(二)电子器件、电子技术和电子电路

#电子器件
- 电子管(真空管、充气管)
- 固态电子器件(晶体管的分类及与真空管的对比)
#电子技术
- 集成电路技术
  - 微处理器
  - 裸晶(Die)的概念
- 模拟电子技术
- 数字电子技术
#电子电路
- 集成电路(物理量的分类)
  - 模拟电路
  - 数字电路(分类)
    - 组合逻辑电路和时序逻辑电路
    - ASIC和PLD
- 逻辑门(数字电路的基本单元)

# 电子器件

电子器件是指在真空、气体或固体中，利用和控制 电子运动规律而制成的器件。分为电子管(真空管、充气管)器件和固态电子器件。
在模拟电路中作整流、放大、调制、振荡、变频、锁相、控制、相关等作用；
在数字电路中作采样、限幅、逻辑、存储、计数、延迟等用。
充气管器件主要作整流、稳压和显示之用。
固态电子器件如集成电路

## 电子管：

电子管（英文名称electron tube）在港台地区通称“胆”，是一种在密闭的玻璃管或金属管内产生电流传导，并通过电场对处于真空或特殊稀薄气体中的电子流进行有效控制，以完成整流、检波、信号放大或振荡等任务的电子器件。因电子管的密闭管壳内除了被抽成真空外，还有一些管壳内被充入了少量的惰性气体或汞蒸气，所以电子管有真空管( vacuumtube)和充气管（gas filled tube）之分。常用电子管绝大多数为真空管。
在二十世纪中期前，因半导体尚未普及，基本上当时所有的电子器材都使用真空管，形成了当时对真空管的需求。但在半导体技术的发展普及和平民化下，真空管因成本高、不耐用、体积大、效能低等原因，最后被半导体取代了。

## 固态电子器件

固态电子器件（英语：Solid-state electronics）是指那些完全使用固体电子材料、并利用束缚于其内电子或者其他载流子导电的电路器件。这一概念经常用来与早期的技术如 真空管等作比较

分类标准	内容
根据原子、分子或离子的排列方式是否有特定周期性的规则划分	晶体（单晶体和多晶体）、无定形体（非晶体）
根据导电性能划分	绝缘体、半导体和导体

固态电子器件材料主要以 结晶半导体为主，其中晶体管更是广泛应用（基于晶体管的固态硬盘有取代传统机械旋转式硬盘的趋势）

晶体管

晶体管（transistor）是一种固体半导体器件（包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管等，有时特指双极型器件），具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。

应用及分类

晶体管主要分为两大类：

双极性晶体管（BJT）：全称双极性结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT），俗称三极管，是一种具有三个终端的电子器件。双极性晶体管是电子学历史上具有革命意义的一项发明。
场效应晶体管（FET）：是一种通过电场效应控制电流的电子元件，有时被称为“单极性晶体管”，以它的单载流子型作用对比双极性晶体管。

晶体管一般都有三个极，其中一极兼任输入及输出端子，(B)基极不能做输出，©集电极不能做输入之外，其余两个极组成输入及输出对。晶体管之所以如此多用途在于其信号放大能力，当微细信号加于其中的一对极时便能控制在另一对极较大的信号，这特性叫增益。

当晶体管于线性工作时，输出的信号与输入的讯息成比例，这时晶体管就成了一放大器。这是在 模拟电路中的常用方式，例如电子放大器、音频放大器、射频放大器、稳压电路；
当晶体管的输出不是完全关闭就是完全导通时，这时晶体管便是被用作开关使用。这种方式主要用于 数字电路，例如数字电路包括逻辑门、随机存取内存（RAM）和微处理器。另外在开关电源中，晶体管也是以这种方式工作。

和真空管的比较

在晶体管发展之前，真空管是电子设备中主要的功率元件。

优点
晶体管因为有以下的优点，因此可以在大多数应用中代替真空管：

没有因加热阴极而产生的能量耗损，应用真空管时产生的橙光是因为加热造成，有点类似传统的灯泡。
体积小，重量低，因此有助于电子设备的小型化。
工作电压低，只要用电池就可以供应。
在供电后即可使用，不需加热阴极需要的预热期。
可透过半导体技术大量的生产。
放大倍数大[6]。

限制
相较于真空管，晶体管也有以下的限制：

硅晶体管会老化及失效
高功率，高频的应用中（例如电视广播），因真空管中的真空有助提升电子迁移率，效果会比晶体管要好。
固体电子元件在应用时比较容易出现静电放电现象。

# 电子技术

电子技术是一门研究电子器件及其应用的学科，广泛的应用于电视、雷达、通信、电子计算机、自动控制、航天等科学技术领域。

## 集成电路技术

随着1958年微电子学的深入研究，特别是新的光刻技术和设备的成熟，为计算机的发展又开辟了一个崭新的时代——集成电路时代。

集成电路是一种微型电子器件或部件，是采用经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及相互间的布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后焊接封装(有圆壳式、扁平式或双列直插式等多种形式)在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构
其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。

集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术，主要体现在加工设备，加工工艺，封装测试，批量生产及设计创新的能力上

从20世纪初期的真空电子管(简称真空管) —— 晶体管(半导体三极管) —— 集成电路

今天，我们可以将上亿个晶体管集成在一片邮票大小的半导体硅片上，组成十分复杂的电子电路
应用：

把过去的一台计算机制作在一片半导体硅片上，制成单片机，实现计算机的微型化
把一个复杂的电子系统集成在一个半导体硅片上，作成“片上系统”(System on Chip，简称SoC)，然后植入到各行各业的各种设备中，使这些设备的性能得到质的飞跃
微处理器

微处理器

微处理器是可编程特殊集成电路，又称半导体中央处理器（CPU），利用 集成电路技术把计算机的控制单元和算逻单元集成到一个芯片上，是微型计算机的一个主要部件(是微型计算机的运算、控制部分，它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机)。
从物理角度来说，它就是一块集成了数量庞大的微型晶体管与其他电子组件的半导体集成电路芯片。

是一种处理器，其所有组件小型化至一块或数块集成电路内。组件常安装在一个单片上或在同一组件内，但有时分布在一些不同芯片上。
是一种集成电路，可在其一端或多端接受编码指令，执行此指令并输出描述其状态的信号。这些指令能在内部输入、集中或存放起来。

在具有固定指令集的微型计算机中，微处理器由算术逻辑单元和控制逻辑单元组成。
在具有微程序控制的指令集的微型计算机中，它包含另外的控制存储单元。

之所以会被称为微处理器，不仅是因为它比迷你计算机所用的处理器还要小而已。最主要的区别，是因为当初各大芯片厂之制程，已经进入了1微米尺度的阶段。在微米尺度下所产制出来的处理器芯片，厂商就会在产品名称上用“微”字，以彰显自身的技术。与现在的许多商业广告中，“纳米”字眼时常出现一样

发展

从1970年代早期开始，微处理器性能的提升就基本上遵循着IT界著名的 摩尔定律，如今，大到巨型机，小到笔记型计算机，持续高速发展的微处理器取代了诸多其他计算形式而成为各个类别各个领域所有计算机系统的计算动力之源。

应用

用作处理通用资料时，叫作CPU中央处理器，这也是最为人所知的应用
专用于图像资料处理的，叫作GPU图形处理器
用于音讯资料处理的，叫作APU音讯处理单元等等。

裸晶(Die)

裸晶(die，复数形可以是dice、dies或die)，也称裸芯片、裸芯片或裸片，是以半导体材料制作而成未经封装的一小块集成电路本体，该集成电路的既定功能就是在这一小片半导体上实现。

通常情况下，集成电路是以大批方式，经光刻等多项步骤，制作在大片的半导体晶圆(指制作硅半导体集成电路所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆。晶圆是生产集成电路所用的载体，一般晶圆产量多为单晶硅圆片)上，然后再分割成若干 方形小片(消费者看到的CPU芯片一般都是方形的)，这一小片就称为 芯片，每个芯片就是一个集成电路的复制品。晶圆所用的半导体材料通常是电子级的硅（EGS）或其他半导体如砷化镓的单晶。独立的晶体管等半导体器件内的芯片其实也是使用同样的制法。

一般集成电路会 封装在陶瓷或塑胶等包装内，并引出接脚。由于电路的小型化需求，有时某些集成电路芯片会不作封装，直接交给下游用户使用，此时会称该裸片是裸晶

## 数字电子技术

近几年来，可编程逻辑器件PLD特别是现场可编程门阵列FPGA的飞速进步，使数字电子技术开创了新局面，不仅规模大，而且将硬件与软件相结合，使器件的功能更加完善，使用更灵活。

数字电路和模拟电路在基本概念、基本原理以及分析方法和设计方法上都有明显的不同，所以很多大学分开讲述《数字电子技术基础》、《模拟电子技术基础》。电气专业的同学会完整的学习数字电子技术(包括数字逻辑电路、脉冲电路)，而计算机专业的同学只学习数字逻辑技术相关的知识

# 电子电路

电路：是由电气设备和元器件，按一定方式连接起来，为电荷流通提供了路径的总体，也叫电子线路或称电气回路，简称网络或回路

电子电路（Electronic circuit）：将各式各样的电子元件，形成一回路电路，进行电信号的运算，电子元件形成电路为电子电路。
电子电路主要是研究电子器件(电子级别)，主要是考虑弱电环境

## 集成电路(IC)

集成电路，或称微电路、微芯片、晶片/芯片在电子学中是一种把电路小型化的方式，并时常制造在半导体晶圆表面上。(对半导体元件产品的统称)
晶体管发明并大量生产之后，各式固态半导体组件如二极管、晶体管等大量使用，取代了真空管在电路中的功能与角色。到了20世纪中后期半导体制造技术进步，使得集成电路成为可能
当今半导体工业大多数应用的是基于 硅的集成电路。

集成度

集成电路的集成度是指单块芯片上所容纳的元件数目，集成度越高，所容纳的元件数目越多，为此对传统的光刻方法进行了很多改进以满足分辨率的要求，增加集成电路的集成度

`集成`电路对比`离散`晶体管

相对于手工组装电路使用个别的分立电子组件，集成电路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小芯片，是一个巨大的进步。集成电路的规模生产能力，可靠性，电路设计的模块化方法确保了快速采用标准化集成电路代替了设计使用离散晶体管。相比于离散晶体管有两个主要优势：成本低和性能高

分类标椎	类别
按集成电路的集成度来分	(与集成电路相对的是分立元件)、小规模集成数字电路(SSI)、中规模集成数字电路(MSI)、大规模集成数字电路(LSI)、超大规模集成数字电路(VLSI)、极大规模集成电路(ULSI)、GLSI
按处理信号的不同来分	模拟集成电路、数字集成电路、混合信号集成电路 (模拟和数字在一个芯片上)
按构成电路的半导体器件/晶体管类型来分	双极型集成电路(由NPN或PNP型晶体管组成，典型的有TTL)、单极型集成电路(由MOS场效应晶体管组成的，MOS电路：P沟MOSIC、N沟MOSIC以及P沟、N沟结合的互补MOSIC，分别称为PMOS 、NMOS和CMOS IC)

随着工艺技术的发展，CMOS集成电路已成为集成电路的主流

最先进的集成电路是微处理器或多核处理器的核心，可以控制计算机到手机到数字微波炉的一切。存储器和特定应用集成电路是其他集成电路家族的例子，对于现代信息社会非常重要。

## 模拟电路

是指用来对模拟信号进行传输、变换、处理、放大、测量和显示等工作的电路。
模拟信号是指连续变化的电信号。

模拟电路是电子电路的基础，它主要包括放大电路、信号运算和处理电路、振荡电路、调制和解调电路及电源等

## 数字电路(又称数字系统)

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。

数字集成电路有各种门电路、触发器以及由它们构成的各种组合逻辑电路和时序逻辑电路。一个数字系统一般由控制部件和运算部件组成，在时脉的驱动下，控制部件控制运算部件完成所要执行的动作。通过模拟数字转换器、数字模拟转换器，数字电路可以和模拟电路互相连接。
现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。存储器是用来存储二进制数据的数字电路。

分类标准	内容
按逻辑功能的特点来分	组合逻辑电路、时序逻辑电路(`时序电路 = 组合电路 + 存储信息的有记忆能力的电路`)
按逻辑功能的特点来分	专用型、通用型(在讲PLD时详细描述)
按功能来分	`脉冲电路和数字逻辑电路`。前者研究电脉冲的产生、放大、变换、整形和测量；后者对数字信号进行算术运算和逻辑运算。

(有些地方直接把数字电路称为数字逻辑电路，脉冲电路也是由数字逻辑电路组成的？《数字电子技术》中有一章 —— 脉冲波形的产生和整形)

研究

数字电路中研究的主要问题是输出信号的状态（“0”或“1”）和输入信号（“0”或“1”）之间的逻辑关系，即电路的逻辑功能。
数字电路的研究方法是逻辑分析和逻辑设计，所需要的工具是逻辑代数。（在正逻辑下，“0”是低电平，“1”是高电平，高低电平没有明确的界限）

分析方法

数字电路主要研究对象是电路的输出与输入之间的逻辑关系，因而在数字电路中不能采用模拟电路的分析方法，例如，小信号模型分析法。由于数字电路中的器件主要工作在开关状态，因而采用的分析工具主要是逻辑代数，用功能表、真值表、逻辑表达式、波形图等来表达电路的主要功能。
随着计算技术的发展，为了分析、仿真与设计数字电路或数字系统，还可以采用硬件描述语言，使用如ABEL语言等软件，借助计算机来分析、仿真与设计数字系统。

数字电路的优点和"数字化"

由于在数字电路中普遍采用的是二进制信号，每一位数字仅有0和1两个取值，所以只要电路能正确区分出两个不同状态就可以了，允许有一定的偏差。大大降低了对电路制造精度、工作条件以及运行环境的要求(相对而言，模拟电路要严格很多)。为了提高信号的精度，可以通过增加二进制数的位数来解决。
因此，首先制成的集成电路是数字集成电路。迄今为止，大多数的大规模和超大规模集成电路都属于数字集成电路。数字电路的应用得到了迅速的发展。
尤其在实现了计算机微型化以后，为了充分发挥数字电路在信号处理方面的强大优势，可以先将模拟信号按比例的转换成数字信号，然后送到数字电路(包括计算机)进行处理，最后再将处理结果根据需要转换成模拟信号输出。自20世纪70年代以来，这种用数字电路处理模拟信号的所谓"数字化"浪潮已经席卷了几乎所有的电子技术应用领域。

电子设备从以模拟方式处理信息，转到以数字方式处理信息的原因，主要在以下几个方面：

稳定性好。数字电路不像模拟电路那样易受噪声的干扰。
可靠性高。数字电路中只需分辨出信号的有与无，故电路的组件参数，可以允许有较大的变化（漂移）范围。
能长期存储。数字信息可以利用某种介质，如磁带、磁盘、光盘等进行长时期的存储。
便于计算机处理。数字信号的输出除了具有直观、准确的优点外，最主要的还是便于利用电子计算机来进行信息的处理。
便于高度集成化。由于数字电路中基本单元电路的结构比较简单，而且又允许组件有较大的分散性，这就使我们不仅可把众多的基本单元做在同一块硅片上，同时又能达到大批量生产所需要的良率。

#### 组合逻辑电路与时序逻辑电路

组合逻辑电路

特点：任一时刻的稳态输出，仅仅与该时刻的输入变量的取值有关，是无记忆电路——输入信号消失，则输出信号也会立即消失。类似于电阻性电路

结构：由最基本的逻辑门电路组合而成

时序逻辑电路

特点：任一时刻的稳态输出，不仅取决于当前的输入，还与前一时刻输入形成的状态有关。类似于含储能元件的电感或电容的电路

结构：由最基本的逻辑门电路加上反馈逻辑回路（输出到输入）或器件组合而成的电路，与组合电路最本质的区别在于时序电路具有记忆功能。即时序电路 = 组合电路 + 存储信息的有记忆能力的电路：触发器、寄存器、计数器等。

#### 专用集成电路与PLD

专用集成电路

专用集成电路（英语缩写：ASIC），是指依产品需求不同而客制化的特殊规格集成电路，是由特定使用者要求和特定电子系统的需要而设计、制造。

专用集成电路的特点是面向特定用户的需求，品种多、批量少，要求设计和生产周期短，它作为集成电路技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相比具有体积更小、重量更轻、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。

PLD(可编程逻辑器件)

诞生背景
由于单个专用集成电路芯片的生产成本很高，如果出货量较小，则采用专用集成电路在经济上不太实惠。此时就可以使用可编程逻辑器件（如现场可编程逻辑门阵列）来作为目标硬件实现集成电路设计。

结构与特点

PLD 是一种电子零件、电子组件，简而言之也是一种集成电路、芯片。PLD芯片属于数字类型的电路芯片，而非模拟或混合信号（同时具有数字电路与模拟电路）芯片。

PLD的结构原理

任何组合逻辑函数均可化为“与或”表达式，用“与门-或门”二级电路实现。
任何时序电路都是由组合电路加上存储元件(触发器)构成的。
从原理上说，与或阵列加上寄存器的结构可以实现任何数字逻辑电路。
PLD:采用“与或阵列 + 寄存器 + 可灵活配置的互连线的结构” ，即可实现任意的逻辑功能。

基本结构：1). 由或阵列直接输出，构成组合逻辑 2). 通过寄存器输出，构成时序逻辑
PLD是做为一种通用集成电路产生的，但它的逻辑功能是由用户通过对器件编程来设定的。一般的PLD的集成度很高，足以满足设计一般的数字系统的需要。PLD不仅能构成组合逻辑电路，也能构成时序逻辑电路

特点

PLD与一般数字芯片不同的是：PLD内部的数字电路可以在出厂后才规划决定，有些类型的PLD也允许在规划决定后再次进行变更、改变，而一般数字芯片在出厂前就已经决定其内部电路，无法在出厂后再次改变，事实上与一般的模拟芯片、混合信号芯片一样，在出厂后就无法再对其内部电路进行调修。
可编程逻辑器件具有用户可编程特性，因此适合于大规模芯片量产之前的原型机，来进行调试等工作。但是可编程逻辑器件在面积、速度方面的优化程度不如全定制的集成电路。

分类及发展：

PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦除的)实际上也是一种可编程逻辑器件，只是由于绝大多数情况下是将其当成存储器使用，所以很多时候是跟存储器件一起介绍的。

## 逻辑门

逻辑门是数字电路的基本单元。简单的逻辑门可由晶体管组成。这些晶体管的组合可以使代表两种信号的高低电平在通过它们之后产生高电平或者低电平的信号。高、低电平可以分别代表逻辑上的“真”与“假”或二进制当中的1和0，从而实现逻辑运算。常见的逻辑门包括“与”闸，“或”闸，“非”闸，“异或”闸（也称：异或）等等

TTL(晶体管-晶体管逻辑)逻辑门电路问世较早，其工艺经过不断改进，至今仍为主要的基本逻辑器件之一。随着CMOS(互补式金属氧化物半导体)工艺的发展，TTL的主导地位受到了动摇，有被CMOS器件所取代的趋势.

前者具有高速的特点；后者具有高集成度的特点，并且制造简单，成本低廉，功耗小，故MOS单极型集成电路被广泛应用

分立元件门、集成逻辑门

逻辑门可以用电阻、电容、二极管、三极管等分立原件构成，成为分立元件门。
也可以将门电路的所有器件及连接导线制作在同一块半导体基片上，构成集成逻辑门电路。
所以对应数字电路可以分为：分立元件数字电路、集成数字电路