電子電路技術(shù)的發(fā)展

文/覃斌

電子電路技術(shù)的發(fā)展

文/覃斌

文章首先對電子電路技術(shù)進(jìn)行了概括性介紹，在此基礎(chǔ)上通過模擬電路和數(shù)字電路兩個方面對電子電路技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行分析和探討。期望通過本文的研究能夠進(jìn)一步推動電子電路技術(shù)的發(fā)展，并拓寬其應(yīng)用范圍。

電子電路技術(shù) 模擬電路 數(shù)字電路發(fā)展

1 電子電路技術(shù)概述

電子電路又稱之為電子回路，是指由電氣設(shè)備和各類元器件（用電器），以某種特定的方式連接起來，為電荷的流通提供路徑的總體。簡單來講，電子電路就是由電子元件所構(gòu)成的電路，根據(jù)所處理信號的不同，電子電路可分為模擬電路和數(shù)字電路二種，其中集成電路（IC）是電子電路技術(shù)中最具典型性和代表性的一類產(chǎn)品。對于電子電路技術(shù)而言，電路設(shè)計是其應(yīng)用中重要的前提，根據(jù)不同的電路設(shè)計方案，可制造出各類電子電路載體，如電路板、功能元器件等，在具體應(yīng)用時，則是對電子電路的安裝與連接技術(shù)，如封裝技術(shù)等。目前，對電子電路技術(shù)的研究主要集中在兩個方面，即模擬電路和數(shù)字電路，本文下面就以這兩類電子電路作為研究對象，通過對前人研究成果的分析和總結(jié)，探討電子電路技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

2 電子電路技術(shù)的發(fā)展分析

2.1 模擬電路

模擬電路（Analog Circuit）簡稱AC，它是一種能夠?qū)δM信號進(jìn)行有效處理的電子電路，這里所指的模擬信號是電壓（或電流）對于真實信號成比例的再現(xiàn)?？蓪C分為標(biāo)準(zhǔn)和專用兩大類，標(biāo)準(zhǔn)AC主要包括放大器接口電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器、比較器以及基準(zhǔn)電路等，其中穩(wěn)壓器和基準(zhǔn)電路在AC市場中所占的比例最大，約為13%左右。專用AC的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括電子產(chǎn)品、計算機、通信、汽車、工業(yè)等。

模擬電路的出現(xiàn)時間相對較早，各種指標(biāo)的不斷優(yōu)化是其進(jìn)步與發(fā)展的重要體現(xiàn)，尤其是在功耗、速度以及分辨率等方面的改進(jìn)。模擬電路剛剛出現(xiàn)時，采用的生產(chǎn)工藝為8掩模工藝，在當(dāng)時，大部分生產(chǎn)廠商所用的制造工藝十分類似，他們所生產(chǎn)的器件類型也基本相同。隨著技術(shù)的逐步完善，如今，各個廠商在制造模擬電路方面都有了自己的工藝，模擬電路生產(chǎn)工藝的優(yōu)化改進(jìn)除了與晶體管的尺寸有關(guān)之外，還與其工藝本身的復(fù)雜性有著極為密切的關(guān)聯(lián)。模擬電路在制造過程中，需要使用50個左右的掩模層，并且其中還包含薄膜晶體管、CMOS、雙極和能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)模擬功能所需的其它專用組件。

2.1.1 尺寸縮減

在有些應(yīng)用領(lǐng)域中，對模擬電路的尺寸要求較高，為此，應(yīng)加大對模擬電路尺寸縮減方面的研究力度。對于模擬電路而言，它的某些特定參數(shù)，如電壓、電流等，需要占用芯片一定的面積，由此才能發(fā)揮出應(yīng)有的作用。相關(guān)研究結(jié)果顯示，電壓越高所需的晶體管就越大，并且還需要足夠大的間距。不僅如此，較大的電流在運作時，也要求使用面積相對較大的晶體管，若是采用縮小參數(shù)的做法，無法使晶體管傳輸大電流的能力得到根本性地改善。同時，功率的耗散也同樣需要有大的芯片面積和熱連接來實現(xiàn)正確運作。對密度進(jìn)行改進(jìn)是實現(xiàn)模擬電路尺寸縮減的有效途徑之一，由此使得以纖巧線寬實現(xiàn)的新型晶體管獲得了快速發(fā)展。細(xì)線工藝除了能夠支持巨量數(shù)字電路之外，其成本也相對較低，它在模擬電路中的應(yīng)用，可帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，并且還能拓寬模擬電路的使用范圍。例如，工作頻率在MHz且效率≥95%的開關(guān)穩(wěn)壓器，使用的就是細(xì)線晶體管。晶體管尺寸的縮小，使得模擬電路可以內(nèi)置大量的數(shù)字回路支持電路，其運轉(zhuǎn)速度隨之獲得顯著提升。

2.1.2 模擬組件

在模擬組件方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，運放的速度及DC精度均有了明顯的改善。以線性穩(wěn)壓器為例，它由壓差、電源電流、模擬監(jiān)視輸出構(gòu)成，這種架構(gòu)下，不需要額外配置專用的外部電路，便可實現(xiàn)器件之間的并聯(lián)。

2.2 數(shù)字電路

數(shù)字電路（Digital Circuit）簡稱DC，是用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算的電路，這一過程的實現(xiàn)主要憑借的是數(shù)字信號。二值數(shù)字邏輯是此類電路的基礎(chǔ)，它處理的信號為離散型的數(shù)字信號，電路中的電子晶體管工作于開關(guān)的狀態(tài)下。

從數(shù)字電路的發(fā)展歷程上看，與模擬電路較為相似，都經(jīng)歷了由電子管、半導(dǎo)體分立器件到集成電路（IC）等幾個時代，兩者相比，數(shù)字電路的發(fā)展速度要更快一些。上個世紀(jì)70年代末期，微處理芯片的誕生，及其在數(shù)字電路中的應(yīng)用，使數(shù)字電路的性能產(chǎn)生了一次質(zhì)的飛躍。硅是數(shù)字集成器件制造時采用的主要材料之一，在高速運行的數(shù)字電路中，也會用到化合物半導(dǎo)體材料。在數(shù)字電路中，邏輯門是最為重要的邏輯單元電路，而在CMOS工藝不斷發(fā)展和完善的前提下，使得TTL在邏輯門電路中的主導(dǎo)地位有所動搖。

與模擬電路相比，數(shù)字電路更加復(fù)雜，由于其主要進(jìn)行的是數(shù)字信號的處理，故此電路本身的抗干擾能力要優(yōu)于模擬電路。一個完整的數(shù)字電路一般需要有兩大部分，即控制部分和運算部分，由于具有這種結(jié)構(gòu)使數(shù)字電路具備了如下特點：適合運算比較、存儲控制；同時數(shù)字電路具有可靠性高、集成度高、體積小、功耗低；電路設(shè)計、維修、維護(hù)靈活方便等優(yōu)點。

2.2.1 實際應(yīng)用

目前，數(shù)字電路以其自身所具備的諸多特點，在多個領(lǐng)域中均獲得應(yīng)用，如電視、雷達(dá)、通訊、電子計算機、自動控制、航天等。

（1）在數(shù)字電視中的應(yīng)用。數(shù)字電視是以數(shù)字電視信號進(jìn)行傳播的一種電視類型，通過數(shù)字解調(diào)和音視頻解碼技術(shù)可對圖像和聲音進(jìn)行還原。數(shù)字電路中，編碼器和譯碼器是最常接觸的器件之一，數(shù)字電視作為數(shù)字電路的一種應(yīng)用形式，編解碼是它的關(guān)鍵技術(shù)之所在。音頻和視頻信號在初始時均為模擬信號，為此，在傳輸前需要進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，當(dāng)音視頻信號數(shù)字化之后，其中的數(shù)據(jù)量將會變大，由此會對此信號的傳輸造成影響，為有效解決這一問題，需要應(yīng)用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。

（2）在計算機系統(tǒng)中的應(yīng)用。數(shù)字電路能夠利用繼電器等控制器件，來完成二進(jìn)制的算術(shù)和邏輯運算。在早些時候，無線電電路中的放大器通常使用的都是真空管，隨著技術(shù)發(fā)展，真空管逐步被數(shù)字電路中的快速開關(guān)所取代，利用一定數(shù)量的邏輯門電路可構(gòu)成相對完整的控制器。

2.2.2 數(shù)字電路的發(fā)展

近年來，隨著各種科學(xué)技術(shù)的不斷完善和進(jìn)步，推動了半導(dǎo)體、平板刷等技術(shù)工藝的發(fā)展，由此為數(shù)字電路的發(fā)展提供了強有力的技術(shù)支撐。在未來一段時期，數(shù)字電路將會朝著集成化、復(fù)雜化、智能化的方向發(fā)展，它的運算速度也將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上獲得進(jìn)一步提升，在這一前提下，數(shù)字電路將可集成數(shù)以億計的微處理器，閃盤的容量可以達(dá)到64GB。在不久的將來，計算機和移動終端的CPU時鐘頻率都將大幅度提高，并且CPU的體積也會變得越來越小，這樣可使一塊微處理芯片上容納多個CPU，從而使高速緩存達(dá)到三級以上，有助于減少CPU對外部存儲器讀寫數(shù)量的減少，可使CPU的數(shù)據(jù)吞吐量獲得大幅度提高，有利于處理器整體性能的增強。

目前，8核CPU已經(jīng)逐步在市場中推廣，眾所周知，CPU的核心數(shù)目越多，其處理功能就越強大。8核CPU上的晶體管數(shù)量極為龐大，核心引腳也相對較多，每個核心具有8個執(zhí)行單元，能夠在每個時鐘周期處理4條8進(jìn)制浮點數(shù)據(jù)，執(zhí)行單元可以共享一個速度超過的二級緩存，該緩存采用的是3路獨立總線，其中每一路為640KB，3路加在一起的二級緩存為1.92MB，核心的數(shù)據(jù)帶寬可達(dá)到200GB/ s以上。在內(nèi)存方面，最先進(jìn)的8GB DDR4內(nèi)存顆粒和32GB DDR4內(nèi)存條采用的全部都是最新的20nm工藝，其額定頻率為2400MHz，與DDR3相比，在性能方面大約可以提升將近30%左右，電壓則可維持在標(biāo)準(zhǔn)的1.2V。通過3D TSV硅穿孔技術(shù)，新顆粒能夠制造出單條128GB超大容量的內(nèi)存條。

3 結(jié)論

綜上所述，電子電路技術(shù)以其自身良好的性能和諸多的特點，在多個領(lǐng)域中獲得了應(yīng)用。本文重點對電子電路技術(shù)中的模擬電路和數(shù)字電路進(jìn)行分析，探討了它們的應(yīng)用與發(fā)展。對于電子信息產(chǎn)業(yè)而言，電子電路技術(shù)是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)快速、穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)，為此，必須加大對電子電路技術(shù)的研究力度，從而使其能夠更好地為電子信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)。

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作者單位 廣西機電技師學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)柳州市545005

覃斌（1963-），男，廣西壯族自治區(qū)平南縣人。現(xiàn)為廣西機電技師學(xué)院電氣工程系高級講師。主要研究方向為電工電子技術(shù)，可編程控制器應(yīng)用技術(shù)。