫尔斯莫尔斯莫尔斯莫尔斯莫尔斯莫尔斯莫尔斯莫尔斯贝尔贝尔贝尔贝尔贝尔贝尔贝尔贝尔贝尔贝尔贝尔贝尔贝尔贝尔马可尼发明无线电报赫兹证实电磁波的存在贝尔发明电话麦克斯韦提出电磁波的存在法拉第发现电磁感应现象人们利用烽火台来传递敌人的信息 2000年前 1831年 1864年 1876年 1888年 1895年 1904年 1919年 1957年

1.1 电子系统与信号 一、电子技术——又称为电子学研究含有电子器件的电路、系统及应用的学科。二、电子学的发展在1904年美国人弗莱明（John Ambrose Fleming）利用热电子发射效应制成了真空电子二极管，并证实了电子二极管具有“单向导电性”功能，他首先被用于无线电检波。该事件的发生标志着电子学的诞生。

1.1 电子系统与信号 二、电子学的发展 1906年美国的德弗雷斯（Lee de Forest，1873～1961）在弗莱明的二极管中放进了第三个电极——栅极而发明了真空电子三极管，从而建树了早期电子技术上最重要的里程碑。半个多世纪以来，三极管在电子技术中立下了很大功劳；但是真空电子管毕竟成本高、制造繁、体积大、耗电多。

1.1 电子系统与信号 二、电子学的发展真空三极管除了可以放大状态外，还可充当开关器件。电子管的这一特性被计算机研制者利用，1946 年2月，世界上第一台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院问世，这台计算机占地150平方米，用了18000多个电子管，重30吨，功率为150千瓦，运行速度只有每秒5000次。计算机由机械时代跨进了电子时代。

1.1 电子系统与信号 二、电子学的发展——晶体管二战结束后，贝尔研究所的肖克莱（William B. Shockley）、巴丁（John Bardeen）、布拉顿（Walter H. Brattain）等多位科学家探索，人们发现了一种具有全新导电性质的固体材料——半导体。贝尔实验室开始研制新一代的电子管，肖克莱、巴丁、布拉顿通过不断的努力和多次试验，终于在1947年12月23日，圣诞节的前一天晶体管诞生了。

1.1 电子系统与信号 二、电子学的发展——晶体管由于晶体管的发明，肖克利、巴丁和布拉顿荣获1956年度的诺贝尔物理学奖。晶体管—— 20 世纪在电子技术方面最伟大的发明。推动了信息革命，改变了人类工作和生活方式。大多数领域晶体管已取代了电子管。

1.1 电子系统与信号 二、电子学的发展——集成电路 1959年，美国TI公司的科尔比（Jack S. Kilby）、美国费尔柴尔德公司的诺伊斯（Noyis）将平面技术、照相腐蚀技术和布线技术组合起来，制成了人类历史上第一片集成电路样品。集成电路的出现和应用，标志着电子技术发展到了一个新的阶段。

1.1 电子系统与信号 二、电子学的发展——集成电路 1959年第一片集成电路样品诞生。 2000年的10月10日，77岁的杰克·基尔比（Jack S. Kilby）获得2000年的诺贝尔物理学奖。

1.1 电子系统与信号 二、电子学的发展——集成电路半导体业界——摩尔定律集成电路上的晶体管数量，每十八个月增加一倍。摩尔定律持续35年，至今力道不竭，使各种电子产品走向轻薄短小。个人电脑、移动电话等3C产品正全面改变人类生活。世界头号CPU生产商 Intel公司的创始人之一戈登•摩尔（Gordon Moore）诺伊斯（Noyis）和摩尔等8人集体辞职创办了半导体工业史上有名的仙童半导体公司（Fairchild Semiconductor） 1968年，摩尔和诺伊斯一起退出仙童公司，创办了Intel公司

全国银行、相互银行系统 中继计算机或者中继装置金银系统支行银行中心 RC或TCP 系统1 全国银行、相互银行、国外银行系统数据终端设备支行银行中心 DT 在线系统2 中继计算机相互银行九州 RC 支行共同中心脱线以及备份信用金库支行系统3 全信用中心农林中央金库等支行农林中心网络系统——银行网络系统 RC RC

网络系统——急救医疗系统 广域急救医疗信息中心 Caption系统

网络系统——气象预测系统 电话交换网电话交换网媒体机构、企业媒体机构、企业有线自动测量雨量计无线自动测量雨量计气象预报中心气象预报中心天气预报资料地面气象预测装置分组交换网分组交换网注意报、警报资料有线自动测量气象计气象台网络气象台网络有线自动测量积雪深度计天气咨询资料

集成电路行业的概念 • “芯片”——指集成电路 • 它是微电子技术的主要产品。 • 所谓微电子是相对“强电”、“弱电”等概念而言，指它处理的电子信号极其微小。 • 它是现代信息技术的基础 • 常用的电子产品，包括通讯系统、计算机与网络系统、智能化系统、自动控制系统、空间技术、数字家电等等，都是在微电子技术的基础上发展起来的。

集成电路行业的概念 • 微电子技术是基于半导体材料采用微米级加工工艺制造微小型化电子元器件和微型化电路的技术。 • 主要包括 • 芯片制造技术（含超精细加工技术、薄膜生长和控制技术、高密度组装技术、过程检测和过程控制技术等） • 计算机辅助设计与计算机辅助测试技术 • 掩膜制造技术 • 材料加工技术 • 可靠性技术 • 封装技术和辐射加固技术等 • 其中芯片的设计与制造技术是核心。

集成电路行业的概念 • 集成电路（IC） • 是指在半导体基板上，利用氧化、蚀刻、扩散等方法，将众多电子电路组成各式二极管、晶体管等电子组件，做在一个微小面积上，以完成某一预先设定的电路功能要求的电路系统。

集成电路行业的概念 • 集成电路（IC）制作流程材料 · 化学品 · 气体 · 引线架硅晶圆 · 拉单晶 · 切片/抛光 IC产品企业——系统需求 IC制作流程芯片制造 · 外延 · 光刻 · 氧化 · 扩散 · 金属蒸镀芯片封装 · 划片 · 置放 · 焊线 · 塑封 IC设计 · 系统设计 · 逻辑设计 · 图形设计测试筛选芯片检测掩膜版

集成电路芯片的显微照片

集成电路的内部单元(俯视图)

100 m 头发丝粗细 50m 30m 30~50m (皮肤细胞的大小) 1m  1m (晶体管的大小) 90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较

集成电路行业的概念 • IC常用基本概念有： • 晶圆（WAFER） • 多指单晶硅圆片，由普通硅砂拉制提炼而成，是最常用的半导体材料。按其直径分为4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸等规格，近来已经发展出16英寸甚至更大规格。晶圆越大，同一圆片上可生产同规格的IC就多，可有效降低IC成本。

集成电路行业的概念 • IC常用基本概念有： • 前、后道工序 • 在IC制造过程中，晶圆光刻的工艺过程(即所谓流片),被称为前道工序，这是IC制造的最要害技术。晶圆流片后，其划片、贴片、封装等工序被称为后道工序。 • 光刻 • 是IC前道工序的主要工艺手段，指用光技术在晶圆上刻蚀电路。 • 特征尺寸（即线宽） • 是指IC前道工序工艺可达到的最小导线宽度，是IC工艺先进水平的主要指标。线宽越小，集成度越高，在同一面积上可集成更多的IC。

集成电路行业的特征 • IC产业是一个技术密集、人才密集、资金密集的行业，涉及技术领域多，处于高新技术产业的龙头地位，具有强劲的辐射和带动作用，且制造是整个产业的基础，设计是产业的龙头和灵魂。

集成电路行业的特征 • 其基本特征： • (1)人本产业，产品创新完全依赖于高水平的人才。处于高新技术产业尖峰地位的IC产业，面临的最大风险是人才的流失，其发展壮大完全依赖于一批精诚团结、富于创新的技术与管理团队。 • (2)技术进步快，产品更新率高，设计滞后于生产。全球范围内信息产品日新月异的背后，实际上是IC产品的高频率更新和性能优化。从目前来看，设计业远远落后于制造业技术进步的步伐仍然没有大的改观。 • (3)成本低、可靠性高，适于规模化生产。随着制造工艺的进步和晶圆尺寸的增大，单位面积上能够容纳的IC数量剧增，成品率显著提高，单位产品的成本大幅度降低，可靠性等性能指标显著提升，促进了生产的规模化。

集成电路行业的特征 • 其基本特征 • (4)产业投资巨大，是吃"金"产业。一般而言，一条8英寸的生产线需要12亿美元的总投资，一条12英寸生产线需要25亿美元的总投资，而且每年的运行保养、设备更新与新技术开发等成本（养线成本）占总投资的20%。更棘手的是行业竞争激烈，技术进步快，一旦设备更新不及、新技术无法同步推出时，客户就会流失，竞争就处于被动状态。 • (5)人才需求量大、面宽，更新率高。IC产业不但需要大量从事电子系统研发的工程师从事IC设计，而且需要更大规模的从事半导体物理、自动控制、材料等领域的工程师从事IC制造和技术服务业。这一产业需要人才的专业面宽、量大，培养周期长，流动率较高，更重要的是技术更新率高。

集成电路产业的发展现状 • IC产业分类 • 设计业 • 制造业　

集成电路产业的发展现状 • IC产业分类——IC设计 • 将系统、逻辑与性能的设计要求转化为具体的物理版图的过程，也是一个把产品从抽象的过程一步步具体化、直至最终物理实现的过程。设计方法主要包括正向设计和逆向设计，正向设计又以层次化和结构化设计方法为主。 • IC设计是研究和开发IC的第一步，也是最重要的一步。

集成电路产业的发展现状 • IC产业分类——IC设计 • 设计业的主要商业模式包括 • 无生产线工厂（Fabless） • Fabless是设计公司的主流商业模式，其核心竞争力在于产品的创新和知识产权，产品主要依赖Foundry来代工。 • 设计服务（Design Service） • 设计服务公司必须以Foundry为依托，面向Fabless公司提供技术支持与服务，同时面向Foundry开展Foundry服务。 • 设计室（Design House）

集成电路产业的发展现状 • IC产业分类——IC设计 • 据国际半导体协会统计，2001年底全球规模Fabless设计企业的数量500家 • 美国硅谷270家，占全球Fabless总数的55%，其收入占70% • 台湾省111家，占全球Fabless总数的23%，其营业收入占20% • 2002年全球十大Fabless公司的排名见表1。

集成电路产业的发展现状 • IC产业分类——IC设计 • 2002年全球十大Fabless公司的排名见表

集成电路产业的发展现状 • IC产业分类——制造业 • IC制造业分为两大阵营，即IDM和Foundry • 主要IDM厂商 • 英特尔、意法、TI、美光、英飞凌、三星等 • 主要Foundry厂商 • 台积电、台联电、特许、中芯国际等

集成电路产业的发展现状 • IC产业分类——制造业 • 据《电子资讯时报》报道，目前，全球正在运营的12“、8”和6“的IC生产线数量分别为28条、164条和119条； • 亚太地区分别为8条、63条和25条，主要分布在中国台湾省、韩国、新加坡、中国、马来西亚等， • 北美地区分别为12条、38条和20条，全部分布在美国 • 欧洲地区分别为2条、22条和25条，主要分布在英国、法国、德国、意大利等 • 日本分别为6条、43条和49条。

集成电路产业的发展现状 • 2002年全球十大芯片供应商

集成电路产业的发展现状 • 2002年全球十大存储器供应商

集成电路产业的发展现状 • 2002年全球十大Foundry排名（单位：亿美元）

激光的出现催生了光电子学 • 在漆黑的夜空，当你打开手电时，随着距离的拉大，光束的直径也越来越大，亮度也越来越暗淡。能否找到一种不发散的、在传播过程中始终会聚集在一起的光呢？答案是肯定的，那就是现时人们称作“激光”的东西。 • 激光现象是在五十年代后期发现的。

激光的出现催生了光电子学 巴索夫普罗霍罗夫查尔斯·汤斯阿瑟·肖洛 1958 年美国科学家查尔斯·汤斯、阿瑟·肖洛和苏联科学家巴索夫、普罗霍罗夫分别提出了激光原理，并预言了气体激光器。汤斯、巴索夫、普罗霍罗夫因此分享了1964 年诺贝尔物理学奖肖洛于1981 年获得了诺贝尔物理学奖。

激光的出现催生了光电子学 1960年美国梅曼加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员成功创造了世界上第一台红宝石激光器激光只包含单一的电磁振荡频率。光束不发散，即使投射到几公里外的远处，其光斑也只有茶杯口大小。由于激光光束异常集中，因此亮度很高。一台脉冲式大功率红宝石激光线的亮度比太阳光还要高几百亿倍。

1960年苏联科学家巴索夫研制成功了通过PN 结激发的半导体激光器。 • 1961 年巴索夫研制出了通过电子束、光泵激发的半导体激光器，并提出用激光加热等离子体。 1962 年美国IBM 公司制成砷化镓半导体激光器巴索夫 • 半导体激光二极管问世，显露光信息技术曙光。

人们发现了传播光的“导线” • 1870年，英国科学家廷德尔表演了一个有趣的实验：当水流从一个盛水容器的小孔流出来时，他用光照亮容器内壁的小孔，大家看到了光从小孔发出，并顺着水流弯曲地传送至水流终端。1930年，德国人兰姆进一步发现，不仅在透明的水流中，光也能沿着弯曲的石英纤维传输，正如电信号能沿着金属导线传输一样。光水流或玻璃纤维光斑

1966年美籍华裔高琨在《光频率介质纤维表面波导》论文中开创性地提出光导纤维在通讯上应用的基本原理，描述了长程及高信息量光通讯所需绝缘性纤维的结构和材料特性。1966年美籍华裔高琨在《光频率介质纤维表面波导》论文中开创性地提出光导纤维在通讯上应用的基本原理，描述了长程及高信息量光通讯所需绝缘性纤维的结构和材料特性。 • 低损耗光纤预言是光信息急速发展序幕

石英光纤 玻璃光纤光纤 • 七十年代中期，人们终于制成了适用于激光传输的、光损耗小的和柔韧可弯的透明细丝，称作光导纤维和玻璃纤维。由多股光导纤维做成的纤维束成为光通信的“电缆”（称为光缆）。 • 特别诱人的是，制造光纤的原材料——石英是我们地球上俯拾即是，取之不竭。光纤非常细，粗的也只有头发丝那般粗，细的只有几个微米。与传送电信号的金属导线相比，这种比发丝还细的光纤确显示出惊人的传送信号的能力。在相同直径的条件下，光纤能运送的信息量要比金属导线大十亿倍以上。一条光纤就能传送1万多路电话信息，还可容纳几十个不同波长的激光信道。如果将几千条光纤束成一条光缆，就可供百亿人同时通话，已远远超出现在全球的通话需求。

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