電子電路技術的發展

文/覃斌

電子電路技術的發展

文/覃斌

文章首先對電子電路技術進行了概括性介紹，在此基礎上通過模擬電路和數字電路兩個方面對電子電路技術的發展進行分析和探討。期望通過本文的研究能夠進一步推動電子電路技術的發展，并拓寬其應用范圍。

電子電路技術 模擬電路 數字電路發展

1 電子電路技術概述

電子電路又稱之為電子回路，是指由電氣設備和各類元器件（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成的電路，根據所處理信號的不同，電子電路可分為模擬電路和數字電路二種，其中集成電路（IC）是電子電路技術中最具典型性和代表性的一類產品。對于電子電路技術而言，電路設計是其應用中重要的前提，根據不同的電路設計方案，可制造出各類電子電路載體，如電路板、功能元器件等，在具體應用時，則是對電子電路的安裝與連接技術，如封裝技術等。目前，對電子電路技術的研究主要集中在兩個方面，即模擬電路和數字電路，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，探討電子電路技術的應用與發展。

2 電子電路技術的發展分析

2.1 模擬電路

模擬電路（Analog Circuit）簡稱AC，它是一種能夠對模擬信號進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。可將AC分為標準和專用兩大類，標準AC主要包括放大器接口電路、數據轉換器、穩壓器、比較器以及基準電路等，其中穩壓器和基準電路在AC市場中所占的比例最大，約為13%左右。專用AC的主要應用領域包括電子產品、計算機、通信、汽車、工業等。

模擬電路的出現時間相對較早，各種指標的不斷優化是其進步與發展的重要體現，尤其是在功耗、速度以及分辨率等方面的改進。模擬電路剛剛出現時，采用的生產工藝為8掩模工藝，在當時，大部分生產廠商所用的制造工藝十分類似，他們所生產的器件類型也基本相同。隨著技術的逐步完善，如今，各個廠商在制造模擬電路方面都有了自己的工藝，模擬電路生產工藝的優化改進除了與晶體管的尺寸有關之外，還與其工藝本身的復雜性有著極為密切的關聯。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、雙極和能夠實現相關模擬功能所需的其它專用組件。

2.1.1 尺寸縮減

在有些應用領域中，對模擬電路的尺寸要求較高，為此，應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，如電壓、電流等，需要占用芯片一定的面積，由此才能發揮出應有的作用。相關研究結果顯示，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正確運作。對密度進行改進是實現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的新型晶體管獲得了快速發展。細線工藝除了能夠支持巨量數字電路之外，其成本也相對較低，它在模擬電路中的應用，可帶來一定的經濟效益，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%的開關穩壓器，使用的就是細線晶體管。晶體管尺寸的縮小，使得模擬電路可以內置大量的數字回路支持電路，其運轉速度隨之獲得顯著提升。

2.1.2 模擬組件

在模擬組件方面，隨著技術的發展，運放的速度及DC精度均有了明顯的改善。以線性穩壓器為例，它由壓差、電源電流、模擬監視輸出構成，這種架構下，不需要額外配置專用的外部電路，便可實現器件之間的并聯。

2.2 數字電路

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

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

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

2.2.1 實際應用

目前，數字電路以其自身所具備的諸多特點，在多個領域中均獲得應用，如電視、雷達、通訊、電子計算機、自動控制、航天等。

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

（2）在計算機系統中的應用。數字電路能夠利用繼電器等控制器件，來完成二進制的算術和邏輯運算。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，隨著技術發展，真空管逐步被數字電路中的快速開關所取代，利用一定數量的邏輯門電路可構成相對完整的控制器。

2.2.2 數字電路的發展

近年來，隨著各種科學技術的不斷完善和進步，推動了半導體、平板刷等技術工藝的發展，由此為數字電路的發展提供了強有力的技術支撐。在未來一段時期，數字電路將會朝著集成化、復雜化、智能化的方向發展，它的運算速度也將在現有的基礎上獲得進一步提升，在這一前提下，數字電路將可集成數以億計的微處理器，閃盤的容量可以達到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，從而使高速緩存達到三級以上，有助于減少CPU對外部存儲器讀寫數量的減少，可使CPU的數據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已經逐步在市場中推廣，眾所周知，CPU的核心數目越多，其處理功能就越強大。8核CPU上的晶體管數量極為龐大，核心引腳也相對較多，每個核心具有8個執行單元，能夠在每個時鐘周期處理4條8進制浮點數據，執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，核心的數據帶寬可達到200GB/ s以上。在內存方面，最先進的8GB DDR4內存顆粒和32GB DDR4內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，電壓則可維持在標準的1.2V。通過3D TSV硅穿孔技術，新顆粒能夠制造出單條128GB超大容量的內存條。

3 結論

綜上所述，電子電路技術以其自身良好的性能和諸多的特點，在多個領域中獲得了應用。本文重點對電子電路技術中的模擬電路和數字電路進行分析，探討了它們的應用與發展。對于電子信息產業而言，電子電路技術是實現產業快速、穩定發展的基礎，為此，必須加大對電子電路技術的研究力度，從而使其能夠更好地為電子信息產業服務。

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作者單位 廣西機電技師學院 廣西壯族自治區柳州市545005

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