第一章

电子计算机

  • 电子管时代:
    • 1940s-1950s
    • ENIAC(1946,ABC公司),电子数字积分计算器。
  • 晶体管时代:
    • 1950s-1960s
    • 晶体管:一种用以代替真空管的电子信号放大元件。
    • 1947年贝尔实验室制造成功了第一个半导体晶体管
    • 1949年贝尔实验室做出了第一个锗PNP型晶体管。
    • 1956年bardeen,Shockley,Brattain获得诺贝尔物理学奖。
    • TRADIC(1954):世界上第一台全晶体管计算机。
  • 集成电路时代:
    • 1960s-
    • 1958年,Jack Kilby发明了第一块锗集成电路振荡器。(2000诺贝尔物理学奖)
    • 1970年,Intel推出第一个商用 动态随机存储器(DRAM)1103,容量1 Kbits,标志这大规模集成电路(LSI)出现。
    • 1978年,64kbDRAM出现标志这进入了超大规模集成电路时代。

摩尔定律

  • 定义:IC集成度每一年提高一倍,即技术每两年提升一代,1975年修正:进入80年代后,技术每3年提升一代。
  • 技术基础:不断缩小的晶体管尺寸。

集成电路规模

  • SSI: $<10^2$
  • MSI: $10^2$~$10^3$
  • LSI: $10^3$~$10^5$
  • VLSI: $10^5$~$10^7$
  • ULSI: $10^7$~$10^9$
  • GLSI: $>10^9$

微电子学定义

研究在固体(主要是半导体材料)上构成的微小化电路及系统的电子学分支,主要是研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用,并利用它实现电磁信号和信息处理功能的电子科学。它以实现电路和系统的集成为目的。微电子学中实现的电路和系统又称为集成电路和集成系统,是微小化的;在微电子学中的空间尺寸通常是以微米(μm,1μm=10 − 6m)和纳米(nm,1nm=10 − 9 m)为单位的。

微电子学应用领域

  • 逻辑电路
  • 储存电路
  • 通信电路
  • 平板显示
  • ……

微电子技术

微电子技术是随着集成电路尤其是超大规模集成电路发展起来的技术。主要包括了电路系统设计,器件物理,工艺技术,材料制备,测试和封装的专门的技术,是微电子学中各项工艺技术的总和。

集成电路

  • 定义:是通过一系列加工工艺,将晶体管按照一定的电路互连在一块半导体单晶片上并封装在外壳中来执行特定的电路或系统功能的电路。
  • 制造过程:电路设计,工艺制造,测试封装。
  • 核心:单元器件
  • 晶体管是组成集成电路最基本的单位。
  • 分类:
    • 器件构造模型:
      • 双极集成电路:由双极晶体管构成,如PNP型、NPN型,优点是速度快,驱动力强,缺点是集成度不高,功耗大
      • 金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路:如NMOS,PMOS,CMOS,优点是集成高,功耗小,随着特征尺寸缩小,速度也快。
      • 双极-MOS集成电路:综合上面,有上面的优点,但制作工艺复杂。
    • 集成规模:见上
    • 制作工艺:
      • 单片集成电路:电路中所有的元器件都集成在同一块半导体基片上的集成电路。
      • 混合集成电路: 薄膜集成电路,厚膜集成电路
    • 应用领域:
      • 数字集成电路:处理数字信号的集成电路,即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的集成电路
      • 模拟集成电路:处理模拟信号的集成电路(连续变化的信号),分线性集成(运算放大器)和非线性集成(振荡器)
      • 数模混合集成电路:如数模转化器。

微电子学器件

  • 定义:可以构成集成电路的最小单元。
  • 最具代表性器件:场效应晶体管。

微电子学核心研究内容之一就是怎么实现更小尺寸的晶体管

特征尺寸缩小带来的优势

  • 集成电路速度更快。
  • 芯片上集成器件数增大。
  • 集成电路功能提高
  • 晶体管成本降低

集成电路芯片制作过程

  • 硅锭 切成硅片
  • 硅片 晶圆制造
  • 晶圆 硅片测试
  • 芯片 切割
  • 成品

光刻时需要在黄光在进行,光刻胶对黄光不敏感从而避免室内光线对光刻的影响

第二章

电路及电路模型

  • 电路是由电气器件构成,并具有一定功能的连接整个。
  • 电路模型:一个实际电路可以由多个理想元件的组合来模拟,这样的电路称为电路模型。

电流

  • 带电粒子的有序运动形成电流。电流既是一种物理现象又是一个表征带电粒子有秩序运动的强弱的物理量。
  • 定义:单位时间通过导体横截面的电荷量称为电流强度简称电流:$i = \dfrac{dq}{dt}$
  • 电流的大小和方向都不随时间改变,称为直流电流。
  • 习惯上把正电荷移动的方向规定为电流的方向。

电压

  • 电路中任意两点之间的电压等于这两点之间的电位差,等于单位正电荷有A点经任意路径到达B点时,该电荷获得或失去的能量。 $u = \dfrac{dw}{dq}$
  • 习惯上把电位下降的方向规定为电压方向。

关联参考方向

  • 关联参考方向:电流方向和电压方向一致。
  • 非关联参考方向:电流方向和电压方向不一致。

电功率和能量

  • 根据电压的定义可以推出$w = \int_{q(t_0)}^{q_(t)}udq = \int_0^tu(t)i(t)dt$
  • 功率:单位时间内能量的变化率。$p = \dfrac{dw}{dt} = \dfrac{dw}{dq}\dfrac{dq}{dt} = u(t)i(t)$
  • 当U,I为关联参考方向时,$p=ui>0$表示元件吸收功率,若$p=ui<0$则表示元件释放功率
  • 当U,I为非关联参考方向时,$p=ui>0$表示元件释放功率,若$p=ui<0$则表示元件吸收功率

电路元件

  • 电路元件是电路中最基本的组成单元。
  • 集总参数:当实际电路的大小远小于电路工作时电磁波的波长时,可以把元件作用集总在一起,用一个或有限个R,L,C来表示,这样的电路参数就是集总参数。
  • 集总参数元件假定:在任何时候流入二端元件的一个端子的电流一定等于从另一端子流出的电流,两个端子之间的电压值为单值量。

电阻

  • 分类:热敏,光敏等
  • 线性电阻:在电压和电流取关联参考方向时,在任何时候它两端的电压和经过它的电流服从欧姆定律。
  • 单位: $\Omega$(欧姆),倒数为电导G,单位S(西门子)。

电容

  • 分类:电解电容,贴片电容
  • q = Cu, 单位为F(法拉)
  • 库夫特性:$C = \dfrac{q}{u}$
  • 取电压电流关联参考方向:$i = \dfrac{dq}{dt} = C\dfrac{du}{dt}$,说明电流正比于电压变化率,所以电容可以阻断直流电
  • 电容有: $q = q(0)+\int_0^ti(t)dt$,又$q =Cu$,则$u = u(0) +\dfrac{1}{C}\int_0^ti(t)dt$,说明电容两边的电压和u(0)有关,是 一种有记忆的元件。
  • 电容吸收的能量以电场能量的形式储存在元件中,电容是储能元件,不产生能量,无源元件。

电感

  • 分类:绕线电感,贴片电感
  • 磁通:$\Phi_L$(单位是Wb,韦伯) 磁通链$\Psi_L = n\Phi_L$, 对于线性非时变电感元件$\Psi_L = Li(t)$,L是自感或电感,单位是H(亨利)。
  • 电磁感应定律$u = \dfrac{d\Psi_L}{dt}$
  • 吸收的能量以磁场能量的形式储存在元件中,所以电感元件是储能元件。不会释放出多于吸收或储存的能量,电感是无源元件。

电压源与电流源

电压源

  • 理想电路元件,端电压与时间相关与外部电路无关。电流大小由外电路决定。
  • 电压源的电压和经过它的电流通常是取非关联

电流源

  • 理想电路元件,电流和时间相关与外电路无关,端电压由外电路决定.

激励与响应

  • 上述元件作为电源或者输入信号,在电路中起激励作用,在电路中产生的电流和电压就是响应,这类电源被称为独立电源.

受控源

  • 受控电压源的电压或者受控电流源的电流受到电路中的电压或电流控制,称为"非独立"电源.

基尔霍夫定律

  • 支路: 组成电路的每一个二端元件都是一条支路.
  • 节点: 支路连接的地方称为节点
  • 回路: 由支路构成的闭合路径称为回路.
  • 基尔霍夫电流定律(KCL): 在集总电路中,任何时刻,对于任意节点,所有流出节点的支路的电流的代数和为0,流出节点支路的电流取'+’,流入取’-'. 这个定律是电荷守恒的体现.
  • 电流的连续性:由上面定理可以引申出:流入一个闭合回路的电流之和等于流出这个回路的电流之和
  • 基尔霍夫电压定律(KVL): 在集总电路中,任何时刻,沿任意一回路所有支路的电压的代数和为0. 取和时先规定一个方向,电压方向与这个方向相同则取'+'否则取’-’

等效电路

  • 定义: 对电路的一部分进行简化,将简化后的部分代替原来的部分,使得整个电路的电流和电压的相互关系不变,这两部分互为等效电路
  • 比如电阻的串并联,电压源的串联,电流源的并联, 电压源的并联只有在电压相等且极性一致的情况下才可以换成一个,电流源的串联只有在电流值相等且方向相同情况下才可以换成一个.
  • 实际电压源和实际电流源模型之间可以相互转化,主要是保证端口处的电压和电流关系不变.

输入电阻

  • 对于不含有独立电源的电路,输入电阻为$R_{in} = \dfrac{u}{i}$,即这部分电路端口电压和流入该电路中的电流的比值.
  • 对于含有受控源的电路: 采用外加电压或者电流的方式求解输入电阻

电路的图

  • 线图: 用线段表示每一个元件为一个支路,线段的端点为结点,用点和线表现电路的拓扑结构.
  • 树:包含图的全部结点和部分支路,本身连通,不含回路。
  • 在树中的支路叫做树支,不在树中的支路叫做连支。n个结点,b条支路,则一共有n-1条树支,b-n+1条连支。
  • KCL和KVL的独立方程数:KCL独立方程数为n-1,KVL的独立方程数为b-n+1.(网孔数量)

支路电流法

  • 将b条支路上的电流当作变量,然后利用kvl和kcl一共b个独立方程来求解。
  • 步骤
    • 选定各支路上参考电流的方向
    • 选择n-1个独立结点列出kcl方程
    • 选择b-n+1个独立回路列出kvl方程
    • 联立求解
  • 优点:电路分析的基本方法,只需要利用基尔霍夫定律和欧姆定律即可求解
  • 缺点:当结点数量和网孔数量过多时,求解不易。

电路定理

叠加定理

  • 一个具有唯一解的线性电阻电路,任意一处的电压或电流是各个独立电源单独作用时在该处产生的电压或电流的叠加.(单独作用是电压源当作短路,电流源当作开路)
  • 需注意功率不是关于电压或电流的一次函数,因此不能用叠加定理来计算功率。
  • 齐次定理:当电路中所有的激励同时增大或缩小N倍,整个电路的响应也相应增大或缩小N倍。
  • 线性电路:若一个电路满足叠加性和齐次性,则称该电路为线性电路,反之线性电路满足叠加性和齐次性。激励$x_1,x_2$,响应$y_1,y_2$则如果激励为$ax_1+bx_2$则响应为$ay_1+by_2$

替代定理

  • 电路中,如果已知第k条支路的U,I分别是$U_k,I_k$,则该支路可以用 $U=U_k$的电压源或者$I=I_k$的电流源替代。(如果第k条支路中有其他支路受控源的控制量,则不能被替代)
  • 戴维宁定理:一个含有独立电源,线性电阻和受控源的一端口,对于外电路来说,可以用一个电压源串联一个电阻替代,电压源的电压等于端口电压$U_\propto$,电阻等于将该电路中所有独立电源置为0时的电阻$R_i$。
  • 诺顿定理:一个含有独立电源,线性电阻和受控源的二端网络,对于外电路来说可以用一个电流源并联一个电导替代,电流源的电流等于该电路短路电流,电导等于将该电路中所有独立电源置为0时的电导。
  • 在$R_i = 0$时只能做戴维宁等效,在$R_i = \infty$时,只能做诺顿等效。

动态电路

  • 含有动态元件电容和电感的电路称为动态电路
  • 特点是当电路状态发生改变即(换路时),电路需要一段过渡期才达到新的稳定状态。
  • 过渡过程产生的原因:电路内部含有储能元件L,C,换路时能量发生变化,而能量的储存和释放都需要经过一段时间
  • 含有一个动态元件的线性电路,其电路方程为 一阶线性常微分方程,称为一阶电路。
  • 含有二个动态元件的线性电路,其电路方程为二阶线性常微分方程,称二阶电路。

换路定律

  • $q_c(0_+) = q_c(0_-)$, $U_c(0_+) = U_c(0_-)$
  • $\Psi_L(0_+) = \Psi_L(0_-)$,$i_L(0_+)=i_L(0_-)$
  • 电容电流和电感电压为有限制时换路定律成立的条件。
  • 换路定律反映了能量不能跃变。
  • 对电容元件:
    • 如果$u_c(0_+) = u_c(0_-) = U$,则换路瞬间可以把电容视为一个电压为U的电压源。
    • 如果$u_c(0_+) = u_c(0_-) = 0$,则换路瞬间可以认为电容短路。
  • 对电感元件:
    • 如果$i_L(0_+) = i_L(0_-) = I$,则换路瞬间可以把电感视为一个电流为I的电流源。
    • 如果$i_L(0_+) = i_L(0_-) = 0$,则换路瞬间可以把电感视为开路。

正弦电路

正弦量

  • 瞬时值$i(t) = I_mcos(\omega t+\psi)$
    • $I_m$振幅,表示正弦量变化幅度大小
    • $\omega$角频率,表示正弦量变化快慢,$\omega = 2\pi f$
    • $\psi$初相位,表示正弦量的计时起点。
    • 同频率相位差等于初相位只差。
      • $\psi_i-\psi_u = \phi<0$,i滞后u $\phi$角,即i比u晚达到峰值。
      • $\psi_i-\psi_u = \phi>0$,i领先u $\phi$角,即i比u早达到峰值。
  • 周期$i(t) = i(t+KT)$.
  • 周期T:重复变化一次的时间(s)。频率f:每秒变化的次数(Hz),$f = \dfrac{1}{T}$
  • 激励和响应均为 同频率的正弦量的电路称为正弦电路。
  • 研究正弦电路的意义:
    • 正弦电路在电力系统和电子技术领域占有十分重要的地位
    • 其优点在于:
      • 正弦函数是周期函数,其加减,求导,积分后仍然是同频率的正弦函数。
      • 正弦信号容易产生和发送
    • 正弦信号是一个基本的周期信号,任何非正弦周期信号都可以分解为按正弦规律变化的分量。
  • 频谱:将一个信号分解为各个不同频率的正弦信号的集合,得到其正弦信号幅度随角频率的变化的分布,称为该信号的频谱。

有效值

  • 利用一个周期内做的功相等来转换 $$RI^2T = \int_0^T Ri^2(t)dt$$
  • 正弦电路 $I = \dfrac{I_m}{\sqrt{2}}$,$U = \dfrac{U_m}{\sqrt{2}}$
  • 铭牌额定值,电网电压等级,交流表测量仪等一般都是值有效值,而像绝缘水平和耐压值一般指的是最大值。

功率

  • 瞬时功率 $p = ui$(三角变换),得到公式后,恒为正的部分表示不可逆分量,是内部所有电阻的功耗,时正时负的部分为可逆分量,说明端口和电源之间有能量交换。
  • 平均功率:$P = \dfrac{1}{T}\int_0^Tpdt$,如果设$u(t) = \sqrt{2}Usin(\omega t)$,$i(t) = \sqrt{2}Isin(\omega t+\psi)$,则平均功率为$P = UIcos\psi$
    • 其中$\psi = \Psi_U-\Psi_I$表示功率因数角。对于无源网络为其等效阻抗的阻抗角。
    • $cos\psi$为功率因数,如果$cos\psi = 1$表示纯电阻,$cos\psi = 0$表示纯电抗,一般介于两者之间。
  • 平均功率实际上是电阻消耗的功率,亦称为有功功率。表示电路实际消耗的功率,它不仅与电压电流有效值有关,而且与$cos\psi$有关,这是交流和直流的很大区别, 主要由于电压、电流存在相位差。
  • 无功功率Q: $Q = UIsin(\psi)$表示交换功率的最大值,单位为var(乏)
  • 视在功率(表观功率)S $S=UI$,单位VA(伏安),反映了源一端口的做工能力,反映电器设备的容量。
  • 三者的关系:$S=\sqrt{Q^2+P^2}$

功率因数

  • 功率因数低带来的问题:
    • 设备不能充分利用,电流达到额定值,但功率容量还有。
    • 当输出相同的有功功率时,线路上电流$I = \dfrac{P}{Ucos\psi}$较大,线路损耗大
  • 解决办法:
    • 并联一个电容,提高功率因数。