第一章 緒論 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),集成運(yùn)算放大器

2023/2/11模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)教師：羅廣孝2023/2/12ApplicationsMobile

InternetNetworkServicesHomei.LINKMemoryStick2023/2/132023/2/142023/2/152023/2/16電子歷史

---放映室

晶體管：

前世……

今生……

來世……2023/2/171879年10月21日，故事從這兒開始……1879年10月19日，美國著名發(fā)明家愛迪生成功地使第一盞由竹篾燒成的碳絲制成的白熾燈發(fā)光，長(zhǎng)達(dá)45小時(shí)。2023/2/18

為了延長(zhǎng)白熾燈的壽命，愛迪生繼續(xù)進(jìn)行研究。他在燈泡的碳絲附近焊上一小塊金屬片，金屬片沒有與燈絲接觸，但如果在它們之間加上電壓，燈絲受熱后，會(huì)產(chǎn)生一股趨向附近的金屬片的電流。當(dāng)時(shí)，愛迪生本人并沒有意識(shí)到這種現(xiàn)象有多少技術(shù)潛力，而轉(zhuǎn)入其他項(xiàng)目的研究。后人認(rèn)識(shí)到愛迪生發(fā)現(xiàn)的是一種"熱電子發(fā)射現(xiàn)象"，有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，把它稱為"愛迪生效應(yīng)"。最早預(yù)見到愛迪生效應(yīng)具有實(shí)用價(jià)值的，是英國物理學(xué)家、工程師弗萊明。弗萊明于1870年大學(xué)畢業(yè)，1877年到劍橋大學(xué)工作，協(xié)助麥克斯韋進(jìn)行電學(xué)實(shí)驗(yàn)。19世紀(jì)80年代，弗萊明在愛迪生設(shè)在倫敦的事務(wù)所當(dāng)顧問。90年代，他又與意大利發(fā)明家馬可尼一起工作。弗萊明與上述兩位發(fā)明大師共事的經(jīng)歷，促使他把兩位大發(fā)明家的成果相結(jié)合，他的目標(biāo)是為無線電報(bào)接收機(jī)尋求更理想的檢波器。在研制新穎檢波器時(shí)，弗萊明發(fā)現(xiàn)，如果把產(chǎn)生愛迪生效應(yīng)的燈泡的“板極”(金屬片)接電源正極，則在電場(chǎng)的作用下，燈絲發(fā)射出的電子就會(huì)流向板極，從而使燈絲和板極之間的電路導(dǎo)通。如果板極與電源負(fù)極相連，燈絲就不發(fā)射電子，這樣，燈絲與板極之間就沒有電流。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，1904年弗萊明首先研制出了在無線電報(bào)接收機(jī)中用做檢波器的真空二極管，并獲得了專利。他一直生活到20世紀(jì)40年代，親眼目睹了他的發(fā)明結(jié)出的碩果。1906年，美國發(fā)明家德·福雷斯特對(duì)二極管加以改進(jìn)，首先研制出真空三極管。

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德·福雷斯特排除干擾繼續(xù)從事研究，希望能找到一種加快電報(bào)信號(hào)傳送速度的方法。一次，他把一個(gè)三極管與電話送話器等連接在一起，再接到耳機(jī)上去。當(dāng)把一塊手表放在電話送話器前面時(shí)，居然出現(xiàn)了一件意想不到的事：手表的"嘀嗒"聲被放大了。德·福雷斯特和他的助手找到了一種可以控制三極管放大作用的方法：減弱所需放大的電流，而把幾個(gè)三極管連接起來使用，使一個(gè)三極管的輸出，成為下一個(gè)三極管的輸入，這樣就能使放大效果大大增強(qiáng)。德·福雷斯特在三極管放大的原理上，取得了突破性的進(jìn)展，使得制造功率放大器的設(shè)想有了成功的可能。1912年，德·福雷斯特等發(fā)明了再生電路，利用正反饋技術(shù)，使音頻信號(hào)放大到可以接收的程度。從此，三極管才開始用于無線電話機(jī)。

1912年，美國通用電氣公司的化學(xué)家蘭茂爾(他在1932年榮獲諾貝爾獎(jiǎng))和美國電話電報(bào)公司的阿諾德，在各自的公司，分別研制出高真空的電子三極管，使三極管的放大倍數(shù)大幅度提高，工作性能更加穩(wěn)定。從此，三極電子管進(jìn)入了實(shí)用階段。2023/2/110

電子管也稱為真空管(Vacuumtube),它是在一個(gè)抽成真空的玻璃泡中封有一些電極而制成的。圖1是各種真空管的照片，真空管是第一代電子器件。1904年，世界上第一只電子管在英國物理學(xué)家弗萊明的手下誕生了。弗萊明為此獲得了這項(xiàng)發(fā)明的專利權(quán)。人類第一只電子管的誕生，標(biāo)志著世界從此進(jìn)入了電子時(shí)代。2023/2/1112023/2/112

半導(dǎo)體器件是二十世紀(jì)五十年代發(fā)展起來的，特別是1948年晶體管（“Transistor”isshortfor“TransferResistor”）的發(fā)明，對(duì)電子技術(shù)的發(fā)展起到了決定性的作用。下圖是各種半導(dǎo)體二極管和三極管的照片。圖各種半導(dǎo)體二極管的照片圖各種半導(dǎo)體三極管的照片2023/2/1131954年10月18日，美國德州儀器推出世界上第一個(gè)口袋型商業(yè)晶體管收音機(jī)：四個(gè)晶體管超外差；22.5伏電源；體積：

76x128x32MM2023/2/1142023/2/115

隨后在半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的集成電路，使電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的里程碑。集成電路的不斷發(fā)展，從小規(guī)模集成電路到中規(guī)模、大規(guī)模集成電路，以及發(fā)展到超大規(guī)模集成電路。可以把過去一臺(tái)儀器所包括的電子電路集成到一塊芯片之中。下圖是各種集成電路的照片。圖各種集成電路的照片2023/2/116那些人……

那些事……2023/2/117

1946年1月，Bell實(shí)驗(yàn)室正式成立半導(dǎo)體研究小組,

W.Schokley肖克萊，J.Bardeen巴丁、W.H.Brattain布拉頓。Bardeen提出了表面態(tài)理論，Schokley給出了實(shí)現(xiàn)放大器的基本設(shè)想，Brattain設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)。1947年12月23日，第一次觀測(cè)到了具有放大作用的晶體管1.晶體管的發(fā)明2023/2/118肖克萊(WilliamShockley)巴丁(JohnBardeen)布拉頓(WalterBrattain)2023/2/119晶體管的發(fā)明

二戰(zhàn)結(jié)束時(shí)，諸多半導(dǎo)體方面的研究成果為晶體管的發(fā)明作好了理論及實(shí)踐上的準(zhǔn)備。1946年1月，依據(jù)戰(zhàn)略發(fā)展思想，Bell實(shí)驗(yàn)室成立了固體物理研究組及冶金組，開展固體物理方面的研究工作。在系統(tǒng)的研究過程中，肖克萊根據(jù)肖特基的整流理論，預(yù)言通過“場(chǎng)效應(yīng)”原理，可以實(shí)現(xiàn)放大器，然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)言相差很多。經(jīng)過周密的分析，巴丁提出表面態(tài)理論，開辟了新的研究思路，兼之對(duì)電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的不斷探索，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，于1947年12月實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到點(diǎn)接觸型晶體管放大現(xiàn)象。第二年1月肖克萊提出結(jié)型晶體管理論，并于1952年制備出結(jié)型鍺晶體管，從此拉開了人類社會(huì)步入電子時(shí)代的序幕。2023/2/120

肖克萊在回顧晶體管發(fā)明過程的文章中談到對(duì)晶體管發(fā)明究竟是由實(shí)際追求具體器件導(dǎo)致的結(jié)果還是基礎(chǔ)研究的副產(chǎn)品這個(gè)問題，不能簡(jiǎn)單地用“是”還是“不是”來回答。在晶體管發(fā)明的實(shí)際過程中，需求牽引與科學(xué)推動(dòng)是交織融合在一起的。Bell實(shí)驗(yàn)室在組織該課題時(shí)是基于提高檢波器穩(wěn)定性這一背景需求的，但在選擇研究目標(biāo)是并不完全從追求解決實(shí)際技術(shù)出發(fā)，而是決定對(duì)固體物理學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)研究。當(dāng)然也考慮到這一領(lǐng)域的突破將會(huì)對(duì)通訊技術(shù)的發(fā)展起到重要作用。晶體管的發(fā)明2023/2/121

基礎(chǔ)研究成果一旦與某種社會(huì)需求相結(jié)合，就能實(shí)現(xiàn)“基礎(chǔ)創(chuàng)新”，為技術(shù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐方向，成為整個(gè)創(chuàng)新流的源泉。例如晶體管發(fā)明作為“基礎(chǔ)創(chuàng)新”的成果，導(dǎo)致一系列平面工藝的創(chuàng)新與實(shí)現(xiàn)，繼而發(fā)明了集成電路，形成今天信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)賴以發(fā)展的強(qiáng)大基石。當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展形態(tài)表明：知識(shí)經(jīng)濟(jì)初露端倪?？梢哉f誰擁有了“基礎(chǔ)創(chuàng)新”，誰就掌握了主動(dòng)權(quán)。這也可以說是發(fā)展中國家實(shí)行超越戰(zhàn)略、趕超世界先進(jìn)水平的“捷徑”。晶體管的發(fā)明2023/2/122

1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國加利福尼亞州景山（MountainView）貝克曼儀器公司半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室的肖克萊（WilliamShockley，1910—1989）、美國伊利諾斯州烏爾班那伊利諾斯大學(xué)的巴?。↗ohnBardeen，1908—1991）和美國紐約州繆勒海爾（MurrayHill）貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的布拉頓（WalterBrattain，1902—1987），以表彰他們?cè)?947年12月23日發(fā)明第一個(gè)對(duì)半導(dǎo)體的研究和PNP點(diǎn)接觸式Ge晶體管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。2023/2/123世界上第一個(gè)Ge點(diǎn)接觸型PNP晶體管蒸金箔塑料楔金屬基極鍺發(fā)射極集電極0.005cm的間距2023/2/1242.集成電路的發(fā)明

1952年5月，英國科學(xué)家G.W.A.Dummer達(dá)默第一次提出了集成電路的設(shè)想。1958年以德克薩斯儀器公司的科學(xué)家基爾比(ClairKilby)為首的研究小組研制出了世界上第一塊集成電路，并于1959年公布了該結(jié)果2023/2/1251958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個(gè)器件，Ge晶片獲得2000年Nobel物理獎(jiǎng)2023/2/1261958年發(fā)明第一塊簡(jiǎn)單IC的美國TI公司JackS.Kilby杰克·基爾比、美國加利福尼亞大學(xué)的赫伯特·克勒默和俄羅斯圣彼得堡約飛物理技術(shù)學(xué)院的澤羅斯·阿爾費(fèi)羅夫一起獲得2000年Nobel物理獎(jiǎng)，以表彰他們?yōu)楝F(xiàn)代信息技術(shù)的所作出的基礎(chǔ)性貢獻(xiàn)，特別是他們發(fā)明的IC、激光二極管和異質(zhì)晶體管。

赫伯特·克勒默杰克·基爾比澤羅斯·阿爾費(fèi)羅夫2023/2/127青年基爾比第一塊集成電路集成電路草圖1958年9月12日，TI公司的JackS.Kilby在德州儀器半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室展示了一個(gè)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單的設(shè)備。第一次將所有有源和無源元器件都集合到只有一個(gè)曲別針大?。ú蛔?/2英寸見方）的半導(dǎo)體材料上。這塊集成電路共集成了十二個(gè)元件（兩個(gè)晶體管、兩個(gè)電容和八個(gè)電阻）。Kilby本人也因此與赫伯特·克勒默和俄羅斯的澤羅斯·阿爾費(fèi)羅夫一起榮獲2000年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。Ge襯底上的混合集成電路，美國專利號(hào)31387432023/2/1281959年美國仙童/飛兆公司（Fairchilds

）的R.Noicy諾依斯開發(fā)出用于IC的Si平面工藝技術(shù)，從而推動(dòng)了IC制造業(yè)的大發(fā)展。1959年仙童公司制造的IC年輕時(shí)代的諾伊斯2023/2/129第一章緒論

電子技術(shù)基礎(chǔ)包括模擬部分和數(shù)字部分

模擬部分研究對(duì)象(器件、電路與系統(tǒng))

半導(dǎo)體器件：二極管D，三極管（晶體管）T，場(chǎng)效應(yīng)管分立元件電路：共射極、共基極、共集電極放大電路，差放，功放，電源集成電路：集成運(yùn)放，集成功放信號(hào)：產(chǎn)生，放大，反饋，運(yùn)算，比較仿真工具：PSPICE（veryinteresting）

愛模電，愛SPICE！2023/2/1301.1電子系統(tǒng)與信號(hào)電子系統(tǒng)：由若干相互聯(lián)接、相互作用的基本電路組成的具有特定功能的電路整體?；倦娐罚褐傅氖腔締卧娮与娐?，如基本放大電路、濾波電路、取樣-保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)運(yùn)算處理電路、數(shù)摸轉(zhuǎn)換電路等。特定功能：指的是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸或信號(hào)的處理等特定功能。

信號(hào)的分類：模擬信號(hào)：幅值和時(shí)間都連續(xù)變化的信號(hào)（氣溫、氣壓、風(fēng)速）數(shù)字信號(hào)：幅值和時(shí)間都是離散的信號(hào)2023/2/131電信號(hào)源的電路表達(dá)形式電壓源等效電路電流源等效電路2023/2/132信號(hào)：信息的載體微音器輸出的某一段信號(hào)的波形數(shù)字信號(hào)波形2023/2/133電信號(hào)的時(shí)域與頻域表示A.正弦信號(hào)時(shí)域2023/2/134電信號(hào)的時(shí)域與頻域表示B.方波信號(hào)

滿足狄利克雷條件，展開成傅里葉級(jí)數(shù)(高數(shù))——直流分量其中——基波分量——三次諧波分量方波的時(shí)域表示2023/2/135信號(hào)的頻譜B.方波信號(hào)頻譜：將一個(gè)信號(hào)分解為正弦信號(hào)的集合，得到其正弦信號(hào)幅值和相位隨角頻率變化的分布，稱為該信號(hào)的頻譜。幅度譜相位譜2023/2/136Digitalsignal－帶寬梯形波頻率100MHz幅度為5V占空比50%上升／下降時(shí)間為1ns梯形波頻譜

2023/2/137Digitalsignal－９次諧波頻譜成分digitalsignalVS10PULSE(0501N1N4N10N)R101E6.TRAN0.0001N10N.FOUR100MEGV(1).PROBE.ENDFOURIERCOMPONENTSOFTRANSIENTRESPONSEV(1)DCCOMPONENT=2.500006E+00HARMONICFREQUENCYFOURIERNORMALIZEDPHASENORMALIZEDNO(HZ)COMPONENTCOMPONENT(DEG)PHASE(DEG)11.000E+083.131E+001.000E+00-1.800E+010.000E+0022.000E+081.149E-053.669E-065.321E+018.921E+0133.000E+089.108E-012.909E-01-5.400E+013.949E-0644.000E+089.224E-062.946E-061.624E+018.824E+0155.000E+084.053E-011.294E-01-9.000E+012.384E-056