电路与电子线路基础(电路部分)电子教案第1章教材课件

1电路与电子线路基础FundamentalElectricandElectronicCircuits第1章绪论王志功zgwang@

东南大学射频与光电集成电路研究所/1电路与电子线路基础王志功2电路（circuit）电路（circuit）的原意是电气回路（electriccircuit），其理论和技术是与电气工程（electricalengineering）一起发展起来的。所谓电气，主要是指大量具有气体特征、可视为集体运动的电子（electron）和/或离子（ion），具有宏观的含义。随着电报、电话的发明和应用，电路理论与应用就更多地转向电信工程。2电路（circuit）电路（circuit）的原意是电气回3电子线路电子管的发明和应用，导致电路理论（circuittheory）与电子学（electronics）的密切结合，从而形成了电子线路（electroniccircuit）的理论和技术。这里的电子更多地表现出相对独立的性质：在电子管中体现在电子自阴极的发射、受栅极的控制和到板极的收集；在晶体三极管中，则体现在电子或空穴在发射区的生成、对发射结的穿越、在基区的复合和漂移、对集电结的穿越和在集电区的复合。随着半导体工艺技术从微米尺寸到纳米尺寸的发展，人们已经可以控制单个电子的运动。这种情况下，我们就要研究单电子的回路了。因此，电子线路具有微观的含义。

3电子线路电子管的发明和应用，导致电路理论（circuit4电路的故事：雷电雷电：含有微粒的空气在气流上升、下降时相互摩擦时产生的放电现象。富兰克林（B.Franklin，1706~1790）利用风筝（kite）使高空中的电荷在云层与大地之间产生放电（discharge），从而实现了人工雷电。

富兰克林和风筝实验4电路的故事：雷电雷电：含有微粒的空气在气流上升、下降时相互5传导电的材料：金属金属的行为与胶皮、毛皮和丝绸等其它材料完全不同：金属与其它任何材料之间摩擦均不能带电。金属同任何带电体接触都会带电。甚至还没有接触，只是靠近，金属就会带电。一旦将带电体移走，金属就不再带电。金属含有大量自由移动的电子。经摩擦丢失或额外获得电子后会很快获得补偿，故宏观上不会呈现带电状态。在带电体的作用下金属内部的自由电子或被吸引或被排斥，均匀分布的状态被打破，故呈感应带电状态。一旦取走带电体，自由电子的分布立即恢复正常，不再呈现带电状态。5传导电的材料：金属金属的行为与胶皮、毛皮和丝绸等其它材料完6导体与绝缘体凡是电流体可以在其内部自由运动的一类称为导体（conductor），不能自由运动的一类称为绝缘体（insulator）。没有导体就没有电气工程，更谈不上电子学。除金属外，大地、水和人体都是导体，只是导电程度有所不同。玻璃和胶皮等通常情况下是绝缘体，但在潮湿的空气下也会导电。导体和绝缘体是电气和电子工程中的“矛”和“盾”，是电子器件与系统的基本组成材料。现代电子学中，以晶体形式存在的半导体具有特殊的性质，与导体和绝缘体有机结合，够成了集成电路的基础。6导体与绝缘体凡是电流体可以在其内部自由运动的一类称为导体（7伽尔伐尼的意外发现

伽尔伐尼（1737~1798）在解剖青蛙大腿神经时发现，当手术刀接触肌肉时，如果正巧有闪电或其它电火花，这条腿就会抽搐。后来又发现，只要用两种不同的金属与青蛙腿接触构成一个闭合回路，这条腿就会抽搐。金属一方面作为导体导电，另一方面成为形成电位差，还可以实现金属/半导体肖特基结。伽尔伐尼的蛙肢“复苏”实验7伽尔伐尼的意外发现伽尔伐尼（1737~1798）在解剖青8伏打电池建立了第一个电路，将静电学推进到了动电学

1799年伏打制作了“电堆”

。把铜片、吸有盐水或碱水的厚纸和锌片，相间叠放，从铜片和锌片上分别引出导线，结果发现，两条导线均带电，一条带正电，另一条带负电，彼此间有电势差。

伏打的照片

伏打制作的“电堆”8伏打电池建立了第一个电路，将静电学推进到了动电学17999第一个电路（circuit）伏打把接在铜片上的导线与接在锌片上的导线短路起来，发现这种短路同用静电学方法产生的带有不同电荷的两个导体的短路有区别。在静电场情况下，一短路，电荷放完，电势差消失，两个导体不再带有任何电荷。但在伏打电池场合，短路后，放电过程会持续进行。伏打电池的真正贡献在于，人类第一次产生了持续存在电流。用导体将伏打电池的两端联通形成回路，在伏打电池的电势差驱动下，就有电流流过这个回路，这是人类的第一个电路。9第一个电路（circuit）伏打把接在铜片上的导线与接在10磁是又一个神秘的世界

长期以来，人们对磁铁的机理迷惑不解。整条磁棒具有N和S两极，分成两段后每一分段仍有N和S，再分仍然如此，无限的分割下去会产生无限个小磁棒，每个磁棒仍然有N和S。磁铁的最小单元是磁偶极子。问题：正负两种电流体和基本磁偶极子间是否有联系？10磁是又一个神秘的世界长期以来，人们对磁铁的机理迷惑不解11奥斯特实验用伏打电池驱动一个环形导线，旁边放一磁针。电路接通后，有电流通过导线，与此同时，磁针产生了偏转。若将电路切断，电流消失，磁针无动作。奥斯特实验原理图11奥斯特实验用伏打电池驱动一个环形导线，旁边放一磁针。电12奥斯特实验的重要意义它第一次告诉人们，磁与静态电荷无关而是与电流有关。电流对磁针的作用力的方向不在电流元与磁针的连线上，而是垂直于该连线，这与库伦定律和万有引力定律有所不同。12奥斯特实验的重要意义它第一次告诉人们，磁与静态电荷无关13安培实验法国物理学家安培（1775-1836）做了进一步的实验。他把导线绕成很多圈形成一个螺线管，重复奥斯特实验，发现通有电流的螺线管的作用几乎同磁棒一模一样。若将钢针放在该螺线管内，则钢针就会变成磁针。1820年安培提出了一个非常大胆的设想“电流有磁效应。即使是磁铁，产生磁效应的真正原因也是电流。不过，这些电流在铁棒材料的内部”13安培实验法国物理学家安培（1775-1836）做了进一步14奥斯特与安培实验的意义现在，奥斯特和安培的观点均以被证实：人们不再需要两种电流体和一种基本磁偶极子来描述电磁世界。人们只需要电荷，电荷的运动产生电流，电流伴随着磁效应。磁与电是统一的，磁可由电来产生。两个通有电流的线圈之间有相互作用力。利用这种作用力可以设计电动机（electromotor）。新发现推出新发明。1820年第一台直流电动机研制成功，从而开创了电气工业的新时代。14奥斯特与安培实验的意义现在，奥斯特和安培的观点均以被证实15法拉第电磁感应定律

1831年英国化学家和物理学家法拉第（1791-1867）做了一个著名的实验。实验装置非常简单，一个螺线管和一条磁棒。如果磁棒静止在螺线管附近，电路中没有电流。若是迅速地改变磁棒位置或者迅速地将其插入螺线管中，电路中将有瞬间电流出现。再改变一下磁棒位置，又将出现瞬间电流。磁棒不动，电流就消失。这说明，只要磁场有变化，线圈中就会有感应电流。15法拉第电磁感应定律1831年英国化学家和物理学家法拉第16法拉第电磁感应定律“只要磁场有变化，线圈就会产生感应电势”，或者“只要导体切割了磁力线，或磁力线切割了导体，该导体的两端就会有感应电势”。法拉第的发现不仅揭示了磁可以生电的事实，而且还为人工产生电提供了一个新方法；

用机械方法不断地改变磁场与线圈的相对位置，使磁力线切割导体，就可以产生持续的感应电动势，源源不断地供应电流，将机械能转变为电能，这就是发电机。16法拉第电磁感应定律“只要磁场有变化，线圈就会产生感应电欧姆定律的出现是历史的必然在开发发电机和电动机的过程中，人们遇到了下列难题：奥斯特-安培定律能确定的只是多大电流能产生多大作用力，但是需用多大电位差来产生这些电流呢？法拉第定律指出，磁场变化可产生电动势。然而，早期的实验是采用短路螺线管做的，检测到的是感应电流。人们不知道这些感应电流是由多大感应电动势产生的。人们迫切需要知道电位差与电流之间的关系，电气工程需要电路理论的支持。欧姆定律的出现是历史的必然在开发发电机和电动机的过程中，人们18欧姆定律

1826年发表的欧姆定律（OL，Ohm’slaw），欧姆定律是电路理论的最基本定律，可以表述为：V=R·I

式中，I、V和R是电流、电压和电阻。有了OL，电学方面的研究进入了电路理论的新时期。有了电路理论指导，电机设计就有了根据。

18欧姆定律1826年发表的欧姆定律（OL，Ohm’sl19工业电气化有了OL，电学方面的研究进入了电路理论的新时期。有了电路理论指导，电机设计就有了根据。1837年英国物理学家惠斯顿制成了第一台发电机。这样人们就获得了除伏打电池之外的第二种电源。有了电源人们就能广泛使用电动机（electromotor）。用电动机代替蒸汽机（streamengine）作为机器动力引起了一场深刻的革命。发电机完全摆脱了蒸汽机带来的麻烦和无法解决的问题，工业电气化深得人心，电气工程成为一个新兴的工业部门。19工业电气化有了OL，电学方面的研究进入了电路理论的新时期20用电流或电压表达信号—电报的兴起

电气化给予工业革命以强大的推动力。然而商品生产顺利发展迫切需要有新的通信手段的支持。伏打电池发明后，人们就期望利用电流来传递信息实现电气通信，然而有两个问题要解决：怎样用电流来代表信息（information）？怎样从接收到的电信号（electricsignal）中提取信息？20用电流或电压表达信号—电报的兴起电气化给予工业革命以强21佐默林的通信装置

1808年德国解剖学家佐默林（1755~1830）制造了一通信装置：采用若干条导线来传送信号，每条导线代表一个字母。发信时，把伏打电池接在代表某个字母的那条线上。接收端每条导线都接上一个电极，插入盛有水的玻璃管中。哪个玻璃管内有气泡上升就表示哪条导线有电流，表示所传递的是哪个字母。1809年佐默林表演了他的发明，这是世界上第一个用电流代表信息实现的电气通信，而且使用了0或1的数字化信号。21佐默林的通信装置1808年德国解剖学家佐默林（1755佐默林的通信装置的缺陷利用水的电解，观察电解时气泡的发生来检验电流存在与否的方法显然是不理想的。因为电解与气泡发生均是慢过程，有延迟效应。当信号微弱时，观察气泡提取信息不怎么可靠，用今天的术语，这种通信系统速度慢、效率低、误码率高。佐默林的通信装置的缺陷利用水的电解，观察电解时气泡的发生来检23希林格、高斯和韦伯的电磁式电报机希林格(1786～1837)利用线圈控制磁针的偏转来检测电流，提高了提取信息的灵敏度和速度。在希林格的电磁式电报机中有一个重大创造：它不是一个字母配一条导线，而是只用6条导线，键控6路信号，接收端用6个线圈控制6个磁针以指示6路信号。利用编码技术传输字符，从而大幅度的节省了线路成本。德国数学家高斯（1777～1855）和物理学家韦伯1804~1891）1833年研制了一台电磁式电报机，利用脉冲个数和脉冲极性进行编码传输信息。这样，只用一路信号和两条导线就实现电报通信。

23希林格、高斯和韦伯的电磁式电报机希林格(1786～18324莫尔斯电报机与惠斯顿电报机美国画家和雕刻家莫尔斯（S.F.B.Morse,1791-1872）大大改进了电磁式电报机，且对编码进行规范化，于1840年获得专利。这就是直到今天还在使用的莫尔斯电码。右图是莫尔斯发报机的实物照片惠斯顿也改进了希林格电报机，用于铁路通信。惠斯顿电报机与莫尔斯电报机成为当时流行的两种基本形式。24莫尔斯电报机与惠斯顿电报机美国画家和雕刻家莫尔斯（S.25自激式发电机德国企业家西门子（E.W.VonSiemens,1816-1892）曾利用电磁铁代替永久磁铁改进了惠斯顿发电机研制成功自激式发电机。后经比利时人格拉姆（1824~1901）改进，制成了换向电枢自激式发电机成为现代发电机的雏形。

25自激式发电机德国企业家西门子（E.W.VonSie26电报通信系统对电路理论的要求在电力系统中，人们主要关心电压(voltage)、电流(current)、功率(power)和效率(efficiency)。当时只是直流供电，无需考虑波形(waveform)。但在电报通信系统中，提出了一个新的概念—信号(signal)，这是过去所没有的。人们需要研究信号在电路传输(transmission)传输过程的畸变(distortion)，这对电路理论提出了如下新的要求：要求计算复杂线路对开关信号的响应(response)。要求计算长传输线(TL:transmissionline)电路。26电报通信系统对电路理论的要求在电力系统中，人们主要关心电27基尔霍夫(克希荷夫)电流定律电流定律（KCL，Kirchhoff’sCurrentLaw）的表达为：流进电路任一结点的所有n条支路电流等于流出该结点所有m条支路电流，即或流出电路中任一结点的所有支路的电流的代数和（设流出为正，流入为负）等于零，即：27基尔霍夫(克希荷夫)电流定律电流定律（KCL，Kirch28基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律KVL的表达为：电路中沿每一条闭合回路的电压的代数和（与回路同方向为正，反方向为负）等于零，即其物理意义是：在任一瞬时由一点出发沿一回路绕行一周回到原出发点，该点的电位不会发生改变。KVL是集中参数电路中任意一点瞬时电位单值性的必然结果。28基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律KVL的表达为：电路中沿29电话问世与连续信号响应

电报通信的缺点：要编码和译码，电报局得雇用译报员。人们渴望电话问世，要求听到对方的声音，能互相交谈。电话的关键是怎样把声音变成电信号，又怎样把电信号复原成声。贝尔把音叉放在电磁线圈前面，实现声电变换。接收端收到连续变化的电流后，线圈中的磁场变化引起音叉振动发出同原来一样的声音。后来，贝尔把音叉改为膜片。这种结构一直保持到现在，就是耳机和听筒。29电话问世与连续信号响应电报通信的缺点：要编码和译码，电30电路对连续信号的响应电话的问世意味着人们开始使用连续信号。电路对连续信号的响应成为又一重要课题。随着通话距离的增大，信号衰减(attenuation)和失真严重，需要计算电路的频率响应(frequencyresponse)，设计补偿网络和均衡网络，电路理论又上了一个新台阶。30电路对连续信号的响应电话的问世意味着人们开始使用连续信号31电灯是电气工程应用中的一个重要里程碑英国化学家戴维（1778-1829）利用伏打电池将两条碳棒接触产生了电弧，其亮度可与闪电相比拟。但这样的弧光灯性能不稳定，寿命很短，室内使用太亮太刺眼，不受人们欢迎。戴维又发现电流通过箔丝发热后会发出微弱的光。于是人们相信用电加热灯丝到白炽程度将可获得新的电光源。可是，灯丝很快就在高温中氧化燃烧掉了。解决的办法只有两个：选用耐高温的导电材料；将灯丝封在真空里。

31电灯是电气工程应用中的一个重要里程碑英国化学家戴维（1732爱迪生发明电灯爱迪生在这场竞争中取得胜利的关键是改进了真空泵。他1878年制成了电灯泡，寿命长过40小时

爱迪生照片电灯发明专利32爱迪生发明电灯爱迪生在这场竞争中取得胜利的关键是改进了33电灯推广使用与三相交流电系统电灯推广后，爱迪生大量生产灯泡，并开发了一系列配件，如灯座、灯具、电线、插头和插座等，构成电器工业的一个部门。电灯的广泛应用对电力的需求剧增。爱迪生研制了新型直流发电机，垄断了发电、供电和白炽灯等用电系统。在激烈的竞争中美国人威斯汀好司（1846~1914）等提出了交流供电方式，并研制了二相和三相交流发电机，发明了变压器。利用变压器克服了供电线路上的压降，从而扩大了供电范围。三相交流发电、高压输电、低压配电系统效率高，经济性好，适应范围宽，终于打破了爱迪生的垄断成为电力供应的主要形式。33电灯推广使用与三相交流电系统电灯推广后，爱迪生大量生产灯34发明灯泡的另一个重大意义发明灯泡的另一个重大意义是：

为真空电子管（vacuumtube）的发明奠定了技术基础。34发明灯泡的另一个重大意义发明灯泡的另一个重大意义是：35交流电对电路理论研究的推动随着交流电的兴起，一整套交流电路理论，包括复数（complexnumber）计算成为电工原理的主要组成部分。35交流电对电路理论研究的推动随着交流电的兴起，一整套交流电36场的概念电学的研究和发展是在“场”

与“路”

互相推动、交织中进行的。静电场观点无法解释伽尔伐尼实验中蛙肢复苏现象促成了伏打电池的发明、电流的产生和电路的建立。在静电场中一个带电体会对邻近导体产生静电感应。在磁场中一个磁棒会对邻近的导磁材料产生磁化效应。既然磁场是电流存在的一种表现，可以推理，载有电流的电路将对其邻近电路有所影响，也应有一种电流感应，这是法拉第首先想到的。实验结果远远超出法拉第的想象，在邻近电路中确有感应电流，但存在时间短暂。只有在原电流开始或停止的那两个瞬间，或者是两个电路的相对位置发生变化的瞬间才能观察到。36场的概念电学的研究和发展是在“场”与“路”互相推动、37法拉第、开尔文和基尔霍夫的“场”观念法拉第认为电磁间的相互作用是一种“邻近效应”，是以有限的速度向外延拓直到整个空间均具有这种物理性质，故相互作用是通过某种媒体传递的，这种媒体称为“场”（field）。英国数学和物理学家开尔文（1824～1907）进一步发展了法拉第的思想，认为电现象与弹性现象类似，在空间，甚至在真空中处处充满着一种连续的、没有质量但有弹性的媒质“以太”。人们又注意到在电力系统或电信系统中广泛使用的长线电路，有许多现象用电路观点无法解释。线上的电流、电压似乎是以波的形式传播的。基尔霍夫研究了电扰动在长线上的传播，发现传播速度等于光速。37法拉第、开尔文和基尔霍夫的“场”观念法拉第认为电磁间的38麦克斯韦方程麦克斯韦（1831-1879）深受法拉第、开尔文和基尔霍夫的影响，接受场的概念作为电磁理论的基础。他认为电磁现象在场中的传播酷似电压和电流在长线上传播，但缺少一个与法拉第电磁感应定律相对应的方程。既然磁场变化能感应出电场，同样电场变化应能感应出磁场。于是，他大胆的提出位移电流的假设。补充了这个方程后，可以导出电磁现象不仅是距离的函数，还是时间的函数。它们之间的作用以波的形式传播，其速度等于光速。他预见有电磁波存在，但其波长比光的波长长得多，并预言光波是电磁波的一种。38麦克斯韦方程麦克斯韦（1831-1879）深受法拉第、开39赫兹实验与无线电发明

赫兹（H.Hertz,1857-1894)）认为麦克斯韦的理论是建立在充满假设的基础上的，除非能证明：光波有电效应和磁效应，或者电磁波真的存在，并以光波的形式向外传播。赫兹试验：线圈火花放电时，附近的线圈也发生放电。赫兹认为这是共振现象。然后在离开线圈足够远的地方安排了一个共振偶极子，当感应线圈跳火时那个偶极子也跳火，因为距离足够远，不可能属于感应跳火，只可能是电磁波起了作用。于是证明了麦克斯韦方程的正确性。39赫兹实验与无线电发明赫兹（H.Hertz,185740波波夫与无线电发明波波夫于1890年做了“光和电之间相互关系的归新研究”的报告介绍了赫兹的实验。俄国科学家们开始有一点想法，想利用赫兹波，又持保留态度。圣彼得堡大学教授柯伏尔逊认为赫兹的实验仍只是实验性的，今后发展前景仍难预料。1892年英国的克劳克斯（1832~1919）和1893年美国的特斯拉（1856-1943）都探讨了无线电报的可行性。1890年，法国的布朗利（1844-1940）发现在电磁波的作用下金属的电阻会急剧降低。英国的洛奇(1851－1940)利用该效应做成凝屑器：在一段玻璃管内盛有金属屑，在电磁波作用下其电阻值急剧地降低，摇一下或敲一下又可恢复初始状态。40波波夫与无线电发明波波夫于1890年做了“光和电之间相41波波夫与无线电发明（2）洛奇将凝屑器同电池和电流表串联起来检测电磁波。然后重做赫兹实验，于1894年发表报告“赫兹的研究”，引起了波波夫的注意，波波夫特别看中洛奇的凝屑器。1895年波波夫重做了洛奇的实验，他采用各种不同的金属粉末，设计了各种不同的凝屑器，证实了凝屑器是一种灵敏、稳定和可靠的电磁波检测器件。然后他设计了一个称为“电振荡的检测和记录仪”的装置，用来检测雷电信号做气象报警，在俄罗斯物理和化学学会表演取得成功。波波夫的实验装置虽是用于气象的，但该装置已具备了无线通信的特征，只是非常粗糙也没有取得发明专利。41波波夫与无线电发明（2）洛奇将凝屑器同电池和电流表串联起42马克尼与无线电发明意大利出版商马克尼（1874-1937）做了无线通信的实验，他碰巧利用了天线(antenna)和地线(ground)，把接收天线调谐到与发射天线一致，取得重大进展。他的目标就是搞电信，同电报机结合组成一个完备的无线电报系统。马克尼公司成立后，首先把天线通信用于航海事业，1901年实现了大西洋两岸通信。马克尼于1909年获得了诺贝尔物理学奖。

42马克尼与无线电发明意大利出版商马克尼（1874-193743调谐电路与矿石检波器无线通信事业的兴起，猛烈地冲击着电报王国西门子公司。20世纪初，德国人布劳恩（1850～1918）改进了马克尼通信机，采用将接收频率调谐到发射频率的方法，发明了调谐电路，该方法可以防止多个电台间相互干扰，增大了通信距离；利用方铅矿的整流性质研制了猫须式检测器，用这种监测器代替洛奇的凝屑器大大提高了接收机性能，从而打破了马克尼的专利垄断。布劳恩同西门子公司合作建立了德津风根公司与马克尼公司展开了激烈竞争，促进了无线电技术的迅速发展。布劳恩因此与马克尼分享了1909年的诺贝尔物理学奖43调谐电路与矿石检波器无线通信事业的兴起，猛烈地冲击着电报44布劳恩开辟了一个新领域，电子器件登场

布劳恩在1874年发现了世界上第一个金属-半导体结(metal-semiconductorjunction)是由方铅矿矿石（成分为硫化铅）同金属丝相接触构成的。外特性很特殊，有单向导电性，不满足OL，是一种非线性元件。尽管物理机理不了解，却很有用。做成矿石检波器可检测到相当微弱的电磁波，获得广泛应用。矿石检波器实际上就是世界上第一只半导体器件。然而，半导体器件的大规模应用却是在电子管器件大规模应用之后。

44布劳恩开辟了一个新领域，电子器件登场布劳恩在1874年45电子管开创了电子学时代1883年爱迪生在其炭丝灯泡内装入一个电极板，并加上了正电压，发现有电流在真空中流过，然而这个发明未被重视利用。直到1904年弗莱明（1849-1945）利用真空二极管的单向导电性将交流电变为直流电实现整流功能，人们才开始意识到真空电子学时代的来到。45电子管开创了电子学时代1883年爱迪生在其炭丝灯泡内装入46二极管整流的工作原理

加在阴极灯丝两端的的电压加热灯丝，发射出电子；交流电压正半周时，电子受加在阳极或称板极的正电压吸引而飞向阳极；电子被阳极收集,形成阳极电流。交流电压负半周时，电子受加在阳极的负电压排斥而聚集在阴极附近，阳极上就没有电流，二极管就截止。这是一种典型的非线性效应。

二极管整流工作原理图46二极管整流的工作原理加在阴极灯丝两端的的电压加热灯丝，三极管的发明1906年美国的德福雷斯特（1873－1961，在二极管中又加入一个称为栅极的电极形成了三极管。他发现，控制该电极电压可以控制三极管电流，从而可以控制负载上的电压。下图是德福雷斯特和他发明的三极管。德福雷斯特德福雷斯特发明的三极管三极管的发明1906年美国的德福雷斯特（1873－1961，48三极管放大器的原理三极管栅极加正向偏置Eg，阳极通过负载电阻RL加正向偏置Ep，有正向阳极电流IP自阳极透过栅极流向阴极。在栅极交变信号源vg的控制作用下，阳极电流产生变化电流ip，ip在RL上产生变化的电压vp。在放大状态下，RL阻值很大，阳极电压Ep很高。这样，在一个小的vg作用下，ip的一个小的改变，就会在RL两端产生一个很高的电压的变化，也就是说，电压从栅极到阳极得到了放大。

三极管工作原理图48三极管放大器的原理三极管栅极加正向偏置Eg，阳极通过负49电真空器件应用用小电压控制大电压，使信号放大成为可能。人们首次觉悟到电真空器件一旦与电路相结合将会产生意想不到的奇迹。1912年阿姆斯特朗将布劳恩发明的谐振电路分别接在三极管的屏极和栅极上产生了高频振荡。这是人类第一次用人工方法产生相干电磁辐射。这种振荡器所产生的高频振荡的振幅和频率均可控制，使用方便，因而迅速替代火花发射机成为无线电发射的主流。从此，电子工业获得快速发展，电子的真空器件成为该工业的核心，从而大大促进了无线电通信、广播、雷达、电视、控制系统以及电子信息系统的发展。49电真空器件应用用小电压控制大电压，使信号放大成为可能。人50电子管做成的世界上第一台通用计算机ENIAC采用了18800个电子管，每个电子管大约有一个普通家用25瓦灯泡那么大。这样整部电脑就有了8英尺高、3英尺宽、100英尺长的身躯，体积有几十立方米，重达30吨。耗电高达140千瓦。每秒只完成5000次加法运算。世界上第一台通用计算机ENIAC50电子管做成的世界上第一台通用计算机ENIAC采用了18851半导体器件登场迅速成为电子学的主角

随着固体物理学的进展，人们对半导体有了深刻的理解。1948年美国贝尔实验室的三位科学家巴丁（1908~1991）,布拉敦（1902~1987）和肖克利（1910~1989）向全世界宣布了晶体管的诞生。这种器件对固体(solid-state)单晶(mono-crystal)内部两种载流子(carrier)实现了控制。三位科学家因此获得了1956年的诺贝尔物理学奖51半导体器件登场迅速成为电子学的主角随着固体物理学的进展52巴丁、布拉敦和肖克利三位科学家和他们发明的世界上第一只晶体管的复制品52巴丁、布拉敦和肖克利三位科学家和他们发明的世界上第一只晶JohnBardeen

and

WalterBrattainJohnBardeen,Faculty,Physics,1938-1941

WalterBrattain,Ph.D.,Physics,1929

1956NobelPrizeinPhysicsforresearchesonsemiconductorsandtheirdiscoveryofthetransistor53JohnBardeenandWalterBratta54半导体器件特点晶体管的材料最初采用锗(Ge)，后改用硅(Si)，这是因为硅的电气和机械特性均比锗优良和稳定。不久人们又认识到硅表面很容易生长二氧化硅保护膜，为半导体工艺的发展奠定了基础。然而由于制造半导体器件需大量投资，且工艺难以控制，故一度被电子工业拒绝。另一方面，人们也认识到半导体器件尺寸小、低电压工作、低功耗、效率高、速度高、可靠性高，且又可以大批量生产等，远远优于电子管。尽管投资很大，但折算到每个器件上的成本却很低。因此随着技术的进步，半导体器件最终替代了电子管，在电子学领域中迅速占据主导地位。54半导体器件特点晶体管的材料最初采用锗(Ge)，后改用硅(55器件与电路合一引起了一场革命

半导体平面工艺的发展为集成电路的诞生奠定了基础。因为在一个单晶硅圆片，即晶圆（wafer）上可同时制成成千上万个晶体管，这些分立的晶体管又可以在印刷电路板（PCB，printedcircuitboard）上插装焊接构成各种电路。很显然，如果在未划片的大晶圆上进行连线构成我们所需要的电路，则整个电路就可以缩小成单个晶体管大小，就成为一种集成电路（IC，integratedcircuirt）。55器件与电路合一引起了一场革命半导体平面工艺的发展为集成56集成电路的诞生1958~1959年间，美国得克萨斯仪器公司的克尔比（1923~2005）和仙童半导体公司的诺依斯（R.Noyce,1927~1990）共同发明了集成电路。把许多器件、电路元件和连接线做在同一片小晶体上，大幅度缩小了电子系统的体积，降低了功耗，提高了可靠性，降低了成本。克尔比因此获得了2000年诺贝尔物理学。

克尔比56集成电路的诞生1958~1959年间，美国得克萨斯仪器公57克尔比和他发明的世界上第一块集成电路这块集成电路本身是粘在玻璃片中间的那条锗的单晶片尺寸大约为11mm1.6mm。上面集成了一只晶体管、几只电阻和一只电容。克尔比发明的集成电路57克尔比和他发明的世界上第一块集成电路这块集成电路本身是58集成电路更先进的方案EarlyFairchildresistortransistorlogicintegratedcircuit.58集成电路更先进的方案EarlyFairchildre59从沙子到晶圆地球上丰富度仅次于氧的硅是天然半导体，先拉成晶锭，后制作出晶圆59从沙子到晶圆地球上丰富度仅次于氧的硅是天然半导体，先拉成60认识晶圆和集成电路(芯片)60认识晶圆和集成电路(芯片)61裸片61裸片62键合(连接到封装的引脚)62键合(连接到封装的引脚)63封装，成品63封装，成品64摩尔定律(Moore’sLaw)

1965年ThenumberofcomponentsperICdoublesevery18months.（集成电路上的元件数每18个月翻一番，或者说每3年翻两番）64摩尔定律(Moore’sLaw)

1965年Then65Intel的CPU验证摩尔定律65Intel的CPU验证摩尔定律66Intel4004Micro-Processorby1971the4004thefirst4-bitmicroprocessorwasinproduction.The4004wasa3chipsetwitha2kbitROMchip,a320bitRAMchipandthe4bitprocessoreachhousedina16pinDIPpackage.The4004processorrequiredroughly2,300transistorstoimplement,usedasilicongatePMOSprocesswith10µmlinewidths,hada108KHzclockspeedandadiesizeof13.5mm2.66Intel4004Micro-Processorby671974-Intel8080The8080wasusedintheAltaircomputer.The8080wasmanufacturedinasilicongateNMOSprocesswith6µmlinewidths,1polysiliconlayerand1metallayer,the8080had6,000transistors,a2MHzclockspeedanda20.0mm2diesize671974-Intel8080681978-Intel8086/8088The8088wasselectedbyIBMfortheIBMPC,thebiggestsemiconductordesignwinever.The8088/8086weremanufacturedinasilicongateNMOSprocesswith3µmline-widths,1polysiliconlayerand1metallayer,the8088/8086had29,000transistors,a5to10MHzclockspeedanda28.6mm2diesize.Bothprocessorswereidentical16bitdesignswiththe8086havinga16bitbusandthe8088havingan8bitbus.681978-Intel8086/8088The8069IntelPentium(II)69IntelPentium(II)70Intel公司2000年推出的奔腾4（Pentium-IV）芯片照片70Intel公司2000年推出的奔腾4（Pentium-IIntel’sXeon到了2007年，Intel公司采用45纳米工艺制成的4核微处理器芯片Xeon上的晶体管数则超过8亿，主时钟工作频率超过3GHz。利用这些芯片，可以生成专业水平的电影，可以通过因特网传送电视（TV，television）类视频，也可以进行实时的视频和语音（voice）通信。71Intel’sXeon到了2007年，Intel公司采用47280年代以后—CPU的发展CPU时间处理速度晶体管工艺面积8028619826~12MHz134K1P2M1.5µmCMOS68.7mm280386DX198516~33MHz275K1P2M1.5µmCMOS104mm280486DX198925~50MHz1.2M1P3M1.0µmCMOS163mm2PentiumTM199360~66MHz3.1M1P3M0.8µmBiCMOS264mm2PentiumProTM1995150~200MHz5.5M1P4M0.35µmBiCMOS310mm2PentiumIITM1997233~300MHz7.5M1P4M0.35µmCMOS209mm2PentiumIIITM1999500~733MHz28M1P6M0.18µmCMOS140mm2Pentium4TM20001.4~1.8GHz42M1P6M0.18µmCMOS224mm27280年代以后—CPU的发展CPU时间处理速度晶体管工艺面7380年代以后—DRAM的发展时间容量面积工艺价格1982256K45mm22P2umNMOS$5119861M75mm23P1.2umCMOS$10019884M95mm23P2M0.8umCMOS$124199116M130mm24P2M0.5umCMOS$275199464M170mm25P3M0.35umCMOS$5751998256M204mm25P3M0.25umCMOS$5752001？526M7380年代以后—DRAM的发展时间容量面积工艺价格198274IC应用74IC应用75集成电路对人类的影响航空航天军事汽车生产科研学习,生活……今年世界已生产2670亿IC，人均44块！集成电路是整个信息产业的核心和基础，而且已经成为高科技产业的支柱，集成电路发展水平完全能够反应一个国家的科技水平，军事水平和综合实力！75集成电路对人类的影响航空航天集成电路是整个信息产业的核心76单兵作战需要集成电路为核心的高科技装备!夜视镜队内外收音机GPS接收机卫星通信接收机高频甚高频接收机激光瞄准仪热成像仪战场笔记本夜间战术图像系统76单兵作战需要集成电路为核心的高科技装备!夜视镜队内外收音77人类社会已经进入硅器时代！石器时代陶器时代铜器时代铁器时代硅器时代77人类社会已经进入硅器时代！石器时代陶器时电路学面临的问题和任务

问题：确定电路中的电压、电流。利用KCL和KVL两个定律，再加上每个元（器）件的外特性，就可以确定几乎所有电路中的电流电压。电路的分析计算有了依据。任务：设计特定功能的电路。电路工程涉及到电路的描述和表达；电路抽象和模型化；电路的层次描述；电路的分析和设计；电路的验证；以及电路的制造与测试。电路学面临的问题和任务问题：确定电路中的电压、电流。1.4 电路与电子线路的关联电路:是电气回路，所谓电气，主要是指大量具有气体特征、可视为集体运动的电子和/或离，具有宏观的含义。电子线路：更多地表现出电子的相对独立的性质。比如：在电子管中体现在电子自阴极的发射、受栅极的控制和到板极的收集；具有微观的意义。1.4 电路与电子线路的关联电路:是电气回路，所谓电气，主要80电路与电子线路的课程电路方面著名的教材：西安交通大学邱关源教授主编的《电路》重庆大学江泽佳教授主编的《电路原理》北京理工大学李瀚荪教授主编的《电路分析基础》而电子线路方面著名的教材东南大学谢嘉奎教授主编的《电子线路》清华大学童诗白等主编的《模拟电子技术基础》华中科技大学康华光教授主编的《电子技术基础》（模拟部分）。80电路与电子线路的课程电路方面著名的教材：81电路与电子线路的贯通从发展历史和讲解内容来讲，电路与电子线路独立开课和教科书自成体系是符合人类对电气和电子认识的发展规律的。然而，随着集成电路（IC，integratedcircuit）和计算机（computer）技术的迅猛发展和相关知识的爆炸式增长，本科学生需要掌握越来越多的新知识。因此，在总课时数目有限的情况下，把本来就是相互关联的电路与电子线路课程通过改革，归并成一门课程，对于培养符合技术发展要求的新型专业人才，是具有意义的。81电路与电子线路的贯通从发展历史和讲解内容来讲，电路与电子82电路与电子线路基础FundamentalElectricandElectronicCircuits第1章绪论王志功zgwang@

东南大学射频与光电集成电路研究所/1电路与电子线路基础王志功83电路（circuit）电路（circuit）的原意是电气回路（electriccircuit），其理论和技术是与电气工程（electricalengineering）一起发展起来的。所谓电气，主要是指大量具有气体特征、可视为集体运动的电子（electron）和/或离子（ion），具有宏观的含义。随着电报、电话的发明和应用，电路理论与应用就更多地转向电信工程。2电路（circuit）电路（circuit）的原意是电气回84电子线路电子管的发明和应用，导致电路理论（circuittheory）与电子学（electronics）的密切结合，从而形成了电子线路（electroniccircuit）的理论和技术。这里的电子更多地表现出相对独立的性质：在电子管中体现在电子自阴极的发射、受栅极的控制和到板极的收集；在晶体三极管中，则体现在电子或空穴在发射区的生成、对发射结的穿越、在基区的复合和漂移、对集电结的穿越和在集电区的复合。随着半导体工艺技术从微米尺寸到纳米尺寸的发展，人们已经可以控制单个电子的运动。这种情况下，我们就要研究单电子的回路了。因此，电子线路具有微观的含义。

3电子线路电子管的发明和应用，导致电路理论（circuit85电路的故事：雷电雷电：含有微粒的空气在气流上升、下降时相互摩擦时产生的放电现象。富兰克林（B.Franklin，1706~1790）利用风筝（kite）使高空中的电荷在云层与大地之间产生放电（discharge），从而实现了人工雷电。

富兰克林和风筝实验4电路的故事：雷电雷电：含有微粒的空气在气流上升、下降时相互86传导电的材料：金属金属的行为与胶皮、毛皮和丝绸等其它材料完全不同：金属与其它任何材料之间摩擦均不能带电。金属同任何带电体接触都会带电。甚至还没有接触，只是靠近，金属就会带电。一旦将带电体移走，金属就不再带电。金属含有大量自由移动的电子。经摩擦丢失或额外获得电子后会很快获得补偿，故宏观上不会呈现带电状态。在带电体的作用下金属内部的自由电子或被吸引或被排斥，均匀分布的状态被打破，故呈感应带电状态。一旦取走带电体，自由电子的分布立即恢复正常，不再呈现带电状态。5传导电的材料：金属金属的行为与胶皮、毛皮和丝绸等其它材料完87导体与绝缘体凡是电流体可以在其内部自由运动的一类称为导体（conductor），不能自由运动的一类称为绝缘体（insulator）。没有导体就没有电气工程，更谈不上电子学。除金属外，大地、水和人体都是导体，只是导电程度有所不同。玻璃和胶皮等通常情况下是绝缘体，但在潮湿的空气下也会导电。导体和绝缘体是电气和电子工程中的“矛”和“盾”，是电子器件与系统的基本组成材料。现代电子学中，以晶体形式存在的半导体具有特殊的性质，与导体和绝缘体有机结合，够成了集成电路的基础。6导体与绝缘体凡是电流体可以在其内部自由运动的一类称为导体（88伽尔伐尼的意外发现

伽尔伐尼（1737~1798）在解剖青蛙大腿神经时发现，当手术刀接触肌肉时，如果正巧有闪电或其它电火花，这条腿就会抽搐。后来又发现，只要用两种不同的金属与青蛙腿接触构成一个闭合回路，这条腿就会抽搐。金属一方面作为导体导电，另一方面成为形成电位差，还可以实现金属/半导体肖特基结。伽尔伐尼的蛙肢“复苏”实验7伽尔伐尼的意外发现伽尔伐尼（1737~1798）在解剖青89伏打电池建立了第一个电路，将静电学推进到了动电学

1799年伏打制作了“电堆”

。把铜片、吸有盐水或碱水的厚纸和锌片，相间叠放，从铜片和锌片上分别引出导线，结果发现，两条导线均带电，一条带正电，另一条带负电，彼此间有电势差。

伏打的照片

伏打制作的“电堆”8伏打电池建立了第一个电路，将静电学推进到了动电学179990第一个电路（circuit）伏打把接在铜片上的导线与接在锌片上的导线短路起来，发现这种短路同用静电学方法产生的带有不同电荷的两个导体的短路有区别。在静电场情况下，一短路，电荷放完，电势差消失，两个导体不再带有任何电荷。但在伏打电池场合，短路后，放电过程会持续进行。伏打电池的真正贡献在于，人类第一次产生了持续存在电流。用导体将伏打电池的两端联通形成回路，在伏打电池的电势差驱动下，就有电流流过这个回路，这是人类的第一个电路。9第一个电路（circuit）伏打把接在铜片上的导线与接在91磁是又一个神秘的世界

长期以来，人们对磁铁的机理迷惑不解。整条磁棒具有N和S两极，分成两段后每一分段仍有N和S，再分仍然如此，无限的分割下去会产生无限个小磁棒，每个磁棒仍然有N和S。磁铁的最小单元是磁偶极子。问题：正负两种电流体和基本磁偶极子间是否有联系？10磁是又一个神秘的世界长期以来，人们对磁铁的机理迷惑不解92奥斯特实验用伏打电池驱动一个环形导线，旁边放一磁针。电路接通后，有电流通过导线，与此同时，磁针产生了偏转。若将电路切断，电流消失，磁针无动作。奥斯特实验原理图11奥斯特实验用伏打电池驱动一个环形导线，旁边放一磁针。电93奥斯特实验的重要意义它第一次告诉人们，磁与静态电荷无关而是与电流有关。电流对磁针的作用力的方向不在电流元与磁针的连线上，而是垂直于该连线，这与库伦定律和万有引力定律有所不同。12奥斯特实验的重要意义它第一次告诉人们，磁与静态电荷无关94安培实验法国物理学家安培（1775-1836）做了进一步的实验。他把导线绕成很多圈形成一个螺线管，重复奥斯特实验，发现通有电流的螺线管的作用几乎同磁棒一模一样。若将钢针放在该螺线管内，则钢针就会变成磁针。1820年安培提出了一个非常大胆的设想“电流有磁效应。即使是磁铁，产生磁效应的真正原因也是电流。不过，这些电流在铁棒材料的内部”13安培实验法国物理学家安培（1775-1836）做了进一步95奥斯特与安培实验的意义现在，奥斯特和安培的观点均以被证实：人们不再需要两种电流体和一种基本磁偶极子来描述电磁世界。人们只需要电荷，电荷的运动产生电流，电流伴随着磁效应。磁与电是统一的，磁可由电来产生。两个通有电流的线圈之间有相互作用力。利用这种作用力可以设计电动机（electromotor）。新发现推出新发明。1820年第一台直流电动机研制成功，从而开创了电气工业的新时代。14奥斯特与安培实验的意义现在，奥斯特和安培的观点均以被证实96法拉第电磁感应定律

1831年英国化学家和物理学家法拉第（1791-1867）做了一个著名的实验。实验装置非常简单，一个螺线管和一条磁棒。如果磁棒静止在螺线管附近，电路中没有电流。若是迅速地改变磁棒位置或者迅速地将其插入螺线管中，电路中将有瞬间电流出现。再改变一下磁棒位置，又将出现瞬间电流。磁棒不动，电流就消失。这说明，只要磁场有变化，线圈中就会有感应电流。15法拉第电磁感应定律1831年英国化学家和物理学家法拉第97法拉第电磁感应定律“只要磁场有变化，线圈就会产生感应电势”，或者“只要导体切割了磁力线，或磁力线切割了导体，该导体的两端就会有感应电势”。法拉第的发现不仅揭示了磁可以生电的事实，而且还为人工产生电提供了一个新方法；

用机械方法不断地改变磁场与线圈的相对位置，使磁力线切割导体，就可以产生持续的感应电动势，源源不断地供应电流，将机械能转变为电能，这就是发电机。16法拉第电磁感应定律“只要磁场有变化，线圈就会产生感应电欧姆定律的出现是历史的必然在开发发电机和电动机的过程中，人们遇到了下列难题：奥斯特-安培定律能确定的只是多大电流能产生多大作用力，但是需用多大电位差来产生这些电流呢？法拉第定律指出，磁场变化可产生电动势。然而，早期的实验是采用短路螺线管做的，检测到的是感应电流。人们不知道这些感应电流是由多大感应电动势产生的。人们迫切需要知道电位差与电流之间的关系，电气工程需要电路理论的支持。欧姆定律的出现是历史的必然在开发发电机和电动机的过程中，人们99欧姆定律

1826年发表的欧姆定律（OL，Ohm’slaw），欧姆定律是电路理论的最基本定律，可以表述为：V=R·I

式中，I、V和R是电流、电压和电阻。有了OL，电学方面的研究进入了电路理论的新时期。有了电路理论指导，电机设计就有了根据。

18欧姆定律1826年发表的欧姆定律（OL，Ohm’sl100工业电气化有了OL，电学方面的研究进入了电路理论的新时期。有了电路理论指导，电机设计就有了根据。1837年英国物理学家惠斯顿制成了第一台发电机。这样人们就获得了除伏打电池之外的第二种电源。有了电源人们就能广泛使用电动机（electromotor）。用电动机代替蒸汽机（streamengine）作为机器动力引起了一场深刻的革命。发电机完全摆脱了蒸汽机带来的麻烦和无法解决的问题，工业电气化深得人心，电气工程成为一个新兴的工业部门。19工业电气化有了OL，电学方面的研究进入了电路理论的新时期101用电流或电压表达信号—电报的兴起

电气化给予工业革命以强大的推动力。然而商品生产顺利发展迫切需要有新的通信手段的支持。伏打电池发明后，人们就期望利用电流来传递信息实现电气通信，然而有两个问题要解决：怎样用电流来代表信息（information）？怎样从接收到的电信号（electricsignal）中提取信息？20用电流或电压表达信号—电报的兴起电气化给予工业革命以强102佐默林的通信装置

1808年德国解剖学家佐默林（1755~1830）制造了一通信装置：采用若干条导线来传送信号，每条导线代表一个字母。发信时，把伏打电池接在代表某个字母的那条线上。接收端每条导线都接上一个电极，插入盛有水的玻璃管中。哪个玻璃管内有气泡上升就表示哪条导线有电流，表示所传递的是哪个字母。1809年佐默林表演了他的发明，这是世界上第一个用电流代表信息实现的电气通信，而且使用了0或1的数字化信号。21佐默林的通信装置1808年德国解剖学家佐默林（1755佐默林的通信装置的缺陷利用水的电解，观察电解时气泡的发生来检验电流存在与否的方法显然是不理想的。因为电解与气泡发生均是慢过程，有延迟效应。当信号微弱时，观察气泡提取信息不怎么可靠，用今天的术语，这种通信系统速度慢、效率低、误码率高。佐默林的通信装置的缺陷利用水的电解，观察电解时气泡的发生来检104希林格、高斯和韦伯的电磁式电报机希林格(1786～1837)利用线圈控制磁针的偏转来检测电流，提高了提取信息的灵敏度和速度。在希林格的电磁式电报机中有一个重大创造：它不是一个字母配一条导线，而是只用6条导线，键控6路信号，接收端用6个线圈控制6个磁针以指示6路信号。利用编码技术传输字符，从而大幅度的节省了线路成本。德国数学家高斯（1777～1855）和物理学家韦伯1804~1891）1833年研制了一台电磁式电报机，利用脉冲个数和脉冲极性进行编码传输信息。这样，只用一路信号和两条导线就实现电报通信。

23希林格、高斯和韦伯的电磁式电报机希林格(1786～183105莫尔斯电报机与惠斯顿电报机美国画家和雕刻家莫尔斯（S.F.B.Morse,1791-1872）大大改进了电磁式电报机，且对编码进行规范化，于1840年获得专利。这就是直到今天还在使用的莫尔斯电码。右图是莫尔斯发报机的实物照片惠斯顿也改进了希林格电报机，用于铁路通信。惠斯顿电报机与莫尔斯电报机成为当时流行的两种基本形式。24莫尔斯电报机与惠斯顿电报机美国画家和雕刻家莫尔斯（S.106自激式发电机德国企业家西门子（E.W.VonSiemens,1816-1892）曾利用电磁铁代替永久磁铁改进了惠斯顿发电机研制成功自激式发电机。后经比利时人格拉姆（1824~1901）改进，制成了换向电枢自激式发电机成为现代发电机的雏形。

25自激式发电机德国企业家西门子（E.W.VonSie107电报通信系统对电路理论的要求在电力系统中，人们主要关心电压(voltage)、电流(current)、功率(power)和效率(efficiency)。当时只是直流供电，无需考虑波形(waveform)。但在电报通信系统中，提出了一个新的概念—信号(signal)，这是过去所没有的。人们需要研究信号在电路传输(transmission)传输过程的畸变(distortion)，这对电路理论提出了如下新的要求：要求计算复杂线路对开关信号的响应(response)。要求计算长传输线(TL:transmissionline)电路。26电报通信系统对电路理论的要求在电力系统中，人们主要关心电108基尔霍夫(克希荷夫)电流定律电流定律（KCL，Kirchhoff’sCurrentLaw）的表达为：流进电路任一结点的所有n条支路电流等于流出该结点所有m条支路电流，即或流出电路中任一结点的所有支路的电流的代数和（设流出为正，流入为负）等于零，即：27基尔霍夫(克希荷夫)电流定律电流定律（KCL，Kirch109基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律KVL的表达为：电路中沿每一条闭合回路的电压的代数和（与回路同方向为正，反方向为负）等于零，即其物理意义是：在任一瞬时由一点出发沿一回路绕行一周回到原出发点，该点的电位不会发生改变。KVL是集中参数电路中任意一点瞬时电位单值性的必然结果。28基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律KVL的表达为：电路中沿110电话问世与连续信号响应

电报通信的缺点：要编码和译码，电报局得雇用译报员。人们渴望电话问世，要求听到对方的声音，能互相交谈。电话的关键是怎样把声音变成电信号，又怎样把电信号复原成声。贝尔把音叉放在电磁线圈前面，实现声电变换。接收端收到连续变化的电流后，线圈中的磁场变化引起音叉振动发出同原来一样的声音。后来，贝尔把音叉改为膜片。这种结构一直保持到现在，就是耳机和听筒。29电话问世与连续信号响应电报通信的缺点：要编码和译码，电111电路对连续信号的响应电话的问世意味着人们开始使用连续信号。电路对连续信号的响应成为又一重要课题。随着通话距离的增大，信号衰减(attenuation)和失真严重，需要计算电路的频率响应(frequencyresponse)，设计补偿网络和均衡网络，电路理论又上了一个新台阶。30电路对连续信号的响应电话的问世意味着人们开始使用连续信号112电灯是电气工程应用中的一个重要里程碑英国化学家戴维（1778-1829）利用伏打电池将两条碳棒接触产生了电弧，其亮度可与闪电相比拟。但这样的弧光灯性能不稳定，寿命很短，室内使用太亮太刺眼，不受人们欢迎。戴维又发现电流通过箔丝发热后会发出微弱的光。于是人们相信用电加热灯丝到白炽程度将可获得新的电光源。可是，灯丝很快就在高温中氧化燃烧掉了。解决的办法只有两个：选用耐高温的导电材料；将灯丝封在真空里。

31电灯是电气工程应用中的一个重要里程碑英国化学家戴维（17113爱迪生发明电灯爱迪生在这场竞争中取得胜利的关键是改进了真空泵。他1878年制成了电灯泡，寿命长过40小时

爱迪生照片电灯发明专利32爱迪生发明电灯爱迪生在这场竞争中取得胜利的关键是改进了114电灯推广使用与三相交流电系统电灯推广后，爱迪生大量生产灯泡，并开发了一系列配件，如灯座、灯具、电线、插头和插座等，构成电器工业的一个部门。电灯的广泛应用对电力的需求剧增。爱迪生研制了新型直流发电机，垄断了发电、供电和白炽灯等用电系统。在激烈的竞争中美国人威斯汀好司（1846~1914）等提出了交流供电方式，并研制了二相和三相交流发电机，发明了变压器。利用变压器克服了供电线路上的压降，从而扩大了供电范围。三相交流发电、高压输电、低压配电系统效率高，经济性好，适应范围宽，终于打破了爱迪生的垄断成为电力供应的主要形式。33电灯推广使用与三相交流电系统电灯推广后，爱迪生大量生产灯115发明灯泡的另一个重大意义发明灯泡的另一个重大意义是：

为真空电子管（vacuumtube）的发明奠定了技术基础。34发明灯泡的另一个重大意义发明灯泡的另一个重大意义是：116交流电对电路理论研究的推动随着交流电的兴起，一整套交流电路理论，包括复数（complexnumber）计算成为电工原理的主要组成部分。35交流电对电路理论研究的推动随着交流电的兴起，一整套交流电117场的概念电学的研究和发展是在“场”

与“路”

互相推动、交织中进行的。静电场观点无法解释伽尔伐尼实验中蛙肢复苏现象促成了伏打电池的发明、电流的产生和电路的建立。在静电场中一个带电体会对邻近导体产生静电感应。在磁场中一个磁棒会对邻近的导磁材料产生磁化效应。既然磁场是电流存在的一种表现，可以推理，载有电流的电路将对其邻近电路有所影响，也应有一种电流感应，这是法拉第首先想到的。实验结果远远超出法拉第的想象，在邻近电路中确有感应电流，但存在时间短暂。只有在原电流开始或停止的那两个瞬间，或者是两个电路的相对位置发生变化的瞬间才能观察到。36场的概念电学的研究和发展是在“场”与“路”互相推动、118法拉第、开尔文和基尔霍夫的“场”观念法拉第认为电磁间的相互作用是一种“邻近效应”，是以有限的速度向外延拓直到整个空间均具有这种物理性质，故相互作用是通过某种媒体传递的，这种媒体称为“场”（field）。英国数学和物理学家开尔文（1824～1907）进一步发展了法拉第的思想，认为电现象与弹性现象类似，在空间，甚至在真空中处处充满着一种连续的、没有质量但有弹性的媒质“以太”。人们又注意到在电力系统或电信系统中广泛使用的长线电路，有许多现象用电路观点无法解释。线上的电流、电压似乎是以波的形式传播的。基尔霍夫研究了电扰动在长线上的传播，发现传播速度等于光速。37法拉第、开尔文和基尔霍夫的“场”观念法拉第认为电磁间的119麦克斯韦方程麦克斯韦（1831-1879）深受法拉第、开尔文和基尔霍夫的影响，接受场的概念作为电磁理论的基础。他认为电磁现象在场中的传播酷似电压和电流在长线上传播，但缺少一个与法拉第电磁感应定律相对应的方程。既然磁场变化能感应出电场，同样电场变化应能感应出磁场。于是，他大胆的提出位移电流的假设。补充了这个方程后，可以导出电磁现象不仅是距离的函数，还是时间的函数。它们之间的作用以波的形式传播，其速度等于光速。他预见有电磁波存在，但其波长比光的波长长得多，并预言光波是电磁波的一种。38麦克斯韦方程麦克斯韦（1831-1879）深受法拉第、开120赫兹实验与无线电发明

赫兹（H.Hertz,1857-1894)）认为麦克斯韦的理论是建立在充满假设的基础上的，除非能证明：光波有电效应和磁效应，或者电磁波真的存在，并以光波的形式向外传播。赫兹试验：线圈火花放电时，附近的线圈也发生放电。赫兹认为这是共振现象。然后在离开线圈足够远的地方安排了一个共振偶极子，当感应线圈跳火时那个偶极子也跳火，因为距离足够远，不可能属于感应跳火，只可能是电磁波起了作用。于是证明了麦克斯韦方程的正确性。39赫兹实验与无线电发明赫兹（H.Hertz,1857121波波夫与无线电发明波波夫于1890年做了“光和电之间相互关系的归新研究”的报告介绍了赫兹的实验。俄国科学家们开始有一点想法，想利用赫兹波，又持保留态度。圣彼得堡大学教授柯伏尔逊认为赫兹的实验仍只是实验性的，今后发展前景仍难预料。1892年英国的克劳克斯（1832~1919）和1893年美国的特斯拉（1856-1943）都探讨了无线电报的可行性。1890年，法国的布朗利（1844-1940）发现在电磁波的作用下金属的电阻会急剧降低。英国的洛奇(1851－1940)利用该效应做成凝屑器：在一段玻璃管内盛有金属屑，在电磁波作用下其电阻值急剧地降低，摇一下或敲一下又可恢复初始状态。40波波夫与无线电发明波波夫于1890年做了“光和电之间相122波波夫与无线电发明（2）洛奇将凝屑器同电池和电流表串联起来检测电磁波。然后重做赫兹实验，于1894年发表报告“赫兹的研究”，引起了波波夫的注意，波波夫特别看中洛奇的凝屑器。1895年波波夫重做了洛奇的实验，他采用各种不同的金属粉末，设计了各种不同的凝屑器，证实了凝屑器是一种灵敏、稳定和可靠的电磁波检测器件。然后他设计了一个称为“电振荡的检测和记录仪”的装置，用来检测雷电信号做气象报警，在俄罗斯物理和化学学会表演取得成功。波波夫的实验装置虽是用于气象的，但该装置已具备了无线通信的特征，只是非常粗糙也没有取得发明专利。41波波夫与无线电发明（2）洛奇将凝屑器同电池和电流表串联起123马克尼与无线电发明意大利出版商马克尼（1874-1937）做了无线通信的实验，他碰巧利用了天线(antenna)和地线(ground)，把接收天线调谐到与发射天线一致，取得重大进展。他的目标就是搞电信，同电报机结合组成一个完备的无线电报系统。马克尼公司成立后，首先把天线通信用于航海事业，1901年实现了大西洋两岸通信。马克尼于1909年获得了诺贝尔物理学奖。

42马克尼与无线电发明意大利出版商马克尼（1874-1937124调谐电路与矿石检波器无线通信事业的兴起，猛烈地冲击着电报王国西门子公司。20世纪初，德国人布劳恩（1850～1918）改进了马克尼通信机，采用将接收频率调谐到发射频率的方法，发明了调谐电路，该方法可以防止多个电台间相互干扰，增大了通信距离；利用方铅矿的整流性质研制了猫须式检测器，用这种监测器代替洛奇的凝屑器大大提高了接收机性能，从而打破了马克尼的专利垄断。布劳恩同西门子公司合作建立了德津风根公司与马克尼公司展开了激烈竞争，促进了无线电技术的迅速发展。布劳恩因此与马克尼分享了1909年的诺贝尔物理学奖43调谐电路与矿石检波器无线通信事业的兴起，猛烈地冲击着电报125布劳恩开辟了一个新领域，电子器件登场

布劳恩在1874年发现了世界上第一个金属-半导体结(metal-semiconductorjunction)是由方铅矿矿石（成分为硫化铅）同金属丝相接触构成的。外特性很特殊，有单向导电性，不满足OL，是一种非线性元件。尽管物理机理不了解，却很有用。做成矿石检波器可检测到相当微弱的电磁波，获得广泛应用。矿石检波器实际上就是世界上第一只半导体器件。然而，半导体器件的大规模应用却是在电子管器件大规模应用之后。

44布劳恩开辟了一个新领域，电子器件登场布劳恩在1874年126电子管开创了电子学时代1883年爱迪生在其炭丝灯泡内装入一个电极板，并加上了正电压，发现有电流在真空中流过，然而这个发明未被重视利用。直到1904年弗莱明（1849-1945）利用真空二极管的单向导电性将交流电变为直流电实现整流功能，人们才开始意识到真空电子学时代的来到。45电子管开创了电子学时代1883年爱迪生在其炭丝灯泡内装入1