现代电子线路00绪论

Itatium
Itatium 2 绪论 No.5
第四代——大规模、超大规模集成电路：
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3×4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。
+
PC
+
软件
=
虚拟仪器
2018/10/15
School of Physics, Peking University
绪论 No.11
传 统 仪 器
功能由仪器厂商定义 与其它仪器设备的连接十分有限 图形界面小，人工读取数据，信息量小
虚 拟 仪 器
功能由用户自己定义 可方便地与网络外设及多种仪器连接 界面图形化，计算机直接读取数据并分析 处理
巴丁 (1908～1991)
布拉顿 肖克利 (1902～1987) (1910～1989)
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) 晶体管装置（NPN Ge）
2018/10/15
School of Physics, Peking University
绪论 No.3
数据无法编辑
硬件是关键部分 价格昂贵 系统封闭、功能固定、可扩展性差
数据可编辑、存储、打印
软件是关键部分 价格低廉，仅是传统仪器的五至十分之一
基于计算机技术开放的功能模块可构成多 种仪器
技术更新快 基于软件体系的结构可大大节省开发费用
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性能日趋完善
高精度（时间测量已达飞秒（10-15s）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。
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真空二级管
第一只电子管
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 电子管
2018/10/15
School of Physics, Peking University
2018/10/15
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。
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。 School of Physics, Peking University
绪论 No.8
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。 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。
VLSI
105 ~ 10 7 104 ~ 106
GSI
>109 >108
(medium ~)
(very large ~)
(giga ~)
Intel Core i7 920 设计图
2018/10/15
School of Physics, Peking University
绪论 No.6
二、电子学发展方向
基尔比发明的集成电路
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16kbits， 而1998年单片存储器容量为16Mbits，18年增长了210 = 1024倍。
诺依斯发明的集成电路
2018/10/15
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（J· Kilby）， 他因此而获得2000年诺贝尔物理学奖。 同年7月，仙童公司（Fairchild）的罗伯特· 诺伊斯（N· Noyce ）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。
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hool of Physics, Peking University
绪论 No.9
三、现代物理量测量与电子学
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） 按所采用 的技术分
+
信号分析与处理
+
结果表达与输出
模拟仪器
数字化仪器
智能仪器
电子测量 仪器的发展
按仪器结构 （可扩展性） 和实现形式分
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
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第一代CPU：Intel 4004
(small scale integration) (large ~)
SSI 元件数 门数
<102 <10
(ultra large ~)
ULSI
107 ~ 10 9 106 ~ 108
MSI
102 ~10 3 10 ~ 102
LSI
103 ~10 5 102 ~ 104

高性能
Si HF
1MHz
一、高频高速 MF
100kHz
GaAs UHF
1GHz
VHF
10MHz
SHF
10GHz
EHF
1000GHz
100MHz
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。
2018/10/15
绪论 No.10
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）
2018/10/15
绪论 No.13
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。
绪论 No.1
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。
2018/10/15
绪论 No.2
第二代——晶体管：
1947年12月23日，工作于贝尔实验室的威廉· 肖克利（W· B· Shockley）、沃尔特· 布拉顿（W· H· Brattain）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。
School of Physics, Peking University
绪论 No.4
4004