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1、处理器完成的功能最早是由几个不同的逻辑芯片实现的。英特尔公司率先将所有这些部件集成到单个芯片中。这就是最早的微处理器英特尔公司于年推出的。今天（非常先进）的处理器都是这个最早位的后代。 第课存 储 器 件存储器件可以用机械、磁、光、生物或电子技术制造。磁存储器件的例子有软盘、硬盘和铁电随机存储器。光技术存储器件有只读光盘和可写光盘。在计算机设备中，电子存储器件使用得很广泛。这是因为它是目前可以得到的速度最快的存储器件。在速度的重要性稍差的应用中，经常使用磁技术和光技术。今天，所有电子存储器既可以是独立的集成电路形式、独立的模块形式，也可作为集成电路的一部分。下表概括了几种电子存储器。（表略）触

2、发器触发器是一种存储“”或“”的双态电路。由于触发器结构简单，所以其速度极快。触发器是数字电路和集成电路中的基本部件。由于电源电压去掉后，触发器原有的状态就失去了，因此它是“易失的”寄存器寄存器是一组并行触发器。寄存器的典型数据宽度为位、位、位或者位。寄存器常用于保存数据、地址指针等。和触发器一样，寄存器也是“易失”的，而且速度很快。静态随机存取存储器 是一种可寻址触发器阵列。该阵列可配置成位、位，位等数据格式。它和它的基本存储单元触发器一样：结构简单、存取速度快、具有易失的特点。我们可以在微控器电路板当中（芯片内部或外部）找到它，因为在这些应用中所需的存储量不大，而且也不值得为了使用 去构建

3、额外的接口电路。此外，因其存取速度快，SRAM也用做高速缓存。的速度等级很多：从高速缓存的几个纳秒到低功率应用的纳秒。双极性技术的和 技术的 现在都有。技术的优势在于密度最高、功耗最低。高速缓存可以使用技术构建；是一种混合技术，它使用双极性晶体管作为附加的驱动。采用双极性技术的具有最快的速度。由于这种技术的功耗高，所以存储器容量受到限制。内容寻址存储器（）是一种特殊的 存储器。在这种技术中，构成存储器的触发器阵列中的每一行都和一个数据比较器相连。访问存储器的方式不是向其提供地址，而是向其提供数据。所有的数据比较器将同时检查其对应的寄存器是否保存着和该数据相同的数据。将数据对应的行地址输出。该技

4、术的主要用途是实现快速查找表。在网络路由器中,经常使用快速查找表。动态随机存取存储器“动态”这个词意味着数据不是保存在触发器当中，而是保存在存储单元中。由于存在泄漏，所以保存在存储单元中的数据必须定期更新（读出并重新写入）。通常，更新时间间隔为毫秒。存储单元只需一个电容器和一个晶体管，而连接在阵列当中的一个触发器则需个晶体管.所有现代 都使用沟道电容存储技术晶体管置于电容之上而使芯片尺寸最小化.因此， 技术比 技术的位成本要低。当所需存储量很大时，数据更新需要额外电路这个缺点很容易就被较低的位价格弥补了。和存储器一样，存储器也是由存储单元构成的。二者之间一个主要的区别在于寻址技术的不同。对于

5、存储器，需要为存储器提供地址，而存储器芯片输出存储单元中的数据；或者在输入端接收数据，并将其写入存储单元中去。对于存储器，这种简单的存取方法式是不可行的；由于动态的特点，读出一行数据而不再次将其写入会破坏该行内所有的数据。只读存储器也叫做掩模或者掩模编程。这是因为在制造时就需要通过将存储单元置或置，对其进行编程。通常，或就是铝线的有和无。铝层图案是在芯片制造的最后一道工序中由一块掩模平板决定的。所以，该类器件常被称做掩模。“量产价格最低”的优点。对于某些应用来说， 还具备另外一个优点一旦芯片被制造出来，就不可能改变其中的数据了，这样就不需要进一步编程和测试了。但是，假如数据或者代码必须更改的话

6、，那么这可能就是一次失败。剩下的芯片将被丢进垃圾桶，而且不得不制造新的芯片。电可擦除可编程只读存储器 是指该类芯片可以像 一样可编程，但使用的是电擦除的方法。这样，就不需要紫外线信号源了。 支持“按字节擦除”。第课运 算 放 大 器年，哈利布莱克乘火车或渡船从位于纽约市的家去新泽西州的贝尔实验室上班。在上班途中，哈利能够放松下来，思考一些概念上的问题。哈利需要解决一个很棘手的问题：电话线在用于长途传输时就需要放大器，而性能不可靠的放大器限制了电话业务的扩展。首先，增益容差性能很差；但是，通过使用调节器，这个问题很快就解决了。第二，即使放大器在工厂里被调节正确了，但在现场工作时增益还是漂移得很厉

7、害，以至于音量太低或输入语音发生畸变。为了制造出稳定的放大器，哈利已经进行了多次尝试；但是，温度变化和电话线上出现的供电电压极限使得增益漂移无法控制。无源器件比有源器件具有好得多的漂移特性；假如能使放大器增益仅由无源器件决定的话，那么这个问题就会解决。在乘渡船上下班的途中，哈利构思一个新颖的、解决放大器问题的办法，并在途中将它记录下来。这个解决方案是这样的：首先设计一个增益比实际需求高的放大器，然后，将放大器输出信号的一部分反馈输入端，这使得电路增益（这里的电路由放大器和反馈器件组成）由反馈电路决定，而不是由放大器增益决定。这样的话，电路增益就取决于无源反馈器件，而不是有源放大器。这个方案被称

8、为“负反馈”，它是现代运算放大器的基本工作原理。哈利在乘坐渡船途中记录了第一个有意加入反馈的电路。此前，也一定有人无意中使用过反馈电路，但设计者忽视了这种作用！管理者和放大器设计者可能会发出痛苦的抱怨。他们可能会说：“获得的增益带宽积就够难的了，现在这个傻瓜要我设计增益带宽积为的放大器，而他还是想得到一个增益带宽积为的电路”。然而，时间已经证明哈利是正确的，但有一个小问题哈利没有详细讨论振荡问题。在环路闭合的时候，开环增益设计得很大的电路有时会发生振荡。很多人都研究了这个不稳定现象，在世纪年代人们对它有了清晰的认识；不过，解决稳定性问题需要长时间单调复杂的计算。许多年过去了，没有人能将解法简化

9、或者使之易于理解。年，波特用图形化方法展示了一个用于分析反馈系统稳定性的系统。那时，反馈分析是用乘法和除法完成的。因此，计算传输函数是一件耗时费力的工作。需要知道的是：直到世纪年代，工程师们才有了计算器和计算机。波特采用了一种对数方法将分析反馈系统稳定性的数学过程转换为容易的、好理解的图形化分析。虽然反馈系统的设计依然很复杂，但它再也不是一件只有少数电气工程师掌握的技术。任何电气工程师都可以使用波特的方法确定反馈电路的稳定性，并越来越多地将反馈应用到机器设计当中。直到计算机和传感器出现后，才产生了对电子反馈设计的真正迫切需求。第一台实时计算机是模拟计算机。这台计算机使用预先编程的数学公式和输入

10、数据来计算控制动作。编程是对一系列能完成对输入数据进行数学操作的电路进行硬连线，硬连线的限制最终导致模拟计算机没有普及。模拟计算机的心脏是运算放大器；通过配置，它可以对输入数据进行多种数学运算，如乘法、加法、减法、除法、积分和微分。随着人们逐步了解并喜欢运算放大器，它们的名字就简化成了大家熟知的“”（运放）。运放使用一个具有很大开环增益的放大器，当电路形成闭合环路时，放大器就会执行由外部无源元件控制的数学运算。这个放大器体积很大，因为它是用真空管做的，而且需要一个大电压电源。但由于它是模拟计算机的心脏，所以人们还是接受了它这种大体积和大电压。许多早期运放是为模拟计算机设计的，人们很快就发现运放

11、还有其他用途，在物理实验室也很容易得到运放了。那个时候，在大学和大型公司的实验室里就能够看到通用模拟计算机；因为对那里进行的研究工作而言，计算机是至关重要的。同时，在实验室实验中也需要对传感器信号进行调理，运放在信号调理方面也找到了用武之地。随着信号调理应用范围的拓展，其对运放需求的增长超过了模拟计算机。甚至在模拟计算机逊色于数字计算机之后，运放因其在通用模拟应用中的重要性而并未受到冷落。数字计算机最终替代了模拟计算机，但运放的需求量却随着测量应用的增长而增长了。在晶体管出现之前，第一个用于信号调理的运放是用真空管构建的，因此它的体积很大。世纪年代，低电压工作的小型真空管使运放的体积缩小到一块

12、砖的大小，因此运放模块有了一个“砖块”的绰号。真空管和组件的体积不断地缩小，直至运放缩至一只八角真空管的大小。在年代，晶体管实现了商业开发，这进一步将运放的体积减至几个立方英寸。大多数早期运放是为特定应用而制造的，所以它们不一定通用；早期运放是为某种特定应用服务的，但每个生产商的技术指标和封装都不同。年代末年代初，集成电路开发出来了。但直到年代中期，仙童公司才发布了。它是首片取得商业成功的集成运放。虽然有自身的问题，然而任何一位称职的模拟工程师都能使用它，在许多不同的模块应用中也都可以使用它。的主要缺陷在于稳定性；它需要外部补偿。也很敏感；一旦不利条件出现，它就容易自毁。在之后出现了内部补偿的

13、；当在数据手册要求的条件下工作时，是不需要外部补偿的。从那以后，新系列的运放就不断出现；今天，运放的功能和可靠性已经提高到了这种程度任何人都能在模拟应用中使用它。今天，集成运放仍然存在。最新一代的运放可以覆盖从 至 的频谱范围。供电电压范围从可靠运行的伏到最大绝对指标的伏。由于输入电流和输入偏置电压很低，用户在验证指标时遇到难题。运放已经真正成为通用模拟集成电路，因为它可完成所有模拟任务。它可以用做线驱动器，比较器（位模数转换），放大器，电平偏移器，振荡器，滤波器，信号调理器，执行部件驱动器，电流源，电压源等。设计者面临的问题是如何迅速选择正确的电路运放组合，然后，如何计算能产生期望电路传输函

14、数的无源元件值。运放是一种如此基础的部件，它将继续作为模拟设计的关键部件。每一代电子设备在硅片上集成了更多的功能，将更多的模拟电路置于集成电路内部。随着数字应用的增加，模拟应用也会增加；因为大量的数据应用和接口应用都在现实世界中，而现实世界是一个模拟的世界。因此，每一代新型电子设备需要新型的模拟电路，就需要新一代运放去满足上述需求。未来，模拟设计和运放设计将是一项必备的基本技能。第课模数转换器模数转换器（）的种类和冰激凌的风味一样多，所以挑选 需要和挑选冰激凌一样细心。最常见也最易理解的一种是闪式。闪式能够实现快速转换，因而能提供很高的采样率，但基本形式闪式的功耗很大。闪式将输入信号同时置于一

15、列（）个比较器之前，而比较器的参考电压是由一组电阻设定的，这些参考电压精确对应于转换器代表的所有采样电压可能值。每个比较器的输出（或）被编码成位码字以代表输入采样信号电平。这是最简单、最直观和最快速的实现方案。对于多数实际应用而言，当位数较多时（如：大于位），所需的电阻数就太大了。与一些速度稍慢、特殊的模数转换方案相比，闪式的功耗明显要高。图显示了一个典型闪式 的输出频谱。它是通过对 转换后的纯正弦样本进行快速傅里叶变换（）得到的。可以立即明确的是：频谱不是简单地由输入正弦分量组成的，还有一些分布在测量带宽内的其他分量。这些分量主要来自不可避免的量化误差（噪声）。这是因为转换器试图使用有限个可

16、用样值（由位数决定）来代表模拟输入电平。对于满量程正弦波，作为转换器精度函数的有效信噪比可由（在一些基本假设前提下）下式决定（公式略）。其中，是转换器的位数。产生图中曲线的 具有位转换精度，其理论值为分贝。从该曲线中可以看出：正弦分量电平和单个噪声分量电平之差接近分贝。这两个数值之间存在差异的原因是公式使用了全部噪声，其中包括构成的全部单个噪声分量之和。指出这个特点的原因是：通过提高采样率，可以提高转换器的有效精度（见下文）。过采样实现处理增益在一个给定的音频应用中，假定我们需要转换过程中的信噪比至少为分贝。公式表明：需要最少位的转换精度（前提是满幅正弦波输入和理想转换器），测量中包含00.5

17、带宽中的全部噪声。如果采用倍带宽的采样率（见图），我们可以看到实际的音频信号仅占用了基带的1/4（00.5），而噪声在带宽内均匀分布。假如现在准备对采样信号进行数字滤波，我们可以去掉约3/4的噪声，从而将信噪比提高分贝或分贝。这种的有效提高称为处理增益，它是通过对输入信号进行过采样（相对于倍带宽原则而言的）来实现的。可以很容易推导出最大处理增益的简易公式。处理增益（分贝）=10log（采样率信号带宽）。在该公式中，我们假定：为了满足期望的输入信号带宽，使用数字滤波对样本带宽进行限制；而且噪声是均匀分布的。这样的话，假如我们使用倍过采样设计（常见于微型磁盘和机声卡），那么就可以获得的信号量化噪声

18、的提高，从而将转换器的有效精度从位提高至位。顺便说一个例子，考虑使用该方法提高数字移动电话中数据转换器的性能。一个 蜂窝信道的带宽为。目前，我们可以得到采样率为、精度为位的高速模数转换器，这样的模数转换器能够在整个的范围内提供的信噪比。其处理增益如下：处理增益（）（）。这样采样信号就具有一个很好的信噪比：。西格玛 德尔塔（-）转换器处理增益的概念恰好可以引领我们进入西格玛 德尔塔（-）转换器这个话题。由于充分利用了处理增益的概念，-转换器获得了高性能、低成本、低功耗的优势；-转换器只需简单的模拟接口（需要很少的或者不需要抗混叠滤波器），所以非常适合于音频应用。图显示的是一个基本-转换器的框图。

19、这个转换器实质上是一个后跟数字滤波和抽取、高过采样率的位模数转换器（即比较器），数字滤波和抽取用来实现处理增益。由于增加了噪声整形电路，该转换器的有效性能获得了极大的提高。噪声整形电路将原本在频带内均匀分布的噪声最大限度地从有用频带中去除（见图）对于典型的倍带宽过采样系统，仅处理器增益一项就可将有效精度提高位（即相当于一个位的转换器）。而噪声整形能将有效精度进一步地大幅度提高；对于某些用于音频的-转换器而言，现在已经可以达到位的精度了。现代转换器使用了比图复杂得多的噪声整形处理方法；图只是一个简单的一阶-设计；但是，使用处理增益和噪声整形的基本原则却是相同的。实际上，目前使用的模数转换方法有几

20、十种。逐次逼近法、多通道法、插值法、子区法和逐位处理法是其中常用的几种。每一种方法都具有一些其他方法不具备的潜在性能优势。幸运的是，在为您的应用选择器件的时候，一般不需要理解其工作原理。而认真研究数据手册上提供的性能指标将会为您的应用做出最佳的选择。第课开 关 电 源除了那些用电池做电源的电子产品外，每个新型电子产品都需要将或者的交流电源转换为直流电源，为电路供电。电功率的转换效率正在成为公司和整个社会关注的重点。开关电源不仅提供了较高的转换效率，而且为设计者提供了更大的灵活性。半导体技术、磁器件和无源器件技术的进步，使得开关电源在今天功率转换的舞台上成为日益流行的选择。线性电源和开关电源之比

21、较在历史上，线性稳压器曾是产生稳压输出电压的主要方法。通过对级联功率通过器件的导电性进行线性控制以响应负载变化，线性稳压器可以将输入高电压降为输出低电压。这种方法导致在负载电流流经的通过单元两端出现一个大电压。这个功率损耗使得线性稳压电源的效率只有到。这意味着每向负载输送瓦特的功率，就会有至少瓦特的功率以热能形式消耗了。对于一些功率超过瓦特的小型应用而言，散热装置的成本就导致使用线性稳压电源不合算。开关电源中的功率器件工作在全开和截断状态。这样，要么在大电流流经功率器件时，导通电压很低；要么在大电压时，没有电流通过器件。因此，电源内部消耗的功率就很少。开关电源的平均效率为，而且和输入电压无关。

22、集成度的提高推动着开关电源成本的下降，这使得它在输出功率超过瓦特及多输出应用中成为具有吸引力的选择。基本转换器前向模式转换器基础最基本的前向转换器是如图所示的降压转换器。其工作过程可视为两个不同的时间周期，它们分别出现在串联功率开关处于“接通”和“断开”的状态。当功率开关接通时，输入电压连接到电感的输入端。电感的输出电压就是转换器的输出电压，整流器处于反偏置。在这个期间，由于在电感两端存在一个恒定电压源，所以电感电流开始按照如下公式线性增加：（公式略）。在“接通”周期，能量以磁通的形式存储在电感的铁芯材料中。存储的能量足以满足负载在下一个“断开”周期的需求。下一个周期就是功率开关的“断开”周期

23、。当功率开关断开时，电感输入电压被捕获二极管钳位在地电位以下一个二极管电压降。电流开始流过捕获二极管以维持负载环路电流。存储在电感中的能量被移走。这段时间内的电感电流可表示为：当功率二极管再次接通时，这个周期就结束了。电压调节是通过改变功率开关的“接通断开”的占空比来实现的。下面的关系式近似描述这个工作过程：（关系式略），式中的是占空比。该转换器可以输出千瓦级功率，但它却有一个严重缺点假如功率开关非正常短路，输入电源就会直接连接到负载电路，这通常会造成灾难性后果。为了避免出现这种情况，在输出端跨置了一个短路器。短路器是一个闭塞的半导体可控整流器。当输出进入过电压状态时，就会激发这个整流器。降压

24、转换器仅用于板级电源管理。增压模式转换器基础最基本的增压模式转换器是升压稳压器。其原理图见图。其工作过程也可以分两个不同的周期，分别对应着功率开关的“导通”和“断开”状态。当功率开关导通时，输入电压源接到电感两端。电流从零开始按照如下公式增加：能量被存储在铁芯材料中。每个周期存储的能量和工作频率的乘积必须大于负载的功率需求，即满足下式（关系式略）。然后，功率开关断开，电感电压超过输入电压并被整流器钳位在输出电压上。电流开始线性下降直至铁心中的能量全部耗尽。如图所示，其电流波形由下式决定（公式略）。升压变换器也仅用于板级电压管理。拓扑结构拓扑结构是指功率器件和磁元件的布局。每种拓扑结构在特定应用

25、中都有各自的优点。决定一种拓扑结构是否适于某个特定应用的因素如下：1）该拓扑结构的输入输出之间是否实现了电气隔离？2）有多少输入电压加在电感或者变压器两端？3）流经功率半导体器件的峰值电流为多少？4）是否需要多个电压输出？5）功率半导体器件两端出现的电压有多大？ 设计者面临的第一个选择是：是否采用输入和输出之间的变压器隔离。非隔离开关电源的典型应用是为具备绝缘隔板的系统提供板级电压调理。非隔离拓扑结构还可用于这种情况：当出现故障时，输入电源不会连接到易损负载电路。对于所有其他情况，应该使用变压器隔离。与变压器隔离相关的是对多电压输出的需求。变压器为开关电源增加附加输出提供了一种易于实现的方法。

26、制造自己系统电源的公司倾向于在尽可能多的电源中采用变压器隔离，因为这种隔离避免了故障出现时将产生的连锁反应。第课现代数字设计概览传统上，电子电路设计可分为两大类：模拟设计和数字设计。通常，这些课程是分别教授的；电子工程师往往精通某个领域。还可以对这两大设计领域进一步进行专业细分。例如，射频模拟电路设计、数字集成电路设计和混合信号电路设计（当数字和模拟两大领域相遇时）。此外，在嵌入式系统设计中，软件工程师理所当然地扮演着越来越重要的角色。在消费类电子产品当中，数字电子技术更为重要。汽车拥有复杂的控制系统。现在，许多家庭也有了个人电脑。曾经被视为模拟产品的收音机、电视机和电话，现在已经成为或者正在

27、变成数字的。数字光盘几乎完全替代了密纹唱片。因为有了这些变化，所以产品的生命周期就缩短了。在附近的商店里，新型号的数字电子产品很可能在不到一年的时间内就全部替代原有的产品。设计自动化为了跟上如此迅速的变化，电子产品必须要以极快的速度设计出来。模拟设计依然是一个专业化程度很高、收入颇丰的职业。数字设计已经非常依赖于计算机辅助设计（）也被称做设计自动化（）或者电子设计自动化（）。工具可以完成两类任务：综合和模拟；综合是将设计指标转化为实际的设计实现，而模拟是对设计指标或详细的实现方案进行“演习”，以确保其运行正确。综合和模拟的工具要求设计者将想法转化成设计。这可以通过使用图形化软件包画设计原理图来实现。这种方法称为“原理图输入”。另一种方法是用文本形式表示设计，这种方法和软件编程很相似。数字电路硬件的文本描述可以用编程语言来编写（如语言），也可以使用硬件描述语言（）。在过去大约年里，一些 被设计出来。现在广泛应用的两种硬件描述语言是：和 （硬件描述语言，代表超高速集成电路）。标准化的 是很重要的，因为标准化语言可以被不同生产商提供的不同具使用。在和出现之前，每个工具都有自己 的 。在不同之间进行转换（如用另外的