1、第三章第三章電子技術電子技術 基礎與應用基礎與應用目錄目錄3.1 電路基礎電路基礎3.2 模擬電子線路技術模擬電子線路技術3.3 數字電路技術數字電路技術3.4 集成電路技術集成電路技術3.5 微電子系統設計微電子系統設計3.1電路基礎電路基礎 電路（電路（Electrical circuitElectrical circuit）：是由）：是由電氣設備電氣設備和和元器元器件件，按一定方式聯接起來，為電荷流通提供了路徑的，按一定方式聯接起來，為電荷流通提供了路徑的總體，也叫總體，也叫電子線路電子線路或稱或稱電氣回路電氣回路。 如電阻、電容、電感、二極管、三極管和開關等，如電阻、電容、電感、二極管

2、、三極管和開關等，構成的網絡。電路規模的大小，可以小到硅片上的集構成的網絡。電路規模的大小，可以小到硅片上的集成電路，大到高低壓輸電網。根據所處理信號的不同，成電路，大到高低壓輸電網。根據所處理信號的不同，電子電路可以分為電子電路可以分為模擬電路模擬電路和和數字電路數字電路。 模擬電路定義模擬電路定義 模擬電路（模擬電路（Analog CircuitAnalog Circuit）：是處理連：是處理連續性電信號（電壓、電流）的電路。續性電信號（電壓、電流）的電路。 其典型電路有：放大電路、振蕩電路、線其典型電路有：放大電路、振蕩電路、線性運算電路（加法、減法、乘法、除法、微性運算電路（加法、減法

3、、乘法、除法、微分和積分電路）。分和積分電路）。數字電路定義數字電路定義數字電路（數字電路（Digital circuitDigital circuit）：是以二值數字：是以二值數字邏輯為基礎，其工作信號是離散的數字信號。邏輯為基礎，其工作信號是離散的數字信號。電路中的電子晶體管工作于開關狀態，時而導電路中的電子晶體管工作于開關狀態，時而導通，時而截止。通，時而截止。典型電路有，振蕩器、寄存器、加法器、減法器等。典型電路有，振蕩器、寄存器、加法器、減法器等。電路和電路模型電路和電路模型 電路是電流的流通路徑電路是電流的流通路徑 。電路的基本。電路的基本功能是實現電能的傳輸和分配或者電信號功能是

4、實現電能的傳輸和分配或者電信號的產生、的產生、 傳輸、傳輸、 處理加工及利用。處理加工及利用。 電路實物模型：電路實物模型：電路和電路模型電路和電路模型 我們已經知道一個最基本的電路必須包我們已經知道一個最基本的電路必須包含三項要素：電源、負載、和導線。含三項要素：電源、負載、和導線。 實際電路在運行過程中的表現卻相當實際電路在運行過程中的表現卻相當復雜，如圖中電路的電池和燈泡要在數學復雜，如圖中電路的電池和燈泡要在數學上精確描述卻十分困難。上精確描述卻十分困難。 為了用數學的方法從理論上判斷電路為了用數學的方法從理論上判斷電路的主要性能，必須對實際器件在一定條件的主要性能，必須對實際器件在一

5、定條件下，忽略其次要性質，按其主要性質加以下，忽略其次要性質，按其主要性質加以理想化，從而得到一系列理想化元件。理想化，從而得到一系列理想化元件。電路中最常用的三個理想元件電路中最常用的三個理想元件圖3-1電路常用理想元件 所謂電路模型，就是把實際電路的本所謂電路模型，就是把實際電路的本質抽象出來所構成的理想化了的電路。將質抽象出來所構成的理想化了的電路。將電路模型用規定的理想元件符號畫在平面電路模型用規定的理想元件符號畫在平面上形成的圖形稱作電路圖。上形成的圖形稱作電路圖。 電路模型電路模型 電源電源是電路中極其重要的一個電路元件，是電路中極其重要的一個電路元件，它不僅僅是指大家所熟悉電池、

6、發電機之類的它不僅僅是指大家所熟悉電池、發電機之類的電源，還包括信號源等。按其是否依靠外部能電源，還包括信號源等。按其是否依靠外部能源可分為源可分為獨立電源獨立電源和和非獨立電源非獨立電源兩類。兩類。電源電源 獨立電源獨立電源又可分為又可分為獨立電壓源獨立電壓源和和獨立電獨立電流源流源兩種。電壓源和電流源都是從實際電源抽兩種。電壓源和電流源都是從實際電源抽象得到的電路模型，它們是象得到的電路模型，它們是二端有源元件二端有源元件。獨立電源獨立電源受控電源受控電源 受控（電）源又稱受控（電）源又稱“非獨立非獨立”電源。電源。 電壓控制電壓源（電壓控制電壓源（VCVSVCVS） 電壓控制電流源（電壓

7、控制電流源（VCCSVCCS） 電流控制電壓源（電流控制電壓源（CCVSCCVS） 電流控制電流源（電流控制電流源（CCCSCCCS）受控電源受控電源基爾霍夫定律基爾霍夫定律 18451845年，德國人年，德國人G.R.G.R.基爾霍夫提出集總參數電路中流基爾霍夫提出集總參數電路中流入節點的各電流和回路各電壓的固有關系的法則入節點的各電流和回路各電壓的固有關系的法則 基爾霍夫定律基爾霍夫定律：如果將電路中各個支路的電流和支路：如果將電路中各個支路的電流和支路電壓作為變量來看，這些變量受到兩類約束。電壓作為變量來看，這些變量受到兩類約束。 一類是元件的特性造成的約束一類是元件的特性造成的約束;

8、; 另一類約束是由于元件的相互連接給支路電流之間或支另一類約束是由于元件的相互連接給支路電流之間或支路電壓之間帶來的約束關系，有時稱為路電壓之間帶來的約束關系，有時稱為“幾何幾何”約束約束或或“拓撲拓撲”約束約束， 基爾霍夫電流定律（基爾霍夫電流定律（KCLKCL） 基爾霍夫電流定律（基爾霍夫電流定律（KCLKCL）：“在集總電路中，在集總電路中，任何時刻，對任一結點，所有流出結點的支路任何時刻，對任一結點，所有流出結點的支路電流的代數和恒等于零電流的代數和恒等于零”。 對任一結點有對任一結點有: : 0i 基爾霍夫電壓定律（基爾霍夫電壓定律（KVLKVL） 基爾霍夫電壓定律（基爾霍夫電壓定律

9、（KVLKVL）指出）指出：“在在集總電路中，任何時刻，沿任一回路，集總電路中，任何時刻，沿任一回路，所有的支路電壓的代數和恒等于零所有的支路電壓的代數和恒等于零”。所以，沿任一回路有：所以，沿任一回路有： 0u 電路中常用定理電路中常用定理 o疊加定理 o戴維南定理 o諾頓定理 疊加定理疊加定理 疊加定理疊加定理：線性電路中，兩個或兩個以：線性電路中，兩個或兩個以上獨立電源同時作用產生的效應，等于上獨立電源同時作用產生的效應，等于每個獨立電源單獨作用產生的效應之和；每個獨立電源單獨作用產生的效應之和； 在考慮某獨立電源單獨作用時，其它在考慮某獨立電源單獨作用時，其它獨立電源以其內阻代替，但所

10、有非獨立獨立電源以其內阻代替，但所有非獨立電源則仍應保留。電源則仍應保留。 戴維南定理戴維南定理 戴維南定理：戴維南定理：任何有源線性二端網絡，可用一任何有源線性二端網絡，可用一個恒壓源串聯一個等效阻抗來代替。該恒壓源個恒壓源串聯一個等效阻抗來代替。該恒壓源的電動勢，等于二端網絡的開路電壓（斷開負的電動勢，等于二端網絡的開路電壓（斷開負載）；而等效阻抗則等于網絡中的各獨立電源載）；而等效阻抗則等于網絡中的各獨立電源用其內阻替代后，在二輸出端呈現的阻抗。用其內阻替代后，在二輸出端呈現的阻抗。 經此等效后所得的網絡，可稱為原網絡經此等效后所得的網絡，可稱為原網絡的戴維南等效電路或電壓源的等效電路。

11、的戴維南等效電路或電壓源的等效電路。 諾頓定理諾頓定理 諾頓定理諾頓定理：任何有源線性二端網絡，可：任何有源線性二端網絡，可用一個恒流源并聯一個等效阻抗來代替。用一個恒流源并聯一個等效阻抗來代替。該恒流源的電流等于二端網絡的短路電該恒流源的電流等于二端網絡的短路電流，而等效阻抗則等于二端網絡中各獨流，而等效阻抗則等于二端網絡中各獨立電源用其內阻替代后在二輸出端呈現立電源用其內阻替代后在二輸出端呈現的阻抗。的阻抗。 模擬電子線路技術模擬電子線路技術 電子技術是十九世紀末、二十世紀初電子技術是十九世紀末、二十世紀初開始發展起來的新興技術，二十世紀發開始發展起來的新興技術，二十世紀發展最迅速，應用最

12、廣泛，成為近代科學展最迅速，應用最廣泛，成為近代科學技術發展的一個重要標志。技術發展的一個重要標志。 電子技術已應用到社會的方方面面，并極電子技術已應用到社會的方方面面，并極大地促進了社會的發展。然而，無論是小到大地促進了社會的發展。然而，無論是小到納納米級的電子芯片米級的電子芯片還是大到幾還是大到幾十噸的航天器材十噸的航天器材。其功能電路的組成都離不開電子技術的基本元其功能電路的組成都離不開電子技術的基本元器件。已由分立的電子器件的組合向器件。已由分立的電子器件的組合向集成化集成化和和模塊化模塊化的方向發展。的方向發展。模擬電子線路技術模擬電子線路技術 半導體概述半導體概述 在自然界，物質按

13、其導電性可分為在自然界，物質按其導電性可分為導體導體、半導半導體體和和絕緣體絕緣體。 其中導電性能很強的，如銅、鋁、鐵等稱為其中導電性能很強的，如銅、鋁、鐵等稱為導體。導體。 另一些物質諸如橡皮、膠木、瓷制品等不能另一些物質諸如橡皮、膠木、瓷制品等不能導電，我們稱之為絕緣體。導電，我們稱之為絕緣體。 還有一些物質，如硅、硒、鍺、銦、砷化鎵還有一些物質，如硅、硒、鍺、銦、砷化鎵以及很多礦石、化合物、硫化物等，它們的導電以及很多礦石、化合物、硫化物等，它們的導電性能介于金屬導體和絕緣體之間，我們稱之為半性能介于金屬導體和絕緣體之間，我們稱之為半導體。導體。 純凈不摻雜質的半導體稱為本征半導體。純凈

14、不摻雜質的半導體稱為本征半導體。本征半導體本征半導體 本征半導體中雖然同時存在自由電子和空穴本征半導體中雖然同時存在自由電子和空穴兩種載流子，但兩種載流子，但數量少數量少，導電能力較差導電能力較差，導電導電率也難以按需要人為控制率也難以按需要人為控制。 若在本征半導體材料中摻入很微量的某種若在本征半導體材料中摻入很微量的某種雜質元素，會使其導電性極大地增加，并且隨雜質元素，會使其導電性極大地增加，并且隨著雜質元素摻入量的不同，導電能力也能夠加著雜質元素摻入量的不同，導電能力也能夠加以控制，這種半導體稱為以控制，這種半導體稱為雜質半導體雜質半導體。 若摻入微量元素是五價元素（如磷），這若摻入微量

15、元素是五價元素（如磷），這種雜質半導體叫做種雜質半導體叫做N N型半導體型半導體；若加入的是三價；若加入的是三價微量元素（如硼）則稱這種雜質半導體為微量元素（如硼）則稱這種雜質半導體為P P型半型半導體導體。 PNPN結結 將將P P型半導體和型半導體和N N型半導體通過特殊的工型半導體通過特殊的工藝結合在一起，則在這兩種半導體的交界面藝結合在一起，則在這兩種半導體的交界面會出現一個極薄的特殊層（大約只有幾個微會出現一個極薄的特殊層（大約只有幾個微米），這個薄層就是米），這個薄層就是PNPN結結。 PN PN結是構成各種半導體器件的基礎。結是構成各種半導體器件的基礎。半導體二極管半導體二極管

16、半導體二極管半導體二極管是是PNPN結形成后的一個結形成后的一個產物產物，常用實物圖如下圖，它是組成電子線路重要常用實物圖如下圖，它是組成電子線路重要元器件之一，廣泛應用于元器件之一，廣泛應用于整流整流、穩壓穩壓、限幅限幅、鉗位鉗位、檢波檢波、續流續流等。等。半導體二極管的類型半導體二極管的類型 半導體二極管的類型很多。半導體二極管的類型很多。 按材料分按材料分，二極管可分為硅二極管和鍺，二極管可分為硅二極管和鍺二極管；二極管；按內部結構分按內部結構分，二極管可分為點接，二極管可分為點接觸、面接觸和平面型等類型；觸、面接觸和平面型等類型；按用途分按用途分，二，二極管又可分為整流二極管、穩壓二極

17、管、檢極管又可分為整流二極管、穩壓二極管、檢波二極管、發光二極管、開關二極管等。波二極管、發光二極管、開關二極管等。 在實際生活中我們用到較多的二極管是一在實際生活中我們用到較多的二極管是一些特殊的二極管，下表列出了其中的一部分些特殊的二極管，下表列出了其中的一部分。半導體二極管的類型半導體二極管的類型雙極性晶體管雙極性晶體管 雙極性晶體管又稱半導體晶體管或雙極性三極雙極性晶體管又稱半導體晶體管或雙極性三極管。常用三極管實物圖如圖所示。三極管的一管。常用三極管實物圖如圖所示。三極管的一個重要特性就是放大作用，正是此特性使得它個重要特性就是放大作用，正是此特性使得它在電子線路中的用途非常之大。在

18、電子線路中的用途非常之大。雙極性晶體管的分類雙極性晶體管的分類按按材料材料可分為硅管和鍺管；可分為硅管和鍺管；按按類型類型可分為平面型和合金型；可分為平面型和合金型；按按工作頻率工作頻率可分為高頻管和低頻管；可分為高頻管和低頻管；按按內部結構內部結構可分為可分為NPNNPN型和型和PNPPNP型；型；按按耗散功率耗散功率不同可分為小功率管和大功率管不同可分為小功率管和大功率管按按使用用途使用用途則可分為：普通管、低噪聲則可分為：普通管、低噪聲B B管、管、功率放大管、高頻管、開關管和達林管等。功率放大管、高頻管、開關管和達林管等。NPNNPN型和型和PNPPNP型晶體管的結構和符號圖型晶體管的

19、結構和符號圖場效應管場效應管 場效應管（場效應管（Field Effect TransistorField Effect Transistor）作作為半導體器件中的重要一員，也就是一種通為半導體器件中的重要一員，也就是一種通過輸入信號控制輸出電流的器件。過輸入信號控制輸出電流的器件。 場效應管也是一個具有兩個結的半導體場效應管也是一個具有兩個結的半導體三端器件。但場效應管的工作原理與三極管三端器件。但場效應管的工作原理與三極管截然不同，場效應管是利用改變電場來控制截然不同，場效應管是利用改變電場來控制半導體載流子運動，而不是象三極管那樣用半導體載流子運動，而不是象三極管那樣用輸入電流控制結的電

20、場。輸入電流控制結的電場。 場效應管除了具有雙極性場效應管的體積小、場效應管除了具有雙極性場效應管的體積小、質量輕、壽命長等優點外，還具有輸入阻抗質量輕、壽命長等優點外，還具有輸入阻抗高、動態范圍大、熱穩定性能好、抗輻射能高、動態范圍大、熱穩定性能好、抗輻射能力強、制造工藝簡單等優點。力強、制造工藝簡單等優點。 場效應管有場效應管有結型結型和和絕緣絕緣型兩大類，即結型兩大類，即結型場效應管和絕緣型場效應管。型場效應管和絕緣型場效應管。 每種類型的場效應管都具有每種類型的場效應管都具有柵極柵極、源極源極和和漏極漏極個工作電極。個工作電極。 同時，每種類型的場效應管都由同時，每種類型的場效應管都由

21、溝溝道道和和溝道溝道兩種導電結構。兩種導電結構。 場效應管場效應管 結型場效應管結型場效應管o結型場效應管結型場效應管是一種利用半導體內的電場是一種利用半導體內的電場效應來控制其電流大小的半導體器件。根效應來控制其電流大小的半導體器件。根據結構的不同，結型場效應管有據結構的不同，結型場效應管有N N溝道溝道JFETJFET和和P P溝道溝道JFETJFET兩種類型。兩種類型。 絕緣柵型場效應管絕緣柵型場效應管 與結型場效應管相同與結型場效應管相同: :絕緣柵型場效應管也是絕緣柵型場效應管也是利用電場控制載流子的工作原理設計而成的。利用電場控制載流子的工作原理設計而成的。與結型場效應管不同與結型

22、場效應管不同: :絕緣柵型場效應管絕緣柵型場效應管有絕有絕緣柵緣柵，并因此而得名。，并因此而得名。 又因柵極為金屬鋁，故又稱為又因柵極為金屬鋁，故又稱為MOSMOS管管。它的。它的柵柵- -源間電阻比結型效應管大得多源間電阻比結型效應管大得多，還因為它比，還因為它比結型場效應管結型場效應管溫度穩定性好溫度穩定性好、集成化時工藝簡集成化時工藝簡單單，而廣泛用于大規模和超大規模集成電路之，而廣泛用于大規模和超大規模集成電路之中。中。 MOS MOS管的四種類型為：管的四種類型為：N N溝道增強型管溝道增強型管、N N溝道溝道耗盡型管耗盡型管、P P溝道增強型管溝道增強型管和和P P溝道耗盡型管溝道

23、耗盡型管。 幾種場效應管的基本結構圖和符號幾種場效應管的基本結構圖和符號 模擬電子電路的基礎應用模擬電子電路的基礎應用 o放大電路放大電路：麥克風將人的聲音信號轉換：麥克風將人的聲音信號轉換成電信號，而電信號經過擴音設備中的成電信號，而電信號經過擴音設備中的放大電路放大后，就會輸出足夠大的信放大電路放大后，就會輸出足夠大的信號功率，推動揚聲器發出宏亮的聲音。號功率，推動揚聲器發出宏亮的聲音。 模擬電子電路的基礎應用模擬電子電路的基礎應用 當天氣變化頻繁，氣溫忽高忽低時，人就容當天氣變化頻繁，氣溫忽高忽低時，人就容易感冒，容易生病。機器設備與人也相似，當它易感冒，容易生病。機器設備與人也相似，當

24、它的輸入電壓不穩定，儀器設備的使用壽命就會降的輸入電壓不穩定，儀器設備的使用壽命就會降低，特別是對于一些精密的儀器部件，它對輸入低，特別是對于一些精密的儀器部件，它對輸入源的要求更高，輸入源的波動必須很小。源的要求更高，輸入源的波動必須很小。 當波動稍微過大時，它就可能損壞。為了當波動稍微過大時，它就可能損壞。為了避免機器設備的這種損耗，我們就必須保證機器避免機器設備的這種損耗，我們就必須保證機器設備具有穩定的輸入源，而這很難靠外力實現，設備具有穩定的輸入源，而這很難靠外力實現，必須在輸電路中設置必須在輸電路中設置穩壓電路穩壓電路。 模擬電子電路的基礎應用模擬電子電路的基礎應用 左邊是兩種常見

25、穩壓器，右邊是無反饋穩左邊是兩種常見穩壓器，右邊是無反饋穩壓電路的結構圖壓電路的結構圖 模擬電子電路的基礎應用模擬電子電路的基礎應用 集成運放應用集成運放應用：我們在平常的學習中常：我們在平常的學習中常常會碰到一些運算比較繁雜的算術運算，常會碰到一些運算比較繁雜的算術運算，而僅僅通過筆和紙是很難算出來的，這而僅僅通過筆和紙是很難算出來的，這就需要我們借助于計算器，運用計算器就需要我們借助于計算器，運用計算器幫我們解決那些繁瑣的運算。幫我們解決那些繁瑣的運算。 但這樣一個小小的電子器件是如何完但這樣一個小小的電子器件是如何完成算術運算的呢？集成運放電路將為我成算術運算的呢？集成運放電路將為我們給

26、出答案。們給出答案。 模擬電子電路的基礎應用模擬電子電路的基礎應用集成運放應用集成運放應用- -加法電路加法電路 模擬電子電路的基礎應用模擬電子電路的基礎應用 上圖中電路中的三個阻值相等，并在上圖中電路中的三個阻值相等，并在電路的輸出端添加反相器，那么輸出的電電路的輸出端添加反相器，那么輸出的電壓就等于輸入電壓之和。壓就等于輸入電壓之和。 如果將輸入電壓與運算值匹配，則該如果將輸入電壓與運算值匹配，則該電路也就實現了最基本的加法運算。集成電路也就實現了最基本的加法運算。集成運算放大電路除了加法運算電路外，還有運算放大電路除了加法運算電路外，還有減法運算電路、乘法運算電路、除法運算減法運算電路、

27、乘法運算電路、除法運算電路和微積分運算電路。電路和微積分運算電路。下圖較形象地描述了這些電路與計算器的關系下圖較形象地描述了這些電路與計算器的關系. .模擬電子電路的基礎應用模擬電子電路的基礎應用數字電路技術數字電路技術 數字電路技術數字電路技術 數字電路的產生和發展是電子技術發展數字電路的產生和發展是電子技術發展的重要標志，數字電路在現代電子技術中占的重要標志，數字電路在現代電子技術中占有十分重要的地位。有十分重要的地位。 由于數字電路比模擬電路具有更多獨特由于數字電路比模擬電路具有更多獨特的優點，因此它在通信、電視、雷達、自動的優點，因此它在通信、電視、雷達、自動控制、電子測量、電子計算機

28、等科學領域都控制、電子測量、電子計算機等科學領域都得到了非常廣泛的應用，數字電路應用的廣得到了非常廣泛的應用，數字電路應用的廣度和深度標志著現代電子技術的發展水平。度和深度標志著現代電子技術的發展水平。數字電路技術數字電路技術模擬電子電路與數字電路的差別模擬電子電路與數字電路的差別。數字電路的基本概念與特征數字電路的基本概念與特征 o用數字信號完成對數字量進行算術運算和邏輯用數字信號完成對數字量進行算術運算和邏輯運算的電路稱為數字電路，或數字系統。由于運算的電路稱為數字電路，或數字系統。由于它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱數數字邏輯電路字邏輯電路。o

29、在數字邏輯中，使用邏輯變量作為基本量，數在數字邏輯中，使用邏輯變量作為基本量，數字邏輯中使用的邏輯變量只能取邏輯字邏輯中使用的邏輯變量只能取邏輯1 1或邏輯或邏輯0 0兩種邏輯值。邏輯變量之間的關系，構成了數兩種邏輯值。邏輯變量之間的關系，構成了數字邏輯系統的基本邏輯關系。字邏輯系統的基本邏輯關系。o數字邏輯電路只能處理代表邏輯變量的電信數字邏輯電路只能處理代表邏輯變量的電信號號數字邏輯信號數字邏輯信號。數字電路分類數字電路分類 o 數字電路按功能來分，有組合邏輯電路和時序邏輯電數字電路按功能來分，有組合邏輯電路和時序邏輯電路；按電路有無集成元器件來分，有分立元件數字電路；按電路有無集成元器件

30、來分，有分立元件數字電路和集成數字電路；按集成電路的集成度進行分類，路和集成數字電路；按集成電路的集成度進行分類，有小規模集成數字電路、中規模集成數字電路、大規有小規模集成數字電路、中規模集成數字電路、大規模集成數字電路和超大規模集成數字電路。模集成數字電路和超大規模集成數字電路。o按照電路所用的器件的不同，數字電路可分為雙極性按照電路所用的器件的不同，數字電路可分為雙極性（晶體三極管型）電路和單極型電路（場效應管型）（晶體三極管型）電路和單極型電路（場效應管型）兩大類。其中雙極型電路常用的類型又有標準型、高兩大類。其中雙極型電路常用的類型又有標準型、高速型、低功耗型、肖特基型、低功耗肖特基型

31、等。速型、低功耗型、肖特基型、低功耗肖特基型等。數字集成電路的基本邏輯電路數字集成電路的基本邏輯電路 數字電路的系統集成數字電路的系統集成，是指把完整的系統，是指把完整的系統功能集成在一塊集成電路芯片中。集成后的系功能集成在一塊集成電路芯片中。集成后的系統滿足所有功能和技術指標，用戶不必再對系統滿足所有功能和技術指標，用戶不必再對系統進行功能和技術指標調試，只要根據使用要統進行功能和技術指標調試，只要根據使用要求附加少量外部元器件，就可以設計應用系統。求附加少量外部元器件，就可以設計應用系統。與或非三種邏輯門與或非三種邏輯門 o非門輸入與輸出信號反向（即輸入為高電平非門輸入與輸出信號反向（即輸

32、入為高電平時輸出為低電平，或輸入為低電平時輸出為時輸出為低電平，或輸入為低電平時輸出為高電平）的數字邏輯電路，叫做高電平）的數字邏輯電路，叫做非門電路非門電路。o非門的輸入與輸出永遠是反向關系。非門的輸入與輸出永遠是反向關系。 與或非三種邏輯門與或非三種邏輯門o與門。所有輸入信號同為高電平時輸出才是高電與門。所有輸入信號同為高電平時輸出才是高電平，否則輸出為低電平，這樣的數字邏輯電路叫平，否則輸出為低電平，這樣的數字邏輯電路叫做與門電路。如有三個輸入信號做與門電路。如有三個輸入信號A A、B B和和C C的數字邏的數字邏輯電路，只有當輯電路，只有當A A、B B和和C C同時為高電平時，電路輸

33、同時為高電平時，電路輸出才是高電平，否則為低電平。出才是高電平，否則為低電平。o這個數字電路叫做這個數字電路叫做與門電路與門電路與或非三種邏輯門與或非三種邏輯門所有輸入信號中，只要有一個信號為高電平，輸所有輸入信號中，只要有一個信號為高電平，輸出就是高電平，這樣的數字邏輯電路叫做或門電出就是高電平，這樣的數字邏輯電路叫做或門電路。如有三個輸入信號路。如有三個輸入信號A A、B B和和C C的數字邏輯電路，的數字邏輯電路，只要只要A A、B B和和C C中有一個為高電平，電路輸出就是高中有一個為高電平，電路輸出就是高電平。這樣的數字邏輯電路所代表的運算關系就電平。這樣的數字邏輯電路所代表的運算關

34、系就是邏輯運算中的或運算，是邏輯運算中的或運算， 數字電路的應用數字電路的應用 組合邏輯電路組合邏輯電路：組合邏輯電路是指用數：組合邏輯電路是指用數字邏輯電路器件所實現的邏輯表達式或字邏輯電路器件所實現的邏輯表達式或真值表。真值表。 組合邏輯電路的特點是電路輸出與電組合邏輯電路的特點是電路輸出與電路原來所處的狀態無關組合邏輯電路的路原來所處的狀態無關組合邏輯電路的基本單元屬于數字邏輯信號處理電路的基本單元屬于數字邏輯信號處理電路的基礎。基礎。 組合邏輯電路的基本電路模塊一般組合邏輯電路的基本電路模塊一般包括數據開關、邏輯表達式組合邏輯、包括數據開關、邏輯表達式組合邏輯、編譯器，以及邏輯函數發生

35、器等。編譯器，以及邏輯函數發生器等。 組合邏輯電路組合邏輯電路 o假如，要設計一個表決器，由三個人來進行表假如，要設計一個表決器，由三個人來進行表決。每人一個按鍵，如果同意則按下，不同意決。每人一個按鍵，如果同意則按下，不同意則不按。結果用指示燈表示，多數同意時指示則不按。結果用指示燈表示，多數同意時指示燈亮，否則不亮。這樣一個簡單的表決器的設燈亮，否則不亮。這樣一個簡單的表決器的設計就會用到組合邏輯電路思想。首先指明邏輯計就會用到組合邏輯電路思想。首先指明邏輯符號的含義，根據題意列出邏輯狀態表，畫出符號的含義，根據題意列出邏輯狀態表，畫出卡諾圖，寫出表達式，然后根據表達式設計出卡諾圖，寫出表

36、達式，然后根據表達式設計出電路。電路。 組合邏輯電路組合邏輯電路 表決器電路設計流程表決器電路設計流程 觸發器和時序邏輯電路觸發器和時序邏輯電路 時序邏輯電路時序邏輯電路是指用數字邏輯電路器件所實現的是指用數字邏輯電路器件所實現的邏輯狀態方程。時序輸出不僅與當前輸入有關，邏輯狀態方程。時序輸出不僅與當前輸入有關，還與電路原來所處狀態有關。還與電路原來所處狀態有關。 時序電路的基本單元是觸發器。時序電路的基本單元是觸發器。常用時序電路有：寄存器、移位寄存器、計數器、常用時序電路有：寄存器、移位寄存器、計數器、序列信號發生器等。序列信號發生器等。o例：設計一個四人搶答電路。四人參加比賽，例：設計一

37、個四人搶答電路。四人參加比賽，每人一個按鈕，其中一人按下按鈕后，相應每人一個按鈕，其中一人按下按鈕后，相應的指示燈亮。并且，其它鈕再按下的指示燈亮。并且，其它鈕再按下, ,不起作用。不起作用。該電路的核心就是該電路的核心就是74LS17574LS175四四D D觸發器。觸發器。3.4 集成電路技術集成電路技術 o集成電路概述集成電路概述 o集成電路的分類集成電路的分類 o集成電路設計流程集成電路設計流程 集成電路概述集成電路概述 集成電路（集成電路（Integrated CircuitIntegrated Circuit）是一種微型電子器件或部件。是一種微型電子器件或部件。 采用一定的工藝，把

38、一個電路中采用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，然后封裝在一個管殼內，成基片上，然后封裝在一個管殼內，成為具有所需電路功能的微型結構。為具有所需電路功能的微型結構。 集成電路特點集成電路特點o集成電路集成電路具有體積小、重量輕、引出線和焊具有體積小、重量輕、引出線和焊接點少、壽命長、可靠性高、性能好等優點，接點少、壽命長、可靠性高、性能好等優點，同時成本低，便于大規模生產。同時成本低，便于大規模生產。o它不

39、僅在工、民用電子設備如收錄機、電視它不僅在工、民用電子設備如收錄機、電視機、計算機等方面得到廣泛的應用；同時在機、計算機等方面得到廣泛的應用；同時在軍事、通訊、遙控等方面也得到廣泛的應用。軍事、通訊、遙控等方面也得到廣泛的應用。o用集成電路來裝配電子設備，其裝配密度比用集成電路來裝配電子設備，其裝配密度比晶體管可提高幾十倍至幾千倍，設備的穩定晶體管可提高幾十倍至幾千倍，設備的穩定工作時間也可大大提高。工作時間也可大大提高。 集成電路的發展集成電路的發展o自自19581958年第一塊集成元件問世以來，集成電路已經跨越年第一塊集成元件問世以來，集成電路已經跨越了小、中、大、超大、特大、巨大規模幾個

40、臺階，集成了小、中、大、超大、特大、巨大規模幾個臺階，集成度平均每度平均每2 2年提高近年提高近3 3倍。隨著集成度的提高，器件尺寸倍。隨著集成度的提高，器件尺寸不斷減小。不斷減小。o19851985年，年，1 1兆位兆位ULSIULSI的集成度達到的集成度達到200200萬個元件，器件萬個元件，器件條寬僅為條寬僅為1 1微米；微米；19921992年，年，1616兆位的芯片集成度達到了兆位的芯片集成度達到了32003200萬個元件，條寬減到萬個元件，條寬減到0.50.5微米，而后的微米，而后的6464兆位芯片，兆位芯片，其條寬僅為其條寬僅為0.30.3微米。微米。 集成電路的發展集成電路的發

41、展下表為集成電路的發展規模和元件的集成度。下表為集成電路的發展規模和元件的集成度。 集成電路的發展集成電路的發展 集成電路制造技術的發展日新月異，其集成電路制造技術的發展日新月異，其中最具有代表性的集成電路芯片主要包中最具有代表性的集成電路芯片主要包括以下幾類，它們構成了現代數字系統括以下幾類，它們構成了現代數字系統的基石。的基石。集成電路的分類集成電路的分類 o按按功能結構功能結構分類：集成電路按其功能、結構的分類：集成電路按其功能、結構的不同，可以分為模擬集成電路、數字集成電路不同，可以分為模擬集成電路、數字集成電路和數和數/ /模混合集成電路三大類。模混合集成電路三大類。o模擬集成電路又

42、稱線性電路模擬集成電路又稱線性電路, ,用來產生、放大和用來產生、放大和處理各種模擬信號（指幅度隨時間邊疆變化的處理各種模擬信號（指幅度隨時間邊疆變化的信號。信號。o例如半導體收音機的音頻信號、錄放機的磁帶例如半導體收音機的音頻信號、錄放機的磁帶信號等），其輸入信號和輸出信號成比例關系。信號等），其輸入信號和輸出信號成比例關系。o數字集成電路用來產生、放大和處理各種數字數字集成電路用來產生、放大和處理各種數字信號（指在時間上和幅度上離散取值的信號。信號（指在時間上和幅度上離散取值的信號。o例如例如VCDVCD、DVDDVD重放的音頻信號和視頻信號）。重放的音頻信號和視頻信號）。集成電路的分類集

43、成電路的分類 o按按制作工藝制作工藝分類。集成電路按制作工藝可分分類。集成電路按制作工藝可分為半導體集成電路和薄膜集成電路。膜集成為半導體集成電路和薄膜集成電路。膜集成電路又分為厚膜集成電路和薄膜集成電路。電路又分為厚膜集成電路和薄膜集成電路。集成電路的分類集成電路的分類o按按集成度的高低集成度的高低分類。集成電路按集分類。集成電路按集成度高低的不同可分為小規模集成電成度高低的不同可分為小規模集成電路、中規模集成電路、大規模集成電路、中規模集成電路、大規模集成電路、超大規模集成電路、特大規模集路、超大規模集成電路、特大規模集成電路和巨大規模集成電路。成電路和巨大規模集成電路。集成電路的分類集成

44、電路的分類o按按導電類型的不同導電類型的不同分類。集成電分類。集成電路按導電類型可分為雙極型集成路按導電類型可分為雙極型集成電路和單極型集成電路電路和單極型集成電路, ,他們都他們都是數字集成電路。是數字集成電路。集成電路的分類集成電路的分類o按按用途用途分類。集成電路按用途可分為電分類。集成電路按用途可分為電視機用集成電路、音響用集成電路、影視機用集成電路、音響用集成電路、影碟機用集成電路、錄像機用集成電路、碟機用集成電路、錄像機用集成電路、電腦（微機）用集成電路、電子琴用集電腦（微機）用集成電路、電子琴用集成電路、通信用集成電路、照相機用集成電路、通信用集成電路、照相機用集成電路、遙控集成

45、電路、語言集成電路、成電路、遙控集成電路、語言集成電路、報警器用集成電路及各種專用集成電路報警器用集成電路及各種專用集成電路。集成電路的分類集成電路的分類o按按應用領域應用領域分。集成電路按應用領域可分。集成電路按應用領域可分為標準通用集成電路和專用集成電路。分為標準通用集成電路和專用集成電路。集成電路的分類集成電路的分類o按外形分。集成電路按外形可分為圓形按外形分。集成電路按外形可分為圓形( (金屬外殼晶體管封裝型，一般適合用于金屬外殼晶體管封裝型，一般適合用于大功率大功率) )、扁平型、扁平型( (穩定性好穩定性好, ,體積小體積小) )和和雙列直插型。雙列直插型。 集成電路設計流程集成電

46、路設計流程 集成電路是微電子技術的核心，具有集成電路是微電子技術的核心，具有體積小，重量輕，引出線和焊接點少，體積小，重量輕，引出線和焊接點少，壽命長，可靠性高，性能好等優點，同壽命長，可靠性高，性能好等優點，同時成本低，便于大規模生產。時成本低，便于大規模生產。 它不僅在軍事、通訊、遙控等方面得它不僅在軍事、通訊、遙控等方面得到廣泛的應用，而且在工業、民用電子到廣泛的應用，而且在工業、民用電子設備，如收錄音機、電視機、計算機等設備，如收錄音機、電視機、計算機等方面也得到廣泛的應用。方面也得到廣泛的應用。o在在通信技術領域通信技術領域，大容量的交換機需要高速工作的集，大容量的交換機需要高速工作

47、的集成電路作中央處理，不計其數的用戶終端都需要集成成電路作中央處理，不計其數的用戶終端都需要集成電路芯片。數字通信網絡和系統需要使用大量的集成電路芯片。數字通信網絡和系統需要使用大量的集成電路如電路如ADAD、DADA轉換器、乘法器、移位寄存器、濾波轉換器、乘法器、移位寄存器、濾波器、存儲器和編解碼器等。器、存儲器和編解碼器等。o在在信號處理技術信號處理技術中，例如調制和解凋、語音處理、圖中，例如調制和解凋、語音處理、圖象處理和識別、波形分析、控制信號處理等各方面近象處理和識別、波形分析、控制信號處理等各方面近年來都成為集成電路特別是專用集成電路應用的重要年來都成為集成電路特別是專用集成電路應

48、用的重要領域。例如，專用的數字信號處理器領域。例如，專用的數字信號處理器DSPDSP，就是把特，就是把特定的快速數子信號處理算法用硬件實現，用于特定的定的快速數子信號處理算法用硬件實現，用于特定的電子設備中電子設備中。集成電路設計要求集成電路設計要求第一，第一，功能正確功能正確，并在第一次投片流水后就，并在第一次投片流水后就能達到設計要求；能達到設計要求；第二，第二，電學性能經過優化電學性能經過優化，特別是在速度和，特別是在速度和功耗方面達到原定指標；功耗方面達到原定指標；第三，第三，芯片面積盡可能小芯片面積盡可能小，以降低制造成本；，以降低制造成本；第四，第四，設計的可靠性設計的可靠性，在工

49、藝制造允許的誤，在工藝制造允許的誤差范圍內仍能正確工作；差范圍內仍能正確工作；第五，在制造過程中和完成后第五，在制造過程中和完成后能夠全面和快能夠全面和快速的進行測試速的進行測試。集成電路設計流程集成電路設計流程 第一步，第一步，系統描述系統描述，包括明確系統，包括明確系統功能和性能要求，確定芯片尺寸、工功能和性能要求，確定芯片尺寸、工作速度和功耗等，它是一個綜合說明；作速度和功耗等，它是一個綜合說明； 第二步，第二步，功能設計功能設計，包括算法，包括算法的確定和功能框圖的設計，常用時序的確定和功能框圖的設計，常用時序圖解或模塊關系圖解來改進整個設計圖解或模塊關系圖解來改進整個設計過程；過程；

50、 第三步，第三步，邏輯設計邏輯設計，利用文本、原理圖或邏，利用文本、原理圖或邏輯圖及布爾方程表示邏輯結構來進行設計，并對輯圖及布爾方程表示邏輯結構來進行設計，并對邏輯結構進行模擬驗證和優化；邏輯結構進行模擬驗證和優化； 第四步，第四步，電路設計電路設計，綜合考慮邏輯部件的電，綜合考慮邏輯部件的電路實現，并用詳細的電路圖來表示電路設計；路實現，并用詳細的電路圖來表示電路設計； 第五步，第五步，版圖設計版圖設計，就是把元件和元件的連，就是把元件和元件的連接轉換成幾何表示，且必須符合與制造工藝有關接轉換成幾何表示，且必須符合與制造工藝有關的設計規則要求；的設計規則要求； 第六步，第六步，設計驗證設計

51、驗證，主要是為了確保版圖滿，主要是為了確保版圖滿足制作工藝要求和符合系統設計的規范；足制作工藝要求和符合系統設計的規范； 第七步，第七步，模擬和仿真模擬和仿真，把有關數據進行虛擬，把有關數據進行虛擬環境下的模擬和仿真，以檢查系統的正確性，以環境下的模擬和仿真，以檢查系統的正確性，以便對系統進行快速改進和優化；便對系統進行快速改進和優化； 第八步，第八步，制造制造，包括硅片準備、雜質注入、，包括硅片準備、雜質注入、擴散、光刻和外延等工藝，通過這些工藝在硅片擴散、光刻和外延等工藝，通過這些工藝在硅片上上 形成所需的電路或系統；形成所需的電路或系統； 最后，最后，封裝和測試封裝和測試，除去測試不合格

52、的芯，除去測試不合格的芯片。片。 實際設計可能會在某個步驟或幾個步驟間實際設計可能會在某個步驟或幾個步驟間反復進行，若采用計算機軟件設計的方法，可以反復進行，若采用計算機軟件設計的方法，可以減少設計時間，實現高效率的設計。減少設計時間，實現高效率的設計。集成電路芯片制造工藝集成電路芯片制造工藝 o氧化工藝氧化工藝 o摻雜工藝摻雜工藝 o光刻工藝光刻工藝 o刻蝕工藝刻蝕工藝 氧化工藝氧化工藝 在室溫下，硅在空氣中暴露會被氧在室溫下，硅在空氣中暴露會被氧化而在表面上形成氧化膜，氧化膜相當化而在表面上形成氧化膜，氧化膜相當致密，能阻止更多氧原子通過它繼續氧致密，能阻止更多氧原子通過它繼續氧化，從而對

53、某些雜質起到掩蔽作用。這化，從而對某些雜質起到掩蔽作用。這種二氧化硅膜不但能緊緊依附在硅襯底種二氧化硅膜不但能緊緊依附在硅襯底上，而且具有極其穩定的化學性和電絕上，而且具有極其穩定的化學性和電絕緣性。利用這些特點，人們制備各種二緣性。利用這些特點，人們制備各種二氧化硅來用作器件的保護層和鈍化層、氧化硅來用作器件的保護層和鈍化層、絕緣材料和電容器的介質膜等。絕緣材料和電容器的介質膜等。摻雜工藝摻雜工藝 摻雜是將需要的雜質摻入特定的半導摻雜是將需要的雜質摻入特定的半導體區域中，以達到改變半導體電學性質，體區域中，以達到改變半導體電學性質，形成形成PNPN結、電阻、晶體管等。在集成電結、電阻、晶體管

54、等。在集成電路生產中，常用的雜質元素為硼、磷、路生產中，常用的雜質元素為硼、磷、砷等，摻雜工藝主要包括擴散和離子注砷等，摻雜工藝主要包括擴散和離子注入技術。入技術。光刻工藝光刻工藝 光刻工藝光刻工藝就是利用光敏的抗蝕涂層發生光化學反應，就是利用光敏的抗蝕涂層發生光化學反應，按照確定的版圖圖形，結合刻蝕方法在各種薄膜上按照確定的版圖圖形，結合刻蝕方法在各種薄膜上（如（如SiO2SiO2等絕緣膜和各種金屬膜）制備出合乎要求的等絕緣膜和各種金屬膜）制備出合乎要求的電路圖形，包括形成金屬電極和布線、表面鈍化以及電路圖形，包括形成金屬電極和布線、表面鈍化以及實現選擇性摻雜。實現選擇性摻雜。 由于集成電路

55、有一定的空間結構，需多次使用光刻，由于集成電路有一定的空間結構，需多次使用光刻，所以氧化工藝與光刻工藝的結合構成了整個平面工藝所以氧化工藝與光刻工藝的結合構成了整個平面工藝的基礎。目前用于研究和生產的光刻技術有接觸光刻、的基礎。目前用于研究和生產的光刻技術有接觸光刻、接近光刻、投影光刻、電子束光刻四種。接近光刻、投影光刻、電子束光刻四種。 光刻工藝光刻工藝第一步，第一步，清洗表層清洗表層；第二步，；第二步，涂甩光刻膠涂甩光刻膠；第三步，第三步，烘干烘干； 第四步，第四步，曝光曝光；第五步，第五步，顯影顯影； 第六步，第六步，堅膜堅膜；第七步，第七步，腐蝕腐蝕； 最后，最后，去膠去膠。 刻蝕工藝

56、刻蝕工藝 光刻方法制成的光刻膠的微圖形結構，只能光刻方法制成的光刻膠的微圖形結構，只能給出成電路的形貌，并不是真正的器件結構。給出成電路的形貌，并不是真正的器件結構。為獲得器件的結構必須把光刻膠的圖形轉移到為獲得器件的結構必須把光刻膠的圖形轉移到光刻膠下面的各層材料上面去。光刻膠下面的各層材料上面去。 刻蝕的刻蝕的主要內容主要內容就是把經曝光、顯影后光刻膠就是把經曝光、顯影后光刻膠微圖形中下層材料的裸露部分去掉，即在下層微圖形中下層材料的裸露部分去掉，即在下層材料上重現與光刻膠相同的圖形。材料上重現與光刻膠相同的圖形。 主要方法有兩種主要方法有兩種：濕法刻蝕濕法刻蝕和和干法刻蝕干法刻蝕。3.5

57、 微電子系統設計微電子系統設計 o設計方法分類設計方法分類 o門陣列門陣列o可編程陣列邏輯（可編程陣列邏輯（PALPAL） o通用陣列邏輯（通用陣列邏輯（GALGAL） o現場可編程門陣列（現場可編程門陣列（FPGAFPGA） o專用集成電路（專用集成電路（ASICASIC） o SoC SoC設計設計微電子系統設計微電子系統設計o 微電子系統中最具代表性的設計是微處理器微電子系統中最具代表性的設計是微處理器的設計。的設計。微處理器微處理器就是把計算機的中央處理單就是把計算機的中央處理單元用大規模集成電路工藝制造在一塊硅片上。元用大規模集成電路工藝制造在一塊硅片上。這種芯片可以按程序工作以這種

58、芯片可以按程序工作以實現一系列復雜的實現一系列復雜的功能功能，處理各種信息處理各種信息。 它的出現把龐大的計算機體積降低了一千它的出現把龐大的計算機體積降低了一千萬倍，甚至更高，而速度卻提高了幾千萬倍。萬倍，甚至更高，而速度卻提高了幾千萬倍。它的出現使微型計算機迅速進入家庭，使信息它的出現使微型計算機迅速進入家庭，使信息技術爆炸并滲透到人類社會的每一個領域。技術爆炸并滲透到人類社會的每一個領域。 微電子系統的發展微電子系統的發展o2020世紀世紀7070年代出現了第一代集成電路設計年代出現了第一代集成電路設計自動化系統，即計算機輔助設計自動化系統，即計算機輔助設計CADCAD系統，系統，該系統

59、使設計人員擺脫了繁復、易出錯誤該系統使設計人員擺脫了繁復、易出錯誤的手工畫圖，大大提高了效率；的手工畫圖，大大提高了效率；o2020世紀世紀8080年代出現了第二代設計自動化系年代出現了第二代設計自動化系統，稱為計算機輔助工程統，稱為計算機輔助工程CAECAE系統，這個系統，這個比較完整的系統大大減輕了版圖設計的工比較完整的系統大大減輕了版圖設計的工作量；作量；o進入進入2020世紀世紀9090年代，芯片的復雜度越來越年代，芯片的復雜度越來越高，采用硬件描述語言高，采用硬件描述語言HDLHDL的設計方法應的設計方法應運而生，于是出現了第三代設計自動化系運而生，于是出現了第三代設計自動化系統統E

60、DAEDA，其特點是高層次設計的自動化。，其特點是高層次設計的自動化。o引入了硬件描述語言和行為綜合與邏輯綜引入了硬件描述語言和行為綜合與邏輯綜合工具，采用層次化方法進行管理，大大合工具，采用層次化方法進行管理，大大提高了處理復雜設計的能力，與此同時，提高了處理復雜設計的能力，與此同時，芯片的面積、速度、功耗都能獲得極大的芯片的面積、速度、功耗都能獲得極大的優化，設計所花時間大大縮短，因而優化，設計所花時間大大縮短，因而EDAEDA系統迅速得到推廣應用。系統迅速得到推廣應用。設計方法分類設計方法分類1 1）全定制設計方法）全定制設計方法2 2）半定制設計方法）半定制設計方法3 3）可編程邏輯器