电子信息工程概论课件第三章

1、第三章第三章电子技术电子技术 基础与应用基础与应用目录目录3.1 电路基础电路基础3.2 模拟电子线路技术模拟电子线路技术3.3 数字电路技术数字电路技术3.4 集成电路技术集成电路技术3.5 微电子系统设计微电子系统设计3.1电路基础电路基础 电路（电路（Electrical circuitElectrical circuit）：是由）：是由电气设备电气设备和和元器元器件件，按一定方式联接起来，为电荷流通提供了路径的，按一定方式联接起来，为电荷流通提供了路径的总体，也叫总体，也叫电子线路电子线路或称或称电气回路电气回路。 如电阻、电容、电感、二极管、三极管和开关等，如电阻、电容、电感、二极管

2、、三极管和开关等，构成的网络。电路规模的大小，可以小到硅片上的集构成的网络。电路规模的大小，可以小到硅片上的集成电路，大到高低压输电网。根据所处理信号的不同，成电路，大到高低压输电网。根据所处理信号的不同，电子电路可以分为电子电路可以分为模拟电路模拟电路和和数字电路数字电路。 模拟电路定义模拟电路定义 模拟电路（模拟电路（Analog CircuitAnalog Circuit）：是处理连续性：是处理连续性电信号（电压、电流）的电路。电信号（电压、电流）的电路。 其典型电路有：放大电路、振荡电路、线其典型电路有：放大电路、振荡电路、线性运算电路（加法、减法、乘法、除法、微性运算电路（加法、减法

3、、乘法、除法、微分和积分电路）。分和积分电路）。数字电路定义数字电路定义数字电路（数字电路（Digital circuitDigital circuit）：是以二值数字：是以二值数字逻辑为基础，其工作信号是离散的数字信号。逻辑为基础，其工作信号是离散的数字信号。电路中的电子晶体管工作于开关状态，时而导电路中的电子晶体管工作于开关状态，时而导通，时而截止。通，时而截止。典型电路有，振荡器、寄存器、加法器、减法器等。典型电路有，振荡器、寄存器、加法器、减法器等。电路和电路模型电路和电路模型 电路是电流的流通路径电路是电流的流通路径 。电路的基本。电路的基本功能是实现电能的传输和分配或者电信号功能是

4、实现电能的传输和分配或者电信号的产生、的产生、 传输、传输、 处理加工及利用。处理加工及利用。 电路实物模型：电路实物模型：电路和电路模型电路和电路模型 我们已经知道一个最基本的电路必须包含我们已经知道一个最基本的电路必须包含三项要素：电源、负载、和导线。三项要素：电源、负载、和导线。 实际电路在运行过程中的表现却相当复杂，实际电路在运行过程中的表现却相当复杂，如图中电路的电池和灯泡要在数学上精确描如图中电路的电池和灯泡要在数学上精确描述却十分困难。述却十分困难。 为了用数学的方法从理论上判断电路为了用数学的方法从理论上判断电路的主要性能，必须对实际器件在一定条件的主要性能，必须对实际器件在一

5、定条件下，忽略其次要性质，按其主要性质加以下，忽略其次要性质，按其主要性质加以理想化，从而得到一系列理想化元件。理想化，从而得到一系列理想化元件。电路中最常用的三个理想元件电路中最常用的三个理想元件图3-1电路常用理想元件 所谓电路模型，就是把实际电路的本所谓电路模型，就是把实际电路的本质抽象出来所构成的理想化了的电路。将质抽象出来所构成的理想化了的电路。将电路模型用规定的理想元件符号画在平面电路模型用规定的理想元件符号画在平面上形成的图形称作电路图。上形成的图形称作电路图。 电路模型电路模型 电源电源是电路中极其重要的一个电路元件，它是电路中极其重要的一个电路元件，它不仅仅是指大家所熟悉电池

6、、发电机之类的电源，不仅仅是指大家所熟悉电池、发电机之类的电源，还包括信号源等。按其是否依靠外部能源可分为还包括信号源等。按其是否依靠外部能源可分为独立电源独立电源和和非独立电源非独立电源两类。两类。电源电源 独立电源独立电源又可分为又可分为独立电压源独立电压源和和独立电独立电流源流源两种。电压源和电流源都是从实际电源抽两种。电压源和电流源都是从实际电源抽象得到的电路模型，它们是象得到的电路模型，它们是二端有源元件二端有源元件。独立电源独立电源受控电源受控电源 受控（电）源又称受控（电）源又称“非独立非独立”电源。电源。 电压控制电压源（电压控制电压源（VCVSVCVS） 电压控制电流源（电压

7、控制电流源（VCCSVCCS） 电流控制电压源（电流控制电压源（CCVSCCVS） 电流控制电流源（电流控制电流源（CCCSCCCS）受控电源受控电源基尔霍夫定律基尔霍夫定律 18451845年，德国人年，德国人G.R.G.R.基尔霍夫提出集总参数电路中流基尔霍夫提出集总参数电路中流入节点的各电流和回路各电压的固有关系的法则入节点的各电流和回路各电压的固有关系的法则 基尔霍夫定律基尔霍夫定律：如果将电路中各个支路的电流和支路：如果将电路中各个支路的电流和支路电压作为变量来看，这些变量受到两类约束。电压作为变量来看，这些变量受到两类约束。 一类是元件的特性造成的约束一类是元件的特性造成的约束;

8、; 另一类约束是由于元件的相互连接给支路电流之间或支另一类约束是由于元件的相互连接给支路电流之间或支路电压之间带来的约束关系，有时称为路电压之间带来的约束关系，有时称为“几何几何”约束约束或或“拓扑拓扑”约束约束， 基尔霍夫电流定律（基尔霍夫电流定律（KCLKCL） 基尔霍夫电流定律（基尔霍夫电流定律（KCLKCL）：“在集总电路中，在集总电路中，任何时刻，对任一结点，所有流出结点的支路任何时刻，对任一结点，所有流出结点的支路电流的代数和恒等于零电流的代数和恒等于零”。 对任一结点有对任一结点有: : 0i 基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律（KVLKVL） 基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律

9、（KVLKVL）指出）指出：“在在集总电路中，任何时刻，沿任一回路，集总电路中，任何时刻，沿任一回路，所有的支路电压的代数和恒等于零所有的支路电压的代数和恒等于零”。所以，沿任一回路有：所以，沿任一回路有： 0u 电路中常用定理电路中常用定理 o叠加定理 o戴维南定理 o诺顿定理 叠加定理叠加定理 叠加定理叠加定理：线性电路中，两个或两个以上：线性电路中，两个或两个以上独立电源同时作用产生的效应，等于每个独独立电源同时作用产生的效应，等于每个独立电源单独作用产生的效应之和；立电源单独作用产生的效应之和； 在考虑某独立电源单独作用时，其它独立在考虑某独立电源单独作用时，其它独立电源以其内阻代替，

10、但所有非独立电源则仍电源以其内阻代替，但所有非独立电源则仍应保留。应保留。 戴维南定理戴维南定理 戴维南定理：戴维南定理：任何有源线性二端网络，可用一个任何有源线性二端网络，可用一个恒压源串联一个等效阻抗来代替。该恒压源的电恒压源串联一个等效阻抗来代替。该恒压源的电动势，等于二端网络的开路电压（断开负载）；动势，等于二端网络的开路电压（断开负载）；而等效阻抗则等于网络中的各独立电源用其内阻而等效阻抗则等于网络中的各独立电源用其内阻替代后，在二输出端呈现的阻抗。替代后，在二输出端呈现的阻抗。 经此等效后所得的网络，可称为原网络经此等效后所得的网络，可称为原网络的戴维南等效电路或电压源的等效电路。

11、的戴维南等效电路或电压源的等效电路。 诺顿定理诺顿定理 诺顿定理诺顿定理：任何有源线性二端网络，可用：任何有源线性二端网络，可用一个恒流源并联一个等效阻抗来代替。该恒一个恒流源并联一个等效阻抗来代替。该恒流源的电流等于二端网络的短路电流，而等流源的电流等于二端网络的短路电流，而等效阻抗则等于二端网络中各独立电源用其内效阻抗则等于二端网络中各独立电源用其内阻替代后在二输出端呈现的阻抗。阻替代后在二输出端呈现的阻抗。 模拟电子线路技术模拟电子线路技术 电子技术是十九世纪末、二十世纪初开电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，

12、应用最广泛，成为近代科学技术发展的速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。一个重要标志。 电子技术已应用到社会的方方面面，并极大电子技术已应用到社会的方方面面，并极大地促进了社会的发展。然而，无论是小到地促进了社会的发展。然而，无论是小到纳米级纳米级的电子芯片的电子芯片还是大到几还是大到几十吨的航天器材十吨的航天器材。其功能。其功能电路的组成都离不开电子技术的基本元器件。已电路的组成都离不开电子技术的基本元器件。已由分立的电子器件的组合向由分立的电子器件的组合向集成化集成化和和模块化模块化的方的方向发展。向发展。模拟电子线路技术模拟电子线路技术 半导体概述半导体概述 在自然界，物质

13、按其导电性可分为在自然界，物质按其导电性可分为导体导体、半导体半导体和和绝缘体绝缘体。 其中导电性能很强的，如铜、铝、铁等称为导其中导电性能很强的，如铜、铝、铁等称为导体。体。 另一些物质诸如橡皮、胶木、瓷制品等不能导另一些物质诸如橡皮、胶木、瓷制品等不能导电，我们称之为绝缘体。电，我们称之为绝缘体。 还有一些物质，如硅、硒、锗、铟、砷化镓以还有一些物质，如硅、硒、锗、铟、砷化镓以及很多矿石、化合物、硫化物等，它们的导电性能介及很多矿石、化合物、硫化物等，它们的导电性能介于金属导体和绝缘体之间，我们称之为半导体。于金属导体和绝缘体之间，我们称之为半导体。 纯净不掺杂质的半导体称为本征半导体。纯

14、净不掺杂质的半导体称为本征半导体。本征半导体本征半导体 本征半导体中虽然同时存在自由电子和空穴两本征半导体中虽然同时存在自由电子和空穴两种载流子，但种载流子，但数量少数量少，导电能力较差导电能力较差，导电率也难导电率也难以按需要人为控制以按需要人为控制。 若在本征半导体材料中掺入很微量的某种杂若在本征半导体材料中掺入很微量的某种杂质元素，会使其导电性极大地增加，并且随着杂质质元素，会使其导电性极大地增加，并且随着杂质元素掺入量的不同，导电能力也能够加以控制，这元素掺入量的不同，导电能力也能够加以控制，这种半导体称为种半导体称为杂质半导体杂质半导体。 若掺入微量元素是五价元素（如磷），这种若掺入

15、微量元素是五价元素（如磷），这种杂质半导体叫做杂质半导体叫做N N型半导体型半导体；若加入的是三价微量；若加入的是三价微量元素（如硼）则称这种杂质半导体为元素（如硼）则称这种杂质半导体为P P型半导体型半导体。 PNPN结结 将将P P型半导体和型半导体和N N型半导体通过特殊的工艺型半导体通过特殊的工艺结合在一起，则在这两种半导体的交界面会出结合在一起，则在这两种半导体的交界面会出现一个极薄的特殊层（大约只有几个微米），现一个极薄的特殊层（大约只有几个微米），这个薄层就是这个薄层就是PNPN结结。 PNPN结是构成各种半导体器件的基础。结是构成各种半导体器件的基础。半导体二极管半导体二极管

16、半导体二极管半导体二极管是是PNPN结形成后的一个结形成后的一个产物产物，常用实物图如下图，它是组成电子线路重要元常用实物图如下图，它是组成电子线路重要元器件之一，广泛应用于器件之一，广泛应用于整流整流、稳压稳压、限幅限幅、钳钳位位、检波检波、续流续流等。等。半导体二极管的类型半导体二极管的类型 半导体二极管的类型很多。半导体二极管的类型很多。 按材料分按材料分，二极管可分为硅二极管和锗二，二极管可分为硅二极管和锗二极管；极管；按内部结构分按内部结构分，二极管可分为点接触、面，二极管可分为点接触、面接触和平面型等类型；接触和平面型等类型；按用途分按用途分，二极管又可分，二极管又可分为整流二极管

17、、稳压二极管、检波二极管、发光为整流二极管、稳压二极管、检波二极管、发光二极管、开关二极管等。二极管、开关二极管等。 在实际生活中我们用到较多的二极管是一些在实际生活中我们用到较多的二极管是一些特殊的二极管，下表列出了其中的一部分特殊的二极管，下表列出了其中的一部分。半导体二极管的类型半导体二极管的类型双极性晶体管双极性晶体管 双极性晶体管又称半导体晶体管或双极性三极管。双极性晶体管又称半导体晶体管或双极性三极管。常用三极管实物图如图所示。三极管的一个重要常用三极管实物图如图所示。三极管的一个重要特性就是放大作用，正是此特性使得它在电子线特性就是放大作用，正是此特性使得它在电子线路中的用途非常

18、之大。路中的用途非常之大。双极性晶体管的分类双极性晶体管的分类按按材料材料可分为硅管和锗管；可分为硅管和锗管；按按类型类型可分为平面型和合金型；可分为平面型和合金型；按按工作频率工作频率可分为高频管和低频管；可分为高频管和低频管；按按内部结构内部结构可分为可分为NPNNPN型和型和PNPPNP型；型；按按耗散功率耗散功率不同可分为小功率管和大功率管不同可分为小功率管和大功率管按按使用用途使用用途则可分为：普通管、低噪声则可分为：普通管、低噪声B B管、功率放管、功率放大管、高频管、开关管和达林管等。大管、高频管、开关管和达林管等。NPNNPN型和型和PNPPNP型晶体管的结构和符号图型晶体管的

19、结构和符号图场效应管场效应管 场效应管（场效应管（Field Effect TransistorField Effect Transistor）作为半作为半导体器件中的重要一员，也就是一种通过输入导体器件中的重要一员，也就是一种通过输入信号控制输出电流的器件。信号控制输出电流的器件。 场效应管也是一个具有两个结的半导体三场效应管也是一个具有两个结的半导体三端器件。但场效应管的工作原理与三极管截然端器件。但场效应管的工作原理与三极管截然不同，场效应管是利用改变电场来控制半导体不同，场效应管是利用改变电场来控制半导体载流子运动，而不是象三极管那样用输入电流载流子运动，而不是象三极管那样用输入电流控

20、制结的电场。控制结的电场。 场效应管除了具有双极性场效应管的体积小、场效应管除了具有双极性场效应管的体积小、质量轻、寿命长等优点外，还具有输入阻抗高、质量轻、寿命长等优点外，还具有输入阻抗高、动态范围大、热稳定性能好、抗辐射能力强、动态范围大、热稳定性能好、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。制造工艺简单等优点。 场效应管有场效应管有结型结型和和绝缘绝缘型两大类，即结型型两大类，即结型场效应管和绝缘型场效应管。场效应管和绝缘型场效应管。 每种类型的场效应管都具有每种类型的场效应管都具有栅极栅极、源极源极和和漏极漏极个工作电极。个工作电极。 同时，每种类型的场效应管都由同时，每种类型的场效应管都由

21、沟道沟道和和沟道沟道两种导电结构。两种导电结构。 场效应管场效应管 结型场效应管结型场效应管o 结型场效应管结型场效应管是一种利用半导体内的电场效是一种利用半导体内的电场效应来控制其电流大小的半导体器件。根据结应来控制其电流大小的半导体器件。根据结构的不同，结型场效应管有构的不同，结型场效应管有N N沟道沟道JFETJFET和和P P沟沟道道JFETJFET两种类型。两种类型。 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 与结型场效应管相同与结型场效应管相同: :绝缘栅型场效应管也是利绝缘栅型场效应管也是利用电场控制载流子的工作原理设计而成的。与结用电场控制载流子的工作原理设计而成的。与结型场效应管不同

22、型场效应管不同: :绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管有绝缘栅有绝缘栅，并，并因此而得名。因此而得名。 又因栅极为金属铝，故又称为又因栅极为金属铝，故又称为MOSMOS管管。它的。它的栅栅- -源源间电阻比结型效应管大得多间电阻比结型效应管大得多，还因为它比结型场，还因为它比结型场效应管效应管温度稳定性好温度稳定性好、集成化时工艺简单集成化时工艺简单，而广，而广泛用于大规模和超大规模集成电路之中。泛用于大规模和超大规模集成电路之中。 MOSMOS管的四种类型为：管的四种类型为：N N沟道增强型管沟道增强型管、N N沟道耗沟道耗尽型管尽型管、P P沟道增强型管沟道增强型管和和P P沟道耗尽型管沟道

23、耗尽型管。 几种场效应管的基本结构图和符号几种场效应管的基本结构图和符号 模拟电子电路的基础应用模拟电子电路的基础应用 o 放大电路放大电路：麦克风将人的声音信号转换成电：麦克风将人的声音信号转换成电信号，而电信号经过扩音设备中的放大电路信号，而电信号经过扩音设备中的放大电路放大后，就会输出足够大的信号功率，推动放大后，就会输出足够大的信号功率，推动扬声器发出宏亮的声音。扬声器发出宏亮的声音。 模拟电子电路的基础应用模拟电子电路的基础应用 当天气变化频繁，气温忽高忽低时，人就容易感当天气变化频繁，气温忽高忽低时，人就容易感冒，容易生病。机器设备与人也相似，当它的输入冒，容易生病。机器设备与人也

24、相似，当它的输入电压不稳定，仪器设备的使用寿命就会降低，特别电压不稳定，仪器设备的使用寿命就会降低，特别是对于一些精密的仪器部件，它对输入源的要求更是对于一些精密的仪器部件，它对输入源的要求更高，输入源的波动必须很小。高，输入源的波动必须很小。 当波动稍微过大时，它就可能损坏。为了避免当波动稍微过大时，它就可能损坏。为了避免机器设备的这种损耗，我们就必须保证机器设备具机器设备的这种损耗，我们就必须保证机器设备具有稳定的输入源，而这很难靠外力实现，必须在输有稳定的输入源，而这很难靠外力实现，必须在输电路中设置电路中设置稳压电路稳压电路。 模拟电子电路的基础应用模拟电子电路的基础应用 左边是两种常

25、见稳压器，右边是无反馈稳压左边是两种常见稳压器，右边是无反馈稳压电路的结构图电路的结构图 模拟电子电路的基础应用模拟电子电路的基础应用 集成运放应用集成运放应用：我们在平常的学习中常常：我们在平常的学习中常常会碰到一些运算比较繁杂的算术运算，而仅会碰到一些运算比较繁杂的算术运算，而仅仅通过笔和纸是很难算出来的，这就需要我仅通过笔和纸是很难算出来的，这就需要我们借助于计算器，运用计算器帮我们解决那们借助于计算器，运用计算器帮我们解决那些繁琐的运算。些繁琐的运算。 但这样一个小小的电子器件是如何完成但这样一个小小的电子器件是如何完成算术运算的呢？集成运放电路将为我们给出算术运算的呢？集成运放电路将

26、为我们给出答案。答案。 模拟电子电路的基础应用模拟电子电路的基础应用集成运放应用集成运放应用- -加法电路加法电路 模拟电子电路的基础应用模拟电子电路的基础应用 上图中电路中的三个阻值相等，并在上图中电路中的三个阻值相等，并在电路的输出端添加反相器，那么输出的电电路的输出端添加反相器，那么输出的电压就等于输入电压之和。压就等于输入电压之和。 如果将输入电压与运算值匹配，则该如果将输入电压与运算值匹配，则该电路也就实现了最基本的加法运算。集成电路也就实现了最基本的加法运算。集成运算放大电路除了加法运算电路外，还有运算放大电路除了加法运算电路外，还有减法运算电路、乘法运算电路、除法运算减法运算电路

27、、乘法运算电路、除法运算电路和微积分运算电路。电路和微积分运算电路。下图较形象地描述了这些电路与计算器的关系下图较形象地描述了这些电路与计算器的关系. .模拟电子电路的基础应用模拟电子电路的基础应用数字电路技术数字电路技术 数字电路技术数字电路技术 数字电路的产生和发展是电子技术发展的数字电路的产生和发展是电子技术发展的重要标志，数字电路在现代电子技术中占有十重要标志，数字电路在现代电子技术中占有十分重要的地位。分重要的地位。 由于数字电路比模拟电路具有更多独特的由于数字电路比模拟电路具有更多独特的优点，因此它在通信、电视、雷达、自动控制、优点，因此它在通信、电视、雷达、自动控制、电子测量、电

28、子计算机等科学领域都得到了非电子测量、电子计算机等科学领域都得到了非常广泛的应用，数字电路应用的广度和深度标常广泛的应用，数字电路应用的广度和深度标志着现代电子技术的发展水平。志着现代电子技术的发展水平。数字电路技术数字电路技术模拟电子电路与数字电路的差别模拟电子电路与数字电路的差别。数字电路的基本概念与特征数字电路的基本概念与特征 o 用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路数字逻辑电路

29、。o 在数字逻辑中，使用逻辑变量作为基本量，数字逻在数字逻辑中，使用逻辑变量作为基本量，数字逻辑中使用的逻辑变量只能取逻辑辑中使用的逻辑变量只能取逻辑1 1或逻辑或逻辑0 0两种逻辑两种逻辑值。逻辑变量之间的关系，构成了数字逻辑系统的值。逻辑变量之间的关系，构成了数字逻辑系统的基本逻辑关系。基本逻辑关系。o 数字逻辑电路只能处理代表逻辑变量的电信号数字逻辑电路只能处理代表逻辑变量的电信号数数字逻辑信号字逻辑信号。数字电路分类数字电路分类 o 数字电路按功能来分，有组合逻辑电路和时序逻辑电数字电路按功能来分，有组合逻辑电路和时序逻辑电路；按电路有无集成元器件来分，有分立元件数字电路；按电路有无集

30、成元器件来分，有分立元件数字电路和集成数字电路；按集成电路的集成度进行分类，路和集成数字电路；按集成电路的集成度进行分类，有小规模集成数字电路、中规模集成数字电路、大规有小规模集成数字电路、中规模集成数字电路、大规模集成数字电路和超大规模集成数字电路。模集成数字电路和超大规模集成数字电路。o 按照电路所用的器件的不同，数字电路可分为双极性按照电路所用的器件的不同，数字电路可分为双极性（晶体三极管型）电路和单极型电路（场效应管型）（晶体三极管型）电路和单极型电路（场效应管型）两大类。其中双极型电路常用的类型又有标准型、高两大类。其中双极型电路常用的类型又有标准型、高速型、低功耗型、肖特基型、低功

31、耗肖特基型等。速型、低功耗型、肖特基型、低功耗肖特基型等。数字集成电路的基本逻辑电路数字集成电路的基本逻辑电路 数字电路的系统集成数字电路的系统集成，是指把完整的系统功，是指把完整的系统功能集成在一块集成电路芯片中。集成后的系统满能集成在一块集成电路芯片中。集成后的系统满足所有功能和技术指标，用户不必再对系统进行足所有功能和技术指标，用户不必再对系统进行功能和技术指标调试，只要根据使用要求附加少功能和技术指标调试，只要根据使用要求附加少量外部元器件，就可以设计应用系统。量外部元器件，就可以设计应用系统。与或非三种逻辑门与或非三种逻辑门 o 非门输入与输出信号反向（即输入为高电平时非门输入与输出

32、信号反向（即输入为高电平时输出为低电平，或输入为低电平时输出为高电输出为低电平，或输入为低电平时输出为高电平）的数字逻辑电路，叫做平）的数字逻辑电路，叫做非门电路非门电路。o 非门的输入与输出永远是反向关系。非门的输入与输出永远是反向关系。 与或非三种逻辑门与或非三种逻辑门o 与门。所有输入信号同为高电平时输出才是高电平，与门。所有输入信号同为高电平时输出才是高电平，否则输出为低电平，这样的数字逻辑电路叫做与门电否则输出为低电平，这样的数字逻辑电路叫做与门电路。如有三个输入信号路。如有三个输入信号A A、B B和和C C的数字逻辑电路，只的数字逻辑电路，只有当有当A A、B B和和C C同时为

33、高电平时，电路输出才是高电平，同时为高电平时，电路输出才是高电平，否则为低电平。否则为低电平。o 这个数字电路叫做这个数字电路叫做与门电路与门电路与或非三种逻辑门与或非三种逻辑门所有输入信号中，只要有一个信号为高电平，输所有输入信号中，只要有一个信号为高电平，输出就是高电平，这样的数字逻辑电路叫做或门电出就是高电平，这样的数字逻辑电路叫做或门电路。如有三个输入信号路。如有三个输入信号A A、B B和和C C的数字逻辑电路，的数字逻辑电路，只要只要A A、B B和和C C中有一个为高电平，电路输出就是高中有一个为高电平，电路输出就是高电平。这样的数字逻辑电路所代表的运算关系就电平。这样的数字逻辑

34、电路所代表的运算关系就是逻辑运算中的或运算，是逻辑运算中的或运算， 数字电路的应用数字电路的应用 组合逻辑电路组合逻辑电路：组合逻辑电路是指用数字逻：组合逻辑电路是指用数字逻辑电路器件所实现的逻辑表达式或真值表。辑电路器件所实现的逻辑表达式或真值表。 组合逻辑电路的特点是电路输出与电路组合逻辑电路的特点是电路输出与电路原来所处的状态无关组合逻辑电路的基本单原来所处的状态无关组合逻辑电路的基本单元属于数字逻辑信号处理电路的基础。元属于数字逻辑信号处理电路的基础。 组合逻辑电路的基本电路模块一般包组合逻辑电路的基本电路模块一般包括数据开关、逻辑表达式组合逻辑、编译器，括数据开关、逻辑表达式组合逻辑

35、、编译器，以及逻辑函数发生器等。以及逻辑函数发生器等。 组合逻辑电路组合逻辑电路 o 假如，要设计一个表决器，由三个人来进行表决。假如，要设计一个表决器，由三个人来进行表决。每人一个按键，如果同意则按下，不同意则不按。每人一个按键，如果同意则按下，不同意则不按。结果用指示灯表示，多数同意时指示灯亮，否则不结果用指示灯表示，多数同意时指示灯亮，否则不亮。这样一个简单的表决器的设计就会用到组合逻亮。这样一个简单的表决器的设计就会用到组合逻辑电路思想。首先指明逻辑符号的含义，根据题意辑电路思想。首先指明逻辑符号的含义，根据题意列出逻辑状态表，画出卡诺图，写出表达式，然后列出逻辑状态表，画出卡诺图，写

36、出表达式，然后根据表达式设计出电路。根据表达式设计出电路。 组合逻辑电路组合逻辑电路 表决器电路设计流程表决器电路设计流程 触发器和时序逻辑电路触发器和时序逻辑电路 时序逻辑电路时序逻辑电路是指用数字逻辑电路器件所实现的逻是指用数字逻辑电路器件所实现的逻辑状态方程。时序输出不仅与当前输入有关，还辑状态方程。时序输出不仅与当前输入有关，还与电路原来所处状态有关。与电路原来所处状态有关。 时序电路的基本单元是触发器。时序电路的基本单元是触发器。常用时序电路有：寄存器、移位寄存器、计数器、序常用时序电路有：寄存器、移位寄存器、计数器、序列信号发生器等。列信号发生器等。o 例：设计一个四人抢答电路。四

37、人参加比赛，每例：设计一个四人抢答电路。四人参加比赛，每人一个按钮，其中一人按下按钮后，相应的指示人一个按钮，其中一人按下按钮后，相应的指示灯亮。并且，其它钮再按下灯亮。并且，其它钮再按下, ,不起作用。该电路不起作用。该电路的核心就是的核心就是74LS17574LS175四四D D触发器。触发器。3.4 集成电路技术集成电路技术 o集成电路概述集成电路概述 o集成电路的分类集成电路的分类 o集成电路设计流程集成电路设计流程 集成电路概述集成电路概述 集成电路（集成电路（Integrated CircuitIntegrated Circuit）是一种微型电子器件或部件。是一种微型电子器件或部件

38、。 采用一定的工艺，把一个电路中采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。为具有所需电路功能的微型结构。 集成电路特点集成电路特点o 集成电路集成电路具有体积小、重量轻、引出线和焊接具有体积小、重量轻、引出线和焊接点少、寿命长、可靠性高、性能好等优点，同点少、寿命长、可靠性高、性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。时成本低

39、，便于大规模生产。o 它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用；同时在军事、计算机等方面得到广泛的应用；同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。o 用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。时间也可大大提高。 集成电路的发展集成电路的发展o 自自19581958年第一块集成元件问世以来，集成电路已经跨越年第一块集成元件问世以来，集成电路已经跨越了小、中

40、、大、超大、特大、巨大规模几个台阶，集成了小、中、大、超大、特大、巨大规模几个台阶，集成度平均每度平均每2 2年提高近年提高近3 3倍。随着集成度的提高，器件尺寸倍。随着集成度的提高，器件尺寸不断减小。不断减小。o 19851985年，年，1 1兆位兆位ULSIULSI的集成度达到的集成度达到200200万个元件，器件万个元件，器件条宽仅为条宽仅为1 1微米；微米；19921992年，年，1616兆位的芯片集成度达到了兆位的芯片集成度达到了32003200万个元件，条宽减到万个元件，条宽减到0.50.5微米，而后的微米，而后的6464兆位芯片，兆位芯片，其条宽仅为其条宽仅为0.30.3微米。微

41、米。 集成电路的发展集成电路的发展下表为集成电路的发展规模和元件的集成度。下表为集成电路的发展规模和元件的集成度。 集成电路的发展集成电路的发展 集成电路制造技术的发展日新月异，其中集成电路制造技术的发展日新月异，其中最具有代表性的集成电路芯片主要包括以下最具有代表性的集成电路芯片主要包括以下几类，它们构成了现代数字系统的基石。几类，它们构成了现代数字系统的基石。集成电路的分类集成电路的分类 o 按按功能结构功能结构分类：集成电路按其功能、结构的不分类：集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/ /模混合集成电路三大类。模混

42、合集成电路三大类。o 模拟集成电路又称线性电路模拟集成电路又称线性电路, ,用来产生、放大和处用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间边疆变化的信号。理各种模拟信号（指幅度随时间边疆变化的信号。o 例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等），其输入信号和输出信号成比例关系。号等），其输入信号和输出信号成比例关系。o 数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。o 例如例如VCDVCD、DVDDVD重放的音频信号和视频信号）。重

43、放的音频信号和视频信号）。集成电路的分类集成电路的分类 o 按按制作工艺制作工艺分类。集成电路按制作工艺可分为分类。集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和薄膜集成电路。膜集成电路半导体集成电路和薄膜集成电路。膜集成电路又分为厚膜集成电路和薄膜集成电路。又分为厚膜集成电路和薄膜集成电路。集成电路的分类集成电路的分类o按按集成度的高低集成度的高低分类。集成电路按集分类。集成电路按集成度高低的不同可分为小规模集成电成度高低的不同可分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、特大规模集路、超大规模集成电路、特大规模集成电路和巨大规模集成电路。

44、成电路和巨大规模集成电路。集成电路的分类集成电路的分类o按按导电类型的不同导电类型的不同分类。集成电分类。集成电路按导电类型可分为双极型集成路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路电路和单极型集成电路, ,他们都他们都是数字集成电路。是数字集成电路。集成电路的分类集成电路的分类o 按按用途用途分类。集成电路按用途可分为电视机分类。集成电路按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电路、电脑（微机）成电路、录像机用集成电路、电脑（微机）用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路

45、、照相机用集成电路、遥控集成电路、成电路、照相机用集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电路及各种专语言集成电路、报警器用集成电路及各种专用集成电路用集成电路。集成电路的分类集成电路的分类o 按按应用领域应用领域分。集成电路按应用领域可分为分。集成电路按应用领域可分为标准通用集成电路和专用集成电路。标准通用集成电路和专用集成电路。集成电路的分类集成电路的分类o 按外形分。集成电路按外形可分为圆形按外形分。集成电路按外形可分为圆形( (金金属外壳晶体管封装型，一般适合用于大功属外壳晶体管封装型，一般适合用于大功率率) )、扁平型、扁平型( (稳定性好稳定性好, ,体积小体积小) )和

46、双列直插和双列直插型。型。 集成电路设计流程集成电路设计流程 集成电路是微电子技术的核心，具有体集成电路是微电子技术的核心，具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。于大规模生产。 它不仅在军事、通讯、遥控等方面得到广它不仅在军事、通讯、遥控等方面得到广泛的应用，而且在工业、民用电子设备，如泛的应用，而且在工业、民用电子设备，如收录音机、电视机、计算机等方面也得到广收录音机、电视机、计算机等方面也得到广泛的应用。泛的应用。o 在在通信技术领域通信技术领域，大容量

47、的交换机需要高速工作的集，大容量的交换机需要高速工作的集成电路作中央处理，不计其数的用户终端都需要集成成电路作中央处理，不计其数的用户终端都需要集成电路芯片。数字通信网络和系统需要使用大量的集成电路芯片。数字通信网络和系统需要使用大量的集成电路如电路如ADAD、DADA转换器、乘法器、移位寄存器、滤波转换器、乘法器、移位寄存器、滤波器、存储器和编解码器等。器、存储器和编解码器等。o 在在信号处理技术信号处理技术中，例如调制和解凋、语音处理、图中，例如调制和解凋、语音处理、图象处理和识别、波形分析、控制信号处理等各方面近象处理和识别、波形分析、控制信号处理等各方面近年来都成为集成电路特别是专用集

48、成电路应用的重要年来都成为集成电路特别是专用集成电路应用的重要领域。例如，专用的数字信号处理器领域。例如，专用的数字信号处理器DSPDSP，就是把特，就是把特定的快速数子信号处理算法用硬件实现，用于特定的定的快速数子信号处理算法用硬件实现，用于特定的电子设备中电子设备中。集成电路设计要求集成电路设计要求第一，第一，功能正确功能正确，并在第一次投片流水后就，并在第一次投片流水后就能达到设计要求；能达到设计要求；第二，第二，电学性能经过优化电学性能经过优化，特别是在速度和，特别是在速度和功耗方面达到原定指标；功耗方面达到原定指标；第三，第三，芯片面积尽可能小芯片面积尽可能小，以降低制造成本；，以降

49、低制造成本；第四，第四，设计的可靠性设计的可靠性，在工艺制造允许的误，在工艺制造允许的误差范围内仍能正确工作；差范围内仍能正确工作；第五，在制造过程中和完成后第五，在制造过程中和完成后能够全面和快能够全面和快速的进行测试速的进行测试。集成电路设计流程集成电路设计流程 第一步，第一步，系统描述系统描述，包括明确系统，包括明确系统功能和性能要求，确定芯片尺寸、工功能和性能要求，确定芯片尺寸、工作速度和功耗等，它是一个综合说明；作速度和功耗等，它是一个综合说明； 第二步，第二步，功能设计功能设计，包括算法，包括算法的确定和功能框图的设计，常用时序的确定和功能框图的设计，常用时序图解或模块关系图解来改

50、进整个设计图解或模块关系图解来改进整个设计过程；过程； 第三步，第三步，逻辑设计逻辑设计，利用文本、原理图或逻，利用文本、原理图或逻辑图及布尔方程表示逻辑结构来进行设计，并对辑图及布尔方程表示逻辑结构来进行设计，并对逻辑结构进行模拟验证和优化；逻辑结构进行模拟验证和优化； 第四步，第四步，电路设计电路设计，综合考虑逻辑部件的电，综合考虑逻辑部件的电路实现，并用详细的电路图来表示电路设计；路实现，并用详细的电路图来表示电路设计； 第五步，第五步，版图设计版图设计，就是把元件和元件的连，就是把元件和元件的连接转换成几何表示，且必须符合与制造工艺有关接转换成几何表示，且必须符合与制造工艺有关的设计规

51、则要求；的设计规则要求； 第六步，第六步，设计验证设计验证，主要是为了确保版图满，主要是为了确保版图满足制作工艺要求和符合系统设计的规范；足制作工艺要求和符合系统设计的规范； 第七步，第七步，模拟和仿真模拟和仿真，把有关数据进行虚拟环，把有关数据进行虚拟环境下的模拟和仿真，以检查系统的正确性，以便对境下的模拟和仿真，以检查系统的正确性，以便对系统进行快速改进和优化；系统进行快速改进和优化； 第八步，第八步，制造制造，包括硅片准备、杂质注入、扩，包括硅片准备、杂质注入、扩散、光刻和外延等工艺，通过这些工艺在硅片上散、光刻和外延等工艺，通过这些工艺在硅片上 形成所需的电路或系统；形成所需的电路或系

52、统； 最后，最后，封装和测试封装和测试，除去测试不合格的芯片。，除去测试不合格的芯片。 实际设计可能会在某个步骤或几个步骤间反复实际设计可能会在某个步骤或几个步骤间反复进行，若采用计算机软件设计的方法，可以减少设进行，若采用计算机软件设计的方法，可以减少设计时间，实现高效率的设计。计时间，实现高效率的设计。集成电路芯片制造工艺集成电路芯片制造工艺 o氧化工艺氧化工艺 o掺杂工艺掺杂工艺 o光刻工艺光刻工艺 o刻蚀工艺刻蚀工艺 氧化工艺氧化工艺 在室温下，硅在空气中暴露会被氧化在室温下，硅在空气中暴露会被氧化而在表面上形成氧化膜，氧化膜相当致密，而在表面上形成氧化膜，氧化膜相当致密，能阻止更多氧

53、原子通过它继续氧化，从而对能阻止更多氧原子通过它继续氧化，从而对某些杂质起到掩蔽作用。这种二氧化硅膜不某些杂质起到掩蔽作用。这种二氧化硅膜不但能紧紧依附在硅衬底上，而且具有极其稳但能紧紧依附在硅衬底上，而且具有极其稳定的化学性和电绝缘性。利用这些特点，人定的化学性和电绝缘性。利用这些特点，人们制备各种二氧化硅来用作器件的保护层和们制备各种二氧化硅来用作器件的保护层和钝化层、绝缘材料和电容器的介质膜等。钝化层、绝缘材料和电容器的介质膜等。掺杂工艺掺杂工艺 掺杂是将需要的杂质掺入特定的半导体掺杂是将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成区域中，以达到改变半导体电学性质，形

54、成PNPN结、电阻、晶体管等。在集成电路生产中，结、电阻、晶体管等。在集成电路生产中，常用的杂质元素为硼、磷、砷等，掺杂工艺常用的杂质元素为硼、磷、砷等，掺杂工艺主要包括扩散和离子注入技术。主要包括扩散和离子注入技术。光刻工艺光刻工艺 光刻工艺光刻工艺就是利用光敏的抗蚀涂层发生光化学反应，就是利用光敏的抗蚀涂层发生光化学反应，按照确定的版图图形，结合刻蚀方法在各种薄膜上按照确定的版图图形，结合刻蚀方法在各种薄膜上（如（如SiO2SiO2等绝缘膜和各种金属膜）制备出合乎要求的等绝缘膜和各种金属膜）制备出合乎要求的电路图形，包括形成金属电极和布线、表面钝化以及电路图形，包括形成金属电极和布线、表面

55、钝化以及实现选择性掺杂。实现选择性掺杂。 由于集成电路有一定的空间结构，需多次使用光刻，由于集成电路有一定的空间结构，需多次使用光刻，所以氧化工艺与光刻工艺的结合构成了整个平面工艺所以氧化工艺与光刻工艺的结合构成了整个平面工艺的基础。目前用于研究和生产的光刻技术有接触光刻、的基础。目前用于研究和生产的光刻技术有接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻四种。接近光刻、投影光刻、电子束光刻四种。 光刻工艺光刻工艺第一步，第一步，清洗表层清洗表层；第二步，；第二步，涂甩光刻胶涂甩光刻胶；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，显影显影； 第六步，第六步，坚膜坚膜；第七步

56、，第七步，腐蚀腐蚀； 最后，最后，去胶去胶。 刻蚀工艺刻蚀工艺 光刻方法制成的光刻胶的微图形结构，只能给光刻方法制成的光刻胶的微图形结构，只能给出成电路的形貌，并不是真正的器件结构。为获出成电路的形貌，并不是真正的器件结构。为获得器件的结构必须把光刻胶的图形转移到光刻胶得器件的结构必须把光刻胶的图形转移到光刻胶下面的各层材料上面去。下面的各层材料上面去。 刻蚀的刻蚀的主要内容主要内容就是把经曝光、显影后光刻胶微就是把经曝光、显影后光刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉，即在下层材料图形中下层材料的裸露部分去掉，即在下层材料上重现与光刻胶相同的图形。上重现与光刻胶相同的图形。 主要方法有两种主要方

57、法有两种：湿法刻蚀湿法刻蚀和和干法刻蚀干法刻蚀。3.5 微电子系统设计微电子系统设计 o 设计方法分类设计方法分类 o 门阵列门阵列o 可编程阵列逻辑（可编程阵列逻辑（PALPAL） o 通用阵列逻辑（通用阵列逻辑（GALGAL） o 现场可编程门阵列（现场可编程门阵列（FPGAFPGA） o 专用集成电路（专用集成电路（ASICASIC） o SoCSoC设计设计微电子系统设计微电子系统设计o 微电子系统中最具代表性的设计是微处理器的微电子系统中最具代表性的设计是微处理器的设计。设计。微处理器微处理器就是把计算机的中央处理单元用大就是把计算机的中央处理单元用大规模集成电路工艺制造在一块硅片上

58、。这种芯片可规模集成电路工艺制造在一块硅片上。这种芯片可以按程序工作以以按程序工作以实现一系列复杂的功能实现一系列复杂的功能，处理各种处理各种信息信息。 它的出现把庞大的计算机体积降低了一千万它的出现把庞大的计算机体积降低了一千万倍，甚至更高，而速度却提高了几千万倍。它的出倍，甚至更高，而速度却提高了几千万倍。它的出现使微型计算机迅速进入家庭，使信息技术爆炸并现使微型计算机迅速进入家庭，使信息技术爆炸并渗透到人类社会的每一个领域。渗透到人类社会的每一个领域。 微电子系统的发展微电子系统的发展o2020世纪世纪7070年代出现了第一代集成电路设计年代出现了第一代集成电路设计自动化系统，即计算机辅

59、助设计自动化系统，即计算机辅助设计CADCAD系统，系统，该系统使设计人员摆脱了繁复、易出错误该系统使设计人员摆脱了繁复、易出错误的手工画图，大大提高了效率；的手工画图，大大提高了效率；o2020世纪世纪8080年代出现了第二代设计自动化系年代出现了第二代设计自动化系统，称为计算机辅助工程统，称为计算机辅助工程CAECAE系统，这个系统，这个比较完整的系统大大减轻了版图设计的工比较完整的系统大大减轻了版图设计的工作量；作量；o进入进入2020世纪世纪9090年代，芯片的复杂度越来越年代，芯片的复杂度越来越高，采用硬件描述语言高，采用硬件描述语言HDLHDL的设计方法应的设计方法应运而生，于是出

60、现了第三代设计自动化系运而生，于是出现了第三代设计自动化系统统EDAEDA，其特点是高层次设计的自动化。，其特点是高层次设计的自动化。o引入了硬件描述语言和行为综合与逻辑综引入了硬件描述语言和行为综合与逻辑综合工具，采用层次化方法进行管理，大大合工具，采用层次化方法进行管理，大大提高了处理复杂设计的能力，与此同时，提高了处理复杂设计的能力，与此同时，芯片的面积、速度、功耗都能获得极大的芯片的面积、速度、功耗都能获得极大的优化，设计所花时间大大缩短，因而优化，设计所花时间大大缩短，因而EDAEDA系统迅速得到推广应用。系统迅速得到推广应用。设计方法分类设计方法分类1 1）全定制设计方法）全定制设