模拟电子技术发展

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1、摘要: 本文将简单回顾模拟电子技术的发展历史，主要介绍模拟电子技术的现状与应用， 最后将对模拟电子技术与自动化的联系，进行分析。Abstract:关键词: 模拟电子技术、历史、前沿、自动化专业This article will briefly review the history of the development of asimple electronic technology , introduces the status and application of analog electronics technology , and finally introduces the relat

2、ion with automation major,模拟电子技术是电子技术的一个方面，在这一领域里，数学、物理学、信息 工程、电气工程与自动化控制工程等学科找到了一个和谐的结合点，其深厚的理 论基础和广泛的实际应用使其具有旺盛持久的生命力。因而，对于许多有关的学 科来说，模拟电子技术是一门非常重要的基础理论课。一般来说，模拟电子技术的是一门应用性、实践性很强的学科。本课程主要 研究各种半导体器件的性能、电路及其应用。这门课程概念很多，并且深奥难懂。 但是，在理工科学习专业知识的过程中，它起到了很重要的作用。它不仅为今后 的课程打下基础，而且对于培养我们分析问题和解决问题的能力也非常重要。因 为

3、当今的模拟电子技术已从一门较单纯的学科成了许多学科所共有的基础理论， 这一演变过程充满了人类智慧的结晶，充满了科学思想甚至哲学概念上的进化。 因此，模拟电子技术已被列为有关专业如电子信息工程、通信工程等电类专业的 专业必修课。二、模拟电子技术发展概况1（1）电子器件的产生电子技术是在通信技术发展的基础上诞生的。随着新型电子材料的发现，电 子器件发生了深刻变革。自1906年，福雷斯特发明了电子管以来，世界电子技 术经历了电子管、晶体管和集成电路等重要发展阶段。电子器件是按照“电子管 晶体管一一集成电路”的顺序，布发展起来的。一、第一代电子器件一一真空电子管1904年美国Fleming发明了真空二

4、极管。1906年美国Leede Forest发 明了真空三极管，是电子学发展史上的第一个里程碑。用电子管可实现整流、稳 压、检波、放大、振荡、变频、调制等多种功能电路。二、第二代电子器件一晶体管1947年在贝尔实验室制成第一只晶体管电子技术进入晶体管时代。1948年， 美国的W.Shocly等发明了半导体三极管，其性能明显优越于电子管，从而大大 促进了电子技术的应用与发展。晶体管的发明是电子学历史上的第二个里程碑。 尽管由晶体管组成的电路具有体积小、重轻、功耗低、电路性能稳定可靠等一些 列优于电子管的的特性，但成百上千只晶体贾娜和其他元件组成的分离点了体积 大、焊点多、可靠性差。三、第三代电子

5、器件一一集成电路1958年，基尔白等提出将管子、元件和线路集成封装在一起的设想，三年后， 集成电路实现了商品化。集成电路是通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二 极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定规则的电路互连，集成在一 块半导体单晶片上，执行特定电路或系统功能。集成电路岸集成度可分作小规模 集成电路、中规模集成电路和大规模集成电路。当前，微电子已经成为最具发展前途的产业，微电子水平已成为衡量一个国 家技术水平的重要标志。(2) 模拟电子技术的发展历史模拟电子技术是整个电子技术和电力技术的基础，在信号放大、功率放大、 整流稳压、模拟量反馈、混频、调制解调电路等领域具有无法替代的作用

6、。一：分立元件阶段该阶段主要由1905年一一1959年。在这几十年中，真空三极管问世，且用 它构成的电子电路能够产生从低频到微波范围的振荡，可以放大各种微弱的信号。 从而使电子技术进入了实际应用阶段。时间推移至20世纪40年代末，出现了晶 体三极管，由于晶体管具有体积小，轻重量，功耗低，工作可靠性高等一系列优 点，使它在许多领域中取代了电子管。自从晶体管出现，电子电路进入了晶体管 电路阶段。二：集成电路阶段该阶段从1959开始，即集成电路的问世开始，强烈地推动了整个电子技术 的历程。集成电路由起初的小规模集成电路(SSI)发展到中规模集成电路(MSI)、 大规模集成电路(LSI)、超大规模集成

7、电路(VLSI)。形成了集成度逐渐提高， 器件尺寸逐渐减小的格局。目前，单片集成度已经能够达到数千个元、器件，从 而可将器件、电路与系统融合于一体，构成一个集成电子系统。大规模和超大规 模集成电路的出现，使电子技术装置发生了根本变化。电子设备的功能、速率、 体积、功耗、可靠性诸方面都取得了惊人的成就。一场电子技术的革命已经在当 今科技的大环境中掀起，电子技术发展至今，已经进入了 “微电子学”时代。这 是一个新纪元，也是新一代电子技术的起点！三、模拟电子技术现状模拟电子技术的应用2模拟技术主要应用于和各种模拟量接口的场合。进入二十一世纪以来，模拟技术有了 飞速的发展。这主要得益于消费类电子产品的

8、飞速发展，不仅是和娱乐密切相关的音视频 产品的快速发展，而且还有游戏类，保健类等产品的快速发展。音视频的输入输出都是模 拟量必须采用模拟的接入，经过数字处理，再变回模拟量以供人耳及人眼接收。除了人的 听觉、视觉、触觉都是接收模拟量以外，其他自然界的物理量也都是模拟量，过去像这些 温度、压力等等各种物理量主要是用在工业测量和控制中，而现在也开始广泛地应用到各 种个人消费类产品中。例如电子体温计、电子血压计。最新的人机互动的游戏机Wii以及 用于保健的Wii Fit，就是采用了最新的加速度测量芯片。此外，因为大多数消费类产品都 是便携式的，大多数都是电池供电，因而以电池为初级电源的各种电源功率器件

9、也得到飞 速发展。例如充电管理器、线性低压降稳压器、各种直流变换器等。(2) 模拟电子技术发展前景2一：高集成化、大容量化、超小型化、大型化半导体集成电路是信息化社会的“神经”电路。设计尺寸15年缩小1个数量级，1970 年为10Rm，1985年1m，1995年0.3Rm，2000年0.1Rm。此外卜，已有能够工作的0.04m 器件。虽然似乎还没有达到物理极限，但人们已在讨论后微米时代DRAM集成度的提高， 继续保持3年4倍的速度。1970年DRAM集成度为1kb，1980年64kb，1995年64Mb， 2000年1Gb2014年单片256Gb的存储芯片可付诸实用。1970年使用50mm的晶

10、圆片，1980 年125mm，1995年200mm，2001年300mm，400mm晶圆片已开始研发，未来晶圆片可 望达1m。非挥发性存储器之EPROM的集成度从1992年的4M开始，1996年64M量产， 2017年可望出现100Gb以上的非挥发性RAM。二：低功耗、易使用性和高生产率当前的信息化，无论它的传输、存储，还是加工处理，一切都使用半导体，半导体技术 无疑是信息社会的基础。半导体LSI的发展方向有两方面：开发新的芯片结构：引入新 材料。为防止地球升温正积极开发太阳电池清洁能源。在减少功耗方面，计划开发功耗不 到10mW，而性能达10GIPS的处理器。电话之后是可视电话，宽带无线终端

11、前途可期，语 音识别、自动翻译等功能将一一实现。三：高速化、超平列化、高感度化LSI的开关速度可提高到1皮秒以下，高频宽带固体放大器将达1001000GHz。取代晶 体管的新器件课题有“具有放大功能的超导3端器件”，“单原子工作的超高速、超高集成开 关器件”，“TIPS(103GIPS)级微处理器”，“10100nm分辨率的x射线显微镜”，“100万神经 元规模的半导体神经芯片”以及“高温超导材料”，等等。(3) 当今电子技术发展趋势3当今电子技术领域着眼于绿色环保与节能方向的产品研发。2009年10月，日本最大的电子展“CEATECTAPAN2009”在幕张国际会展中心开幕，以“数 字融合：

12、创造明天连通未来为主题的展览，向世界展示了当今最领先的电子元件产品。例 如村田研发的锂离子二次电池，可以更加充分地利用原有锂离子电池进行二次供电。同时， 村田公司亦展示了最新产品在燃料电池和太阳光发电等清洁能源领域中的应用。增加设备附 加功能的展区重点展示了通信模块和传感器技术，包括低功耗蓝牙、WirelessHD视频传输模 块、WiFi、RFID应用等模块产品以及各种最新传感器技术。特别是指纹认证和生物特征传感 器令人眼前一亮。展示还包括只能通过放大镜观看的最小陶瓷电容器等节省空间的元件以及 抗噪声和ESD保护解决方案技术。而目前节能的最大特点就是模拟和数字相结合。具体来说，过去的电源几乎是

13、完全模拟 式的。以后出现了开关电源，就大大提高了它的效率。同样，过去的功率放大器几乎全部是 模拟式的。自从出现了 D类功率放大器以后，其效率提高了 35倍。因此，可以认为，在 功率放大器方面，目前正在经历着一场从模拟到数字的革命。当然不论是开关电源或是D 类功率放大器也完全不同于一般意义上的数字技术。所以这实际上是一种模拟和数字相结合 的产品。为降低黑色家电能耗的D类功率放大器和用于LCD液晶屏的LED背光恒流驱动。这两种 技术对于黑色家电的节能起着极其重要的作用。(4) 具体技术举例一：EDA 技术3电子设计技术的核心就是EDA技术EDA是指以计算机为工作平台，融合应 用电子技术、计算机技术

14、、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包， 主要能辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设计。目前设计人员按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功 能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路(ASIC)实现，然后采用硬 件描述语言(HDL)完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的 目标器件。二：纳米电子技术4纳米电子学主要在纳米尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性， 研究纳米尺度空间内的纳米膜、纳米线。纳米点和纳米点阵构成的基于量子特性 的纳米电子器件的电子学功能、特性以及加工组装技术。其性能涉及放大、振荡、 脉冲技术、运算处

15、理和读写等基本问题。其新原理主要基于电子的波动性、电子 的量子隧道效应、电子能级的不连续性、量子尺寸效应和统计涨落特性等。三：新一代蜂窝技术pCell，要颠覆无线产业5新一代蜂窝技术pCell能够让人们拥有随身手机信号，不仅速度是现今其他移动运营商 信号速度的1000倍，而且这个信号只属于个人，不用与他人分享共用。“大家的手机上都将装备一个大小约一厘米的小型单元，其将为你带去惊人的单元密度。 在一厘米的小空间里，每个人都能够获得频道全光谱。”帕尔曼解释道。其实也就是，借助当今的网络，每条天线都会生成一个庞大的无线信号单元，即覆盖几 个街区并且由该区域内所有手机共同享有的巨大无线电波。但是，帕尔

16、曼的技术摒弃了以往 的排列布置，让每一部手机拥有自己的小型单元，手机到哪信号就跟到哪。帕尔曼表示，这 个“个人单元”所提供的服务，就像是宽带网络单元，但是人们不需要与任何人分享。结果 就是，速度更加快的无线信号。四：Maxim推新型环路供电温度变送器 实现高精度工厂温度测量6Maxim Integrated Products, Inc.推出 Novato (MAXREFDES16#)参考设计 采用 HART 通信协议的4-20mA环路供电温度变送器，可以在工厂内实现便捷、超高精度的工业温度测 量和传送。温度值一直是工业过程控制和自动化应用中测量最为频繁的参数之一。Novato参考设计通过高速可

17、寻址远程发送器（HART）通信协议，经由4 - 20mA 电流环将远端传感器的温度测量值发送至中央控制单元。该智能变送器能够以 极低功耗传送-200C至+850C、精度优于土 0.1%或1.0C的温度测量信号。 Novato设计灵活，支持2线、3线或4线电阻温度传感器（RTD）输入，适用于 PT100至PT1000各种类型的RTD,是多种工业应用的理想选择。五：CMOS工艺技术7近年来，随着CMOS工艺技术的发展和集成电路设计水平的提高，单个芯片上所集成的 电路功能也越来越多、越来越复杂，集成电路向SoC （System-on-on-Chip）发展的趋势也越 来越明显。这类高集中度的SoC芯片

18、一般是一个复杂的数字、模拟甚至射频混合信号集成系 统，虽然模拟电路所占的芯片面积一般小于整个芯片面积的10%。但由于模拟电路设计的复 杂性，模拟集成电路部分的开发往往成为整个SoC系统开发的关键和瓶颈。但此趋势相对应， 工业界对模拟集成电路设计人才有巨大的需求，而且随着集成电路应用范围的不断扩展，这 种需求将在不久的将来还会逐渐增加。六：电子技术在汽车工业自动化中的应用典例8汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，汽车电子化的程度被看作是衡量现 代汽车水平的重要标志，是用来开发新车型。改进汽车性能最重要的技术措施，就应该按照 时代的趋势，将电子技术融入到汽车的各设备中，使汽车智能化。目

19、前，电子技术已经深入 到汽车的所有系统，电子门窗，动力转向，更有当今技术先进的电子全球定位。在此，着重 介绍ABS防抱死系统。ABS防抱死系统是一个全电子化自动控制系统，是针对车辆产生侧滑造成事故所研制的。 针对这种产生侧滑现象的根本原因，汽车专家就研制出车用ABS这样一套防滑制动装置。 该系统的问世!正是为了改变汽车因车轮抱死而引起的危害。ABS是英文Anti-lock Brakes System的缩写，中文意思为防抱死制动装置。顾名思义，就是制动时防止车 轮抱死的装置。它的工作原理是：当车轮制动时，安装在车轮上的传感器或者是测速雷达立 即能感知车轮是否抱死，并将信号传给电脑。对抱死的车轮，

20、电脑马上相应降低该车轮的制 动力!车轮又继续转动。转动到一定程度，电脑又控制其施加制动，保证车轮既受到制动又 不致抱死。这样不断重复，直至汽车完全停下来。在制动过程中，电子控制装置根据车轮转 速传感器输入的车轮转速信号判定有车轮趋于抱死时，ABS才进入防抱死制动压力调节过程， 电脑在一秒钟之间对车轮进行几百次的检测，并同时对制动系统进行数十次乃至数百次的制 动操纵。也就是不停的瞬间刹车，保证轮胎不抱死的情况下不停的操作。在这里，电子设备 充当着完全控制的角色。例如在设计该系统时，电子技术的综合应用得到了体现，比如电源 转换电路，应用了模拟电子技术：同时，也运用了数字电子技术，采用了芯片:从这个

21、例子中，可以看到了电子技术的综合运用，其实我们生活中遇到的大多数电路是 电子电路知识的综合应用。分立运用在实际中不常见，就像在现实中很少见到电子电路中的 分立元件一样，我们都是使用集成产品的。同时，也可看出集成电路的高集成复杂性。所以， 电路的调试也是一项庞大的工程。电子电路的设计需要扎实的基础，耐心的开发，以及对科 研执着的求知精神。四：电子技术在自动化领域的应用(1)电子设计自动化电子设计自动化(EDAElectronic Design Automation)技术是以计算机技术和微电子技术发展为先导，汇集了计算机图形学、拓扑逻辑学、微电子工艺与结构学和计算机数学等多 种计算机应用学科最新成

22、果的先进技术，它是在先进的计算机工作平台上开发出来的一整套 电子系统设计的软件工具。EDA技术是从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计 算机辅助工程(CAE)等技术发展来的。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议 等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能 分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在汁算机上自动处理完成。设计者的工作仅限 于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。由于 设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这既有利于早期发现结构设计上的错误， 避

23、免设计工作的浪费，又减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次性成功率。在 EDA技术使用ASIC芯片，它可以很容易地转由掩模ASIC实现，因此开发风险也大为降低。硬件描述语言(HDL)是EDA技术的重要组成部分，是用文本的形式来描述数字电路的内 部结构和信号连接的一类语言，类似于一般的计算机高级语言形式和结构形式。超高速集成 电路硬件描述语言(VHDL-VHSIC Hardware Description Langnage)具有很强的电路描述和建模 能力，能从多个层次对数字系统进行建模和描述，从而大大简化了硬件设计任务，用VHDL 进行电子系统设计的一个很大的优点是设计者可以专心致力于其功

24、能的实现，而不需要对不 影响功能的与工艺有关的因素花费过多的时间和精力。采用硬件描述语言作为设计输入和库 (LibraIy)的引人，由设计者定义器件的内部逻辑和管脚，将原来由电路板设计完成的大部分 工作故在芯片的设计中进行。由于管脚定义的灵活性，大大减轻了电路图设计和电路板设计 的工作量和难度，有效增强了设计的灵活性，提高了工作效率。并且可减少芯片的数量，缩 小系统体积，降低能源消耗，提高了系统的功能和可靠性。EDA技术发展趋势和研究方向：把逻辑综合和布图工艺结合起来进行高层次的综合。布 图研究向纵深发展，时延约束、性能优化、时钟偏差以及噪声串扰等成为布图算法的必须考 虑因素。在深亚微米工艺下

25、互连线的延迟已超过了门的延迟，在对芯片进行电气性能模拟时 必须考虑传输线。传输线的延迟模型、关键路径的延迟估算和时延分析是该领域研究的重点。 传输线本身也推动了模拟技术的发展，其中AWE(AsymptoticWaveform Evaluation)方法及其 改进是针对互连线模拟的有效方法。此外，低功耗设计技术、模拟电路的EDA工具的发展 和软硬件IP核也是EDA技术未来的发展方向。随着电子技术和计算机技术的深入发展以及EDA设计技术的不断进步与完善，在单个芯 片上集成CPU、DSP存储器和其他控制功能的片上系统正处于高述发展中。未来的电子技术 开发方式必然是高度层次化、综合化和自动化的，新器件

26、的涌现和新的开发方式的进步是相 互依存、相互促进的，它们会随着科学的发展不断的更新和完善。(2)炉温控制系统10炉温控制系统是自动控制系统一个典型的实际应用例子。加热炉温度自动控制系统常用 于工业生产中控制的任务是保持颅内温度T在某个期望温度上。被控制对象是加热炉，被控量是炉内温度T。当实际炉温恰好等于给定炉温时，热电偶 (测温元件)测量的实际炉温，经放大器(放大元件)转化为电压Tu等于给定电位器(给 定元件)的输出电压ru (相当于期望炉温)，比较电路(比较元件)的输出电压Tuuu-=A， 电动机连同调节阀门(执行元件)静止不动，煤气流量一定，实际炉温保持恒定。如果改变 工件的数量，使加热炉

27、的符合改变，而煤气流量一定时未改变，实际炉温就要发生变化，于 是0更-=ATruuu，经放大后的电压加在电动机两端，电动机旋转即带动调节阀门开度2。变化， 从而使煤气供给量发生变化，使实际炉温改变，最终回到期望温度。其中工件数量、环境温 度及煤气压力的变化都是影响实际炉温的干扰因素。(3)变电站综合自动化系统11变电站综合自动化系统是将变电站二次设备包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动 装置和远动装置等1经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、 通信技术和信息处理技术，实现对全变电站主要设备和输、配电线路的自动监控、动控制和 微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能

28、。该系统利用多台微型计算机和大规模 集成电路组成的自动化系统、常规的测量和监视仪表，代替常规控制屏、中央信号系统和远 动屏，用微机保护代替常规的继电保护屏，改变了常规的继电保护装置不能与外界通信的缺 陷。通过利用现代化计算机技术、通信技术等，提供先进的技术设备，可改变传统的二次设 备模式，实现信息交换，数据共享，简化系统，减少电缆，减少占地面积，是提高变电站 安全稳定运行水平、提高经济效益、向用户提供高质量电能的一项重要技术措施，降低运行 成本、以便更好地实施无人值班，达到减人增效的目的。在社会发展的新形势下，物价快速上涨，电力建设场地征用工作难度大、费用高，人 工、机械、材料等费用都在大幅增

29、长，设备购置费高，定额材机调整系数大，而且用户对 电能质量的要求也越来越高。所以变电站采用综合自动化系统，能更好地实施无人值班，其 减员增效的优势尤为突出。五：未来发展前景12观察家们声称，中国提出以信息化带动工业化，并以电子政务带动信息化。电子政务的 实施推广，将使政府成为推进社会信息化的主导性力量，也必将加速中国社会信息化进程， 最终实现信息化带动工业化的目标。现今社会,科技日新月异，世界正在不断地变化与发展。 我国社会经济要快速地发展，国民经济的各部门必须要和新技术特别是电子技术密切结合， 以此来提高经济效率。与此同时，也必然会促进我国电子技术产业的飞速发展。人类社会已 经开始慢慢进入数

30、字化经济时代。电子技术作为信息化产业的其中一种，是当今世界经济和 社会发展的大趋势，也是我国产业实现工业化、现代化的最关键环节。为了顺应世界信息技 术的发展，面向市场的需求,推进体制的创新努力实现我国信息产业的跨越式发展我们要把 推进国民经济和社会信息化的任务放在优先位置。以振兴我国电子产业制造业、通信业和软 件业做出新的贡献为目标，努力去适应并满足市场与用户的需求。参考文献：1 张建平.北京交通大学电子工程学院模拟电子技术的发展与应用概述 d7FvZt7ph siKuzFKc84o5 SDsk5Q6lgBj6DcTJG Eh-z1VFSXXQ8dYNKr5oDW1hFpd7h 32 模拟电子

31、技术的应用与发展综述3 百度百科 rGnbZWVyG3bZcaHXT0BwObIeKvf4 网上科技馆.2000 ucIF ObMW7TlDZ2Q3IEAPob4NeTnWBTiapFfoiSqBqgKQbG6Mk9owi 6QKjbOIiOFqpW5 瑾瑜.腾讯科技.2014 6 Shopping.电子发烧友网.20147 池保勇.模拟集成电路与系统.清华大学出版社.清华大学信息科学技术学院 教材一微电子光电子系列：18周志立，徐斌，等.汽车ABS原理与结构M.北京:机械工业出版社,2005.9马华，朱清电子技术与自动化J自动化博览，1995, 510草世木.新世纪电子技术大未来J电子产品世界,2000,811张晓飞.电子技术开发方式的变革J建筑工程学报,2008,9,26卷12齐伟，曹鹏，李伟强.电子技术的发展J.商丘职业技术学院学报，2004, 3(3)： 15-16