集成电路与电子控制电路分析
集成电路分析与设计
第一章集成电路的发展1.何谓集成电路(Integrated Circuits)？集成电路:指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,电感等无源器件,按照一定的电路互连,”集成”在一块半导体晶片上,封装在一个外壳内,执行特定电路或系统功能的一种器件.2.什么是摩尔定律(Moore’s Law)？它对集成电路的发展有什么作用？集成度：大约每三年翻两番，特征尺寸：每六年缩小近一倍事实上，摩尔定律并不是一个物理定律，而是一种预言，一张时间表。
它鞭策半导体产业界不断进步，并努力去实现它。
从根本上讲，摩尔定律是一种产业自我激励的机制，它让人们无法抗拒，并努力追赶，谁跟不上，谁就可能被残酷地淘汰。
摩尔定律已成为一盏照亮全球半导体产业前进方向的明灯。
3.IC发展水平的指标是什么？随着IC工业的发展，这些指标如何变化？集成规模(Integration scale)和特征尺寸(Feature size) 单个芯片上已经可以制作含有几百万个晶体管的一个完整的数字系统或数模混合的电子系统，集成电路的特征尺寸也已发展到深亚微米水平，0.18μm工艺已经走向规模化生产.4.什么是IDM、Fabless和Foundry？理解他们之间的关系。
IDM:集成电路发展的前三十年中，设计、制造和封装都是集中在半导体生产厂家内进行的，称之为一体化制造(IDM，Integrated Device Manufacturer)的集成电路实现模式。
无生产线（Fabless）集成电路设计提供了条件，为微电子领域发展知识经济提供了条件。
Fabless:1.设计公司拥有设计人才和设计技术，但不拥有生产线2.芯片设计公司不拥有生产线而存在和发展，而芯片制造单位致力于工艺实现(代客户加工，简称代工)3.设计单位与代工单位以信息流和物流的渠道建立联系Foundry:Foundry(代客户加工)第二章PN结的形成1.P型、N型半导体的形成及其能带结构图（EF与掺杂的关系）在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，此时自由电子和空穴浓度远远小于由于掺杂带来的空穴浓度,因此自由电子的导电基本可以忽略,这样的半导体叫做P型半导体。
电子设计与电路分析
振荡器设计
总结词
振荡器是产生周期性信号的电子元件，广泛应用于频率合成、信号发生等领域。
详细描述
振荡器设计需要考虑起振时间、频率稳定度、波形失真和功耗等性能指标。不同类型的振荡器有不同的工作原理 和应用场景，如LC振荡器、石英晶体振荡器和RC振荡器等。
04 数字电路设计
逻辑门电路
01
逻辑门电路的基本概念
噪声和干扰测量
使用示波器和频谱分析仪 测量电路中的噪声和干扰 ，以评估电路的电磁兼容 性。
THANKS
第二季度
第三季度
第四季度
欧姆定律
电流等于电压除以电阻 。
基尔霍夫定律
电路中任意一个节点的 电流总和等于零，任意 回路的电压总和等于零
。
戴维南定理
任何一个线性有源二端 网络可以用一个电源来 代替，电源的电动势等 于网络两端点的电压， 电源的内阻等于从源端
看网络的输入电阻。
叠加定理
在多个电源共同作用的 线性电路中，任一支路 的电流（或电压）等于 各个电源单独作用于该 电路时，由该电源单独 作用所产生的电流（或
电子设计与电路分析
作者：XXX
20XX-XX-XX
目录
Contents
• 电子设计基础 • 电路分析方法 • 模拟电路设计 • 数字电路设计 • 电子设计自动化 • 电子测量技术
01 电子设计基础
电子系统概述
电子系统
由各种电子元件组成的系统，用于实现特定的功能。
电子系统分类
模拟电子系统和数字电子系统，模拟电子系统用于处理连续变化的 信号，数字电子系统用于处理离散的二进制信号。
所有输入信号都为高电平才输出高电平，否则输出低电平。
组合逻辑电路
集成电路分析与设计PPT课件
Intel公司微处理 器—Pentium® 4
25
2 集成电路发展
Intel公司微处理 器—Pentium® 6
26
2 集成电路发展 Intel Pentium 4微处理器
27
2 集成电路发展 Intel XeonTM微处理器
28
2 集成电路发展 Intel Itanium微处理器
29
2 集成电路发展
集成电路发展里程碑
30
2 集成电路发展
集成电路发展里程碑
31
2 集成电路发展
晶体管数目
2003年一年内制造出的晶 体管数目达到1018个，相 当于地球上所有蚂蚁数量 的100倍
32
2 集成电路发展
芯片制造水平
2003年制造的芯片尺寸控制 精度已经达到头发丝直径的1 万分之一，相当于驾驶一辆 汽车直行400英里，偏离误差 不到1英寸！
33
2 集成电路发展
晶体管的工作速度
1个晶体管每秒钟的开关 速度已超过1.5万亿次。 如果你要用手开关电灯 达到这样多的次数，需 要2万5千年的时间！
34
2 集成电路发展
半导体业的发展速度
1978年巴黎飞到纽约的 机票价格为900美元，需 要飞7个小时。如果航空 业的发展速度和半导体业
1960年，Kang和Atalla研制出第一个利用硅半导体材料制成的MOSFET
1962年出现了由金属-氧化物-半导体（MOS）场效应晶体管组成的MOS 集成电路
早期MOS技术中，铝栅P沟MOS管是最主要的技术，60年代后期，多晶 硅取代铝成为MOS晶体管的栅材料
1970’s解决了MOS器件稳定性及工艺复杂性之后，MOS数字集成电路 开始成功应用
一个有关集成电路发展趋势的著名 预言，该预言直至今日依然准确。
集成电路的基本原理和工作原理
集成电路的基本原理和工作原理集成电路是指通过将多个电子元件（如晶体管、电容器、电阻器等）和互连结构（如金属导线、逻辑门等）集成到单个芯片上，形成一个完整的电路系统。
它是现代电子技术的重要组成部分，广泛应用于计算机、通信、嵌入式系统和各种电子设备中。
本文将介绍集成电路的基本原理和工作原理。
一、集成电路的基本原理集成电路的基本原理是将多个电子元件集成到单个芯片上，并通过金属导线将这些元件互连起来，形成一个完整的电路系统。
通过集成电路的制造工艺，可以将电子元件和互连结构制造到芯片的表面上，从而实现芯片的压缩和轻量化。
常见的集成电路包括数字集成电路（Digital Integrated Circuit，简称DIC）、模拟集成电路（Analog Integrated Circuit，简称AIC）和混合集成电路（Mixed Integrated Circuit，简称MIC）等。
集成电路的基本原理包括以下几个关键要素：1. 材料选择：集成电路芯片的制造材料通常选择硅材料，因为硅材料具有良好的电子特性和热特性，并且易于形成晶体结构。
2. 晶圆制备：集成电路芯片的制造过程通常从硅晶圆开始。
首先，将硅材料熔化，然后通过拉伸和旋转等方法制备成硅晶圆。
3. 掩膜制备：将硅晶圆表面涂覆上光感光阻，并通过光刻机在光感光阻表面形成图案。
然后使用化学溶液将未曝光的部分去除，得到掩膜图案。
4. 传输掩膜：将掩膜图案转移到硅晶圆上，通过掩膜上沉积或蚀刻等方法，在硅晶圆表面形成金属或电子元件。
5. 互连结构制备：通过金属导线、硅氧化物和金属隔离层等材料，形成元件之间的互连结构，实现元件之间的电连接。
6. 封装测试：将芯片放置在封装材料中，通过引脚等结构与外部电路连接，然后进行测试和封装。
集成电路的基本原理通过以上几个关键步骤实现电子元件和互连结构的制备和组装，最终形成一个完整的电路系统。
二、集成电路的工作原理集成电路的工作原理是指通过控制电流和电压在电路系统中的分布和变化，从而实现电子元件的工作和电路系统的功能。
集成电路的工作原理及可靠性分析
电子技术 • Electronic Technology86 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering 【关键词】集成电路 半导体集成电路 静电放电 可靠性1 集成电路的工作原理及组成结构集成电路，一般简称IC ，英文名为integrated circuit ，它是一种新型、微型的电子元件或者零部件。
通常情况下集成电路采用一种特定的工艺方法，把很多的微电子元件集成到一个硅片上，一般这些电子元件包括晶体管、二极管、电容电阻、电感等，现如今基本所有集成电路的都是以硅作为基础材料，再在其基础上通过扩散或者渗透的工艺方法让其形成N 型、P 型的半导体或者P-N 结。
让其在电路板上结合其他元器件一起来完成一些特定功能的电路模块，比如说一些我们平时生活中常见的一些承担运算、导电、存储功能的电子设备。
人们把集成电路也称作半导体集成电路，因为一般的集成电路的基板都是半导体材料，然后再在基板上把把至少一个有源元件或者更多的元件相互之间连接到一起，让其完成一些特定功能的元器件。
它们一般通过半导体材料所特有的电子空穴导电能了来进行通电，让电流通过半导体上的引线和引脚来进行输入或者输出电流信号，完成半导体集成电路的索要完成的特定功能。
人们一般认为集成电路是罗伯特•诺伊思（在硅（Si ）的基础上发明的集成电路）和杰克•基尔比（在锗（Ge ）的基础上发明的集成电路）发明的。
而后随着集成电路的一步步持续改进，现如今市面上大多数的的半导体集成电路都是在硅的基础上进行生产的，一般集成电路的工作原理及可靠性分析文/陈海彬情况下半导体的工艺过程是氧化→光刻→扩散→外延→蒸铝，然后形成集成电路所需要的半导体材料，把另外一些所需要的二极管、电容、电阻等元器件再焊接到加工好的特定的半导体材料上，就加工成了我们所需要的一些半导体集成电路。
它们会有各种各样的样式，比如有扁平式的、圆壳式的、双列直插式的等等，而且它们所实现的功能也是各种各样。
电子线路分析
Φk+Φf=2nπ------------------------------------式一 （n=0,1,2,........ 而且，要求|Uf|≥|Ui|,所以振幅平衡条件为： KF≥1-------------------------------------------式二 如果满足了这两个平衡条件，则电路产生振荡，由于振荡器的晶体管工作在非线性 区域，所以包含了丰富的谐波成分，而只有某一频率才能满足上述的两个平衡条件， 从而产生了单一频率的正弦振荡。
正弦振荡电路
在电子工程中，常常到正弦信号，作为信号的源的振荡电路，主要的要求是频率准 确度高、频率稳定性好、波形失真小和振幅稳定度高等，但对高频能源的振荡电路 有以下几种： （1）LC振荡电路：它适用于几十千赫至几百兆赫的频率范围（高频率和超高频） （2）RC振荡电路：适用于声频和超声频范围（从几赫至1赫） （3）晶体振荡电路：用于生产频率稳定度较高的振荡电路，频率低于3千赫时常用 音叉振荡电路代替，而频率高于几十兆赫时常用泛音晶体振荡电路，随着集成化技 术的发展，已有多种晶体振荡器的集成电路，如国产的ZWB-1和ZWB-2型等。 相位和振幅平衡条件： 反馈式的振荡电路主要是由基本放大器和反馈网络组成，如图91所示，因此，振荡 电路实际上是一个闭环的正反馈电路，其闭环增益为：
电子线路分析 Electronic Circuit Analysis
互补管脉冲电路
通常的双管脉冲电路，总是一只管导通，另一只管截止。但是互补管脉冲电 路不同，它具有如下特点： （1）两管同时导通或同时截止。 （2）一端输出波形为陡上升慢下降，另一端输出波形为陡下降慢上升，因此， 两端输出通过微分后，就获得一对极性要相反而又十分陡直的尖脉冲。 注意：这种电路引起电源功率波动较大，因为当两管从截止转至导通时，电流从 零增至某数值。 一、互补管双稳态电路 互补管双稳态电路见图1（a）。当接通电源后，若无触发信号作用，由于集极 电流极小， Rc1、Rc2的 端电压[供电 给两管的偏流] 也很小，故两 管都截止，电 路处于一种稳 定状态。
数字集成电路—电路、系统与设计
数字集成电路（IC）在当今的电子装置和系统中发挥着至关重要的作用。
这些电路的设计将大量电子组件集成到一个单一芯片上，提供高性能和紧凑的尺寸。
在本篇文章中，我们将探索数字IC设计的关键方面，侧重于电路，系统和设计方面。
我们探索数字IC的电路方面。
数字 IC由晶体管，电阻器，电容器等基本电子元件构建而成，这些电子元件相互连接，可以实现逻辑功能。
现代数字IC集成水平惊人，数十亿晶体管被包装成一个芯片。
这种密集的集成使得在很小的物理空间内可以执行复杂的功能，如微处理器，内存单元，以及通信接口。
数字IC还设计为高速运行，消耗最小功率。
实现高速运行需要仔细考虑信号传播延迟，交叉对讲，以及动力消散。
为了应对这些挑战，IC设计师采用了先进的电路设计技术，如管道衬线，时钟标注，以及动力标注，以优化数字电路的性能和能效。
转到系统方面，数字IC常是更大的电子系统的一部分，它们与其他组件如传感器、起动器和通信接口相互作用。
数字IC的设计必须考虑到系统层面的要求，包括与外部组件的接口，处理输入、输出信号，以及支持各种通信协议。
数字IC在系统层面设计中的一个有趣例子是汽车电子领域。
现代车辆配备了广泛的数字IC，控制发动机，传输，安全系统，以及信息娱乐等功能。
这些IC必须满足可靠性、性能和安全性的严格要求，同时与各种传感器和起动器接口。
汽车数字IC的设计不仅涉及电路层面的考虑，还涉及系统层面的方面，如故障耐受性，通信协议，以及实时操作。
让我们谈谈数字IC的设计方面。
IC设计开始于具体说明电路的功能，之后是建筑和逻辑设计，电路执行，以及验证。
设计过程涉及各种工具和技术，包括逻辑综合、地点和路线、时间分析和功能核查。
设计可制造性和可检验性是关键考虑因素，可确保能够大规模生产高产量的IC并测试其可靠性。
IC设计中一个有趣的例子是开发适用于加密货币开采的集成电路。
为此目的设计的ASIC高度优化，用于履行采矿所需的密码散列功能，与一般用途处理器相比，往往能达到更高的性能和能源效率。
功率集成电路设计与分析
功率集成电路设计与分析功率集成电路（Power Integrated Circuit，简称PIC）是一种集成了功率放大器、电源管理和电源控制等功能的芯片。
它在电子设备中扮演着至关重要的角色。
本文将对功率集成电路的设计与分析进行探讨。
一、引言随着电子设备的迅速发展，对功率集成电路的需求不断增长。
功率集成电路的设计和分析在保证设备性能和效率的同时，还要满足功率管理和节能环保的要求。
二、功率集成电路的设计原理功率集成电路的设计需要综合考虑电源电压、电流、功率损耗和效率等因素。
以下是功率集成电路设计的一般原理：1. 分析需求：根据具体应用领域和设备要求，确定功率集成电路的功能和性能需求。
2. 电源管理：设计合适的电源管理电路，包括电源输入稳压、滤波和保护等功能。
3. 功率放大器设计：选择合适的功率放大器类型（如BTL、SE、Class-D等），设计匹配电路，以提高功率输出和音质。
4. 效率优化：通过降低功率损耗、增强电路效率以及采用节能技术等手段，优化功率集成电路的全面性能。
三、功率集成电路设计的关键技术1. 封装与散热设计：功率集成电路的散热问题是设计中需要重点考虑的因素。
封装和散热设计要兼顾性能和可靠性，以保证电路正常工作。
2. 电源管理技术：理想的电源管理技术应能提供稳定的电源电压、高效的能量转换，以及保护电路免受过电流、过电压等问题的影响。
3. 信号完整性：功率集成电路在工作过程中不可避免会受到噪声和干扰的影响，设计时要采取合适的屏蔽和滤波措施，保证信号的完整性和稳定性。
四、功率集成电路的分析方法1. 性能测试与分析：通过实验和测试，评估功率集成电路的工作性能、效率和负载能力等，以确定是否满足设计要求。
2. 故障诊断与分析：当功率集成电路出现故障时，需要运用电路分析的方法，检测并诊断故障原因，进行修复和维护。
3. 设计验证与仿真：利用计算机仿真软件，对功率集成电路进行验证和测试，以提前发现潜在问题，确保设计的准确性和稳定性。
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④
RP调大，2点电 位升高，当升温 时，3点更易成 为比2点低的电 平，则输出7为 高电平。
PS： Rt只有温度变才会变，RP只有手动调才会变。
读懂这一电路，并为同学解说。（教材P104）
பைடு நூலகம்
将上题电路改用晶体管来实现可以吗？怎么做？有没有别的方案？
分析： ▲当水箱中水位处于正常水位时，V1为饱和导通，继电器J的常闭触点 J－1为闭合状态。 ▲当水箱水位下降至b点以下时，电源正极与R1开路，V2导通，继电器 J吸合，接通电机电路，水泵开始工作，将水抽到水箱。 ▲当水位上升到a点时，电源正极通过水和R1形成通路，V1重新饱和导 通，V2变为截止，J－2释放，电机停止工作；常闭触点J－1再次闭合， bc间形成通路，使水箱中水降至a点以下时，仍能保持V1导通V2截止的 状态不变。
1、分压器
三个阻值均为5kΩ的电阻串联起来构成 分压器，为比较器C1和 C2提供参考电压 。 如果在电压控制端CO（5脚）另加控 制电压，则可改变电压比较器C1、 C2 的参 考电压。工作中不使用CO端时，一般都通 过一个0.01μF的电容接地，以旁路高频干扰。
2、电压比较器功能： 比较两个电压的大小，并根据比 较结果输出高电平或低电平： 当”+”输入端电压高于”－”输 入端时，电压比较器输出为高电 平； 当”+”输入端电压低于”－”输 入端时，电压比较器输出为低电 平.
电压比较器应用举例： 利用电压比较器将正弦 波变换成矩形波
3、触发器
4
R
（VC1）
4脚如果为低，输出Q状态？ 直接清零 4脚如果为高，输出Q状态？
在4脚为高的情况下：
Vc1 0 0 1 1 Vc2 0 1 0 1 输出 禁用 0 1 保持
（VC2）
S
扩展一下：
Vc1 Vc2 输出 0 0 0 1 禁用 0
（1）．当外界光线逐渐变亮时，555输入脚2、6脚 的电压如何变化( ) A．逐渐升高 B．逐渐降低 C．不变 D．等于0 （2）．当外界光线较暗时，路灯H还没有亮，应如 何调试( ) A．升高电源Vcc电压 B．路灯灯泡功率换小 C．可调电阻Rp调小 D．可调电阻Rp调大 （3）．不管外界的光线如何变化，路灯H一直不亮， 以下最不可能的原因是( ) A．可调电阻Rp两端的其中一端跟电路没接上 B．光敏电阻Rg两端的其中一端跟电路没接上 C．继电器线圈的一端跟555集成的3脚没接上 D．555集成4、8脚没跟电源正极连接
2 6脚电压刚好高于 3 VCC
，此时3脚输出低电平，V2亮，继电
器J－1断开，电热丝停止加热。
JN6201音乐集成电路内部有多个微处理器和多个多谐振荡器，通 过一定程序控制，可以产生四首不同的乐曲。
作业：
弄明白教材P103（方案一）、P104（方案二） 的电路原理，写出你对电路分析的结果。
A
C
B
例 2．机柜设有自动风扇散热控制系统，当电器运行发热高于某温度值时，自动开启风扇进行 14
散热，其电路原理图如下图所示。其中，Rt 为热敏电阻，LM311 是电压比较器（当脚 3 电 压低于脚 2 电压时，脚 7 输出供电电源 12V；当脚 3 电压高于脚 2 电压时，脚 7 输出低电 平 0V）。
1 1
6 ×
2 Vcc 3 2 < Vcc 3 2 < Vcc 3
0 1
2 × > 1 Vcc
3 1 > Vcc 3 1 < 3 Vcc
1
保持
4 0 1 1 1 输出端3 0 0 保持 1
>
考试时遇到555怎么办？
不用担心！读懂逻 辑功能表就行啦！
例题：如图所示是一个用555集成制作的路灯自动控制电路。工作原理：当外 界有光照较亮时，Rg阻值很小，555集成输入脚2、6脚高电平，使3脚输出脚 为低电平，继电器不动作，常开触点断开，路灯H不亮。当外界光线较暗时， Rg阻值很大，555集成输入脚2、6脚低电平，使3脚输出脚为高电平，继电器 吸合，常开触点闭合，路灯H亮。
请完成以下问题： （1）热敏电阻Rt为 ▲ ，当 温度升高时，Rt的电阻值 ▲ 。 （在以下选项中选择一项，填 写相应的序号：①正温度系数； ②负温度系数；③增大；④减 小。）
②
（2）若要调低风扇运行的设定温度，则将滑动电阻Rp ▲ 。（在 以下选项中选择一项，填写相应的序号：①向上滑动，增大阻值② 向下滑动，增大阻值③向上滑动，减小阻值④向下滑动，减小阻值）
教材P103
NE555组成的温控电路的测试与工作过程（教材P99）
[调试]
1、将Rt1放入温度为T下限的水中，调节可变电阻RP1和RP2，
1 使2脚电压刚好低于3 VCC 2 VCC .此时3脚 3
，6脚电压远远低于
输出高电平，V1亮，继电器J－1吸合，电热丝加热。
2、将Rt2放入温度为T上限的水中，调节可变电阻RP2，使
集成电路 与 电子控制电路分析
555集成电路 （时基IC）
555集成电路
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模 集成器件。 一般用双极型工艺制作的称555，用CMOS工艺制 作的称7555. 555电压工作范围4.5V～16V，7555电压工作范围 3～18V. 555定时器成本低，性能可靠，只需外接少量电阻、 电容，就能实现多种功能。也常作为定时器广泛应 用于自动控制。