,School of Physics,Peking University,绪论,No.,*,*,一、电子学发展史,自,1904,年第一只电子管问世以来，电子技术在短短百年间迅猛发展，已经成为与人们生产生活密不可分的一项技术，它的发展史大致可分为四个阶段：,1907,年，美国科学家李,德,福雷斯特（,Lee de Forest,）在真空二极管中加 入金属栅网，使之成为具有放大作用的真空三极管（电子管），标志电子器件真正走向应用。德福雷斯特也被称为“电子管之父”。,经过两次世界大战的洗礼，随着雷达、无线电通讯、广播、电视的发展，电子管得到了广泛应用，电子技术也日趋成熟。,1946,年,2,月，美国宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台电子计算机,ENIAC,。,电子管收音机,第一代,电子管：电子管是由电子在真空中的运动来实现,电传导的一种器件。,真空二级管,1904,年，英国电气工程师弗莱明（,J.Fleming,）为取代用于无线电检波的矿石检波器，利用爱迪生效应（真空中碳丝的热电子蒸发），在真空灯泡里装上碳丝和铜板，分别充当阴极和阳极，则灯泡里的电子就能实现单向流动。从而发明了世界上第一只电子管,真空二极管。由于真空二极管的性能不如当时的矿石检波器，并没有得到广泛应用。,第一只电子管,电子管,2024/11/15,1,一、电子学发展史自1904年第一只电子管问世以来，电子技,ENIAC,电子数字积分机和计算机,(Electronic Numerical Integrator and Computer),，由美国陆军军械部赞助，于,1943,年在宾夕法尼亚大学摩尔电机学院开始研制，用于计算新型火炮的弹道表。,1946,年,2,月开始服役，,1955,年,10,月退役。,ENIAC,占地,170,平方米，有,8,英尺高，,3,英尺宽，,100,英尺长，装有,16,种型号的,17468,个电子管、,7200,个二极管，,6000,个继电器、,70000,个电阻器、,10000,个电容器，总重量,30,吨，耗电,174KW,。,ENIAC,内存极小，只能存,20,个字长为,10,位的二进制数，所有的程序和指令都是通过外设来完成的，即通过数百根多芯导线与相应接口的连接完成。而且如果要进行另一项运算，就必须把这些导线重新连接。另外，,ENIAC,的可靠性也很差（平均无故障运行时间：,7min,），一般稳定工作的时间只有几个小时。但尽管有如此多的缺陷，在服役十年中，,ENIAC,的算术运算量比有史以来人类大脑所有运算量的总和还要多。,1952,年,12,月,IBM,公司研制出,IBM,第一台存储程序计算机，也是通常意义上的电脑,IBM701,。,ENIAC,有,5,种功能：每秒,5000,次加法运算；,3,毫秒可完成,10,位乘法运算；平方和立方计算；,sin,和,cos,函数数值运算；其他更复杂的计算。,2024/11/15,2,ENIAC电子数字积分机和计算机(Electronic,第二代,晶体管：,晶体管装置（,NPN Ge,）,电子管与晶体管,第一台晶体管收音机,(1955,年,),最早的晶体管电视机,(1960,年,),巴丁布拉顿肖克利,(1908,1991),(1902,1987),(1910,1989),1947,年,12,月,23,日，工作于贝尔实验室的威廉,肖克利（,WB,Shockley,）、沃尔特,布拉顿（,WHBrattain,）和约翰,巴丁（,J,Bardeen,），用几条金箔片，一片锗半导体材料和一个弯纸架制成一个小模型，可以传导、放大和开关电流。他们把这一发明称为“点接晶体管放大器”。标志着第一只晶体管的诞生。他们也因,“,20,世纪最重要的发明”而获得,1956,年诺贝尔,物理学奖。,（,Shockley,给出了实现放大器的基本设想，,Bardeen,提出了表面态理论，,Brattain,设计了实验）,1954,年，随着高纯硅工业提炼技术的成熟，硅晶体管开始使用，晶体管收音机、电视机也陆续问世。,2024/11/15,3,第二代晶体管：晶体管装置（NPN Ge）电子管与晶体管,第三代,集成电路：,1959,年,1,月，德克萨斯仪器公司（,TI,）宣布发明集成电路，是以锗做的单晶片，上面有,5,个元件，其中有四个晶体管。发明人是工程师杰克,基尔比（,JKilby,），他因此而获得,2000,年诺贝尔物理学奖。,基尔比发明的集成电路,诺依斯发明的集成电路,Moore,定律（,1964,年）：每18个月芯片集成度（每平方毫米晶体管数）提高一倍。这个预测已为实践所证实，例如：1980年单片存储器容量为16,kbits，,而1998年单片存储器容量为16,Mbits，18,年增长了2,10,=1024倍。,同年,7,月，仙童公司（,Fairchild,）的罗伯特,诺伊斯（,NNoyce,）发明了硅集成电路。同时，仙童公司首创了一整套半导体平面工艺技术，包括扩散、掩模、照相、光刻、金属蒸发沉积,1968,年,8,月诺伊斯与负责研发的戈登,摩尔和工艺开发专家安迪,格罗夫离开仙童，创立了英特尔（,Intel,）公司。,2024/11/15,4,第三代集成电路：1959年1月，德克萨斯仪器公司（TI）,4004,8086,80286,i386,i486,Pentium,Pentium III,Pentium IV,Itatium 2,8008,8080,Pentium II,Itatium,2024/11/15,5,4004808680286i386i486PentiumPe,第四代,大规模、超大规模集成电路：,第一代,CPU,：,Intel 4004,随着半导体平面技术的成熟，在一片晶体上集成的晶体管数量越来越多，上世纪六十年代末出现了大规模、超大规模集成电路，具有代表性的是,1971,年英特尔公司推出的第一代中央处理器：,4004,，它在,34,毫米芯片面积上集成晶体管,2250,个，每个晶体管之间的距离是,10,微米，,4,比特总线配置，,108,千赫，每秒运算速度达,6,万次，当时售价为,200,美元。,2010,年,3,月，英特尔公司推出了,Westmere,架构、,Gulftown,核心的,Core i7 980X 3.33GHz CPU,，采用,32,纳米、,6,核、,12,线程,技术,，在,248,平方毫米的芯片上集成了,11.7,亿个晶体管。,Intel Core i7 920,设计图,(small scale integration),(medium),(large),(very large),(ultra large),(giga),2024/11/15,6,第四代大规模、超大规模集成电路：第一代CPU：Intel,高密度集成,实现手段：内部导线变细。,集成度的提高，将使,电子设备从电路板 二次集成 片上系统（,SOC,）,系统设计从器件级 门级 标准单元级 可编程模块,单片收音机,硅单晶片与加工好的硅片,二、电子学发展方向,2024/11/15,7,高密度集成单片收音机硅单晶片与加工好的硅片二、电子学发展方向,高性能,一、高频高速,电子设备应用十分广泛，频率资源不足，只能开辟频率更高的频段。,对于数字电路，为完成高数据率信号（例如高清晰度电视）的实时处理，需要电路具有很高的时钟频率。,二、低压低耗,随着集成度的提高，芯片内线条和线间距离已进入亚微米量级，使用高电源电压使线间电场强度过高，不利于电路的安全工作。,便携设备使用越来越广泛，为设备供电电池的尺寸、重量、容量和价格成为制约便携设备的关键问题之一，降低设备的功耗是重要的解决方法。,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,100,kHz,1,MHz,10,MHz,100,MHz,1,GHz,10,GHz,1000,GHz,Si,GaAs,2024/11/15,8,高性能MFHFVHFUHFSHFEHF100kHz1MHz1,可编程,20世纪电气领域的四个重大变化：从电力到电子，从电子管到晶体管，从分立元件到集成电路和从固定功能到可编程。,可编程实现了在同一硬件平台上利用编程方法实现不同功能。可编程硬件平台在数字电路中容易实现并已经取得迅速的发展，例如：可编程逻辑器件、数字信号处理器、虚拟仪器。,发展动力：,对电子系统的需求,系统功能越来越复杂，性能要求越来越高；,要求体积小，重量轻，功耗低，成本低；,高工作稳定性和可靠性；,生产过程的少调整和无调整。,支撑点：,半导体器件与集成电路工艺的进步；,计算机辅助设计工具的完善；,新材料的开发与应用（,GaAs,、,InP,、,SiC,、,GaN,、,InSb,、,SiGe,、,SOI,绝缘体硅、碳纳米管等,）。,2024/11/15,9,可编程发展动力：对电子系统的需求支撑点：2023/8/29,三、,现代物理量测量与电子学,电子测量,仪器的发展,按所采用的技术分,按仪器结构（可扩展性）和实现形式分,模拟仪器,数字化仪器,智能仪器,单台仪器,模块化仪器,虚拟仪器,技术基础：微电子技术、数字信号处理技术、计算机技术,电子仪器测量系统,信号采集（包括传感器电路、信号调理电路）,信号分析与处理,结果表达与输出,+,+,2024/11/15,10,三、现代物理量测量与电子学电子测量按所采用的技术分按仪器结构,虚拟仪器,：,虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。,数据采集板（卡）,PC,软件,+,+,=,虚拟仪器,2024/11/15,11,虚拟仪器：虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能,2024/11/15,12,2023/8/212,现代电子仪器测量系统发展趋势,微型化、智能化、网络化,新材料、新技术的应用,传感器技术、,EDA,（,Electronic Design Automatic,电子设计自动化）、,CAM,（,Computer-Aided Manufacturing,计算机辅助制造）、,CAT,（,Computer Aided Testing,计算机辅助测试）、,DSP,（,Digital Signal Processing,数字信号处理）、,ASIC,（,Application Specific Integrated Circuit,专用集成电路）及,SMT,（,Surface Mounting Technology,表面贴装技术）。,性能日趋完善,高精度（时间测量已达飞秒（,10,-15,s,）量级）、高灵敏度（,Agilent,的,高性能频谱分析仪,(PSA,：,High-Performance Spectrum Analyzer,),的灵敏度达到,-169dBm,，接近于热噪声）、高稳定性、高可靠性、无污染、长寿命。,2024/11/15,13,现代电子仪器测量系统发展趋势微型化、智能化、网络化 新材,仪器与计算机的融合,大部分仪器提供标准的计算机接口（标准串口、标准并口、,USB,接口、局域网接口、无线接口），而虚拟仪器中计算机更是作为仪器的主体，可以说计算机就是仪器，或软件就是仪器。,在线分析仪器快速发展,适应过程分析要求，提供实时、非侵入式在线分析功能和在线连续监测功能的仪器，得到迅速发展。,2024/11/15,14,仪器与计算机的融合大部分仪器提供标准的计算机接口（标准串口,仪器,网络化和网络化仪器,远程测量系统,以计算机技术、网络通信技术为基础，构建分布式测控网络，可以提高效率、共享信息资源。网络技术的应用，将给现代测量技术带来无限的拓展空间。,2024/11/15,15,仪器网络化和网络化仪器远程测量系统以计算机技术、网络通信技,