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1、电子技术的发展与应用综述摘 要：本文介绍了通信技术的产生发展过程，以及电子技术的产生及发展。并且分析了两者之间的关系，介绍了差分电路在射频系统中的应用，最后指出了电子技术未来的发展前景。关键词：电子技术；通信工程；应用；前景电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。进入21世纪，人们面临的是以微电子技术（半导体和集成电路为代表）电子计算机和因特网为标志的信息社会。高科技的广泛应用使社会生产力和经济获得了空前的发展。现代电子技术在国防、科学、工业、医学、通讯（信息处理、传输和交流）及文化生活等各个领域中都起着巨大的
2、作用。现在的世界，电子技术无处不在：收音机、彩电、音响、VCD、DVD、电子手表、数码相机、微电脑、大规模生产的工业流水线、因特网、机器人、航天飞机、宇宙探测仪，可以说，人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它。1通信技术的产生和发展1.1原始通信方式开始要靠人力来传递信息，传送速度很慢。后来，为了战争的需要，用烽火台来传递信息。但这不能传递文字等更多的信息。1791年，法国牧师夏普（C.Chapper）创制了“横木通信机”在一根支柱的顶端，安放着一根可转动的横木，横木两端各有一根木条，转动横木得到的不同位置的木条代表不同字母，从而实现文字信息的传送。1.2有线通信18世纪末19世纪初，人类已
3、经掌握了电流的使用。与法拉第生于同一年的美国人莫尔斯（Samuel F.B.Morse）1837年发明了用一根导线连接的电报机。到1872年莫尔斯去世以前，美国和整个欧洲几乎都采用了这种通信方式。1875年6月2日晚，苏格兰人贝尔（Alexander.Graham Bell）和沃特森（Thomas Watson）在实验室实现了人类第一次电话通话，“沃特森先生，快来呀，我需要你”。又用了半年时间，做成了世界上第一台电话机。现在全世界电话机已有十几亿部。1.3无线电通信继英国人法拉第电磁感应理论的建立，在法拉第和（英）汤姆逊（J.J.Tomsson）等人的指导下，苏格兰人麦克斯韦（James Cl
4、eak Maxwell）在1855年建立了麦克斯韦方程，1862年，提出了电磁波的存在和传播，1865年建立了麦克斯韦方程组和电磁波的理论。德国人赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）于1888年验证了电磁波的存在。新西兰人卢瑟福（Rosserful）随后成功的进行了电磁波的传送实验。俄国人波波夫1894年研制成功了世界上第一台无线电接收机。意大利人马可尼（Gaglielmo Marconi）1895年制成了第一台无线电收发报机。随着装置的改进，马可尼于1901年利用135米高的天线，成功实现了横跨大西洋的无线通信。2 电子器件的产生利用当时现有的器件，不能实现远距离通信。在众多科
5、学家孜孜不倦的探索下，出现了一种全新的、对人类历史进程产生深远影响的电子器件。其标志性器件就是二极管、三极管和集成电路。2.1主要阶段概述第一代电子产品以电子管为核心。四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管。五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。2.2基本器件的两个发展阶段（1）分立元件阶段（190519
6、59）真空电子管、半导体晶体管期间的主要大事有：1905年 爱因斯坦阐述相对论Emc21906年 亚历山德森研制成高频交流发电机 德福雷斯特在弗菜明二极管上加栅极，制威第一只三极管1912年 阿诺德和兰米尔研制出高真空电子管1917年 坎贝尔研制成滤波器1922年 弗里斯研制成第一台超外差无线电收音机1934年 劳伦斯研制成回旋加速器1940年 帕全森和洛弗尔研制成电子模拟计算机1947年 肖克莱、巴丁和布拉顿发明晶体管；香农奠定信息论的基础1947年 贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱研制成第一个点接触型晶体管1948年 贝尔实验室的香农发表信息论的论文 英国采用EDSAG计算机，这是最早的一
7、种存储程序数字计算机1949年 诺伊曼提出自动传输机的概念1950年 麻省理工学院的福雷斯特研制成磁心存储器1952年 美国爆炸第一颗氢弹1954年 贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅1957年 苏联发射第一颗人造地球卫星1958年 美国得克萨斯仪器公司和仙童公司宣布研制成第一个集成电路（2）集成电路阶段（1959）SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI表1 集成电路发展阶段自1958年第一块集成元件问世以来，集成电路已经跨越了小、中、大、超大、特大、巨大规模几个台阶，集成度平均每2年提高近3倍。随着集成度的提高，器件尺寸不断减小。 1985年，1兆位ULSI的集成度达到200万个元件，器件
8、条宽仅为1微米；1992年，16兆位的芯片集成度达到了3200万个元件，条宽减到0.5微米，而后的64兆位芯片，其条宽仅为0.3微米。 集成电路制造技术的发展日新月异，其中最具有代表性的集成电路芯片主要包括以下几类，它们构成了现代数字系统的基石。2.3先进电子材料的问世为了进一步减小器件的体积、提高器件的性能，人们不断寻找先进电子材料。现在已经发现的电子材料有：仿生智能材料、纳米材料、先进复合材料、低维材料（量子点、量子线、巴基球和巴基管）、高温超导材料和生物电子材料等。先进电子材料正应用于新型电子器件的制造之中。2.4电子技术的发展展望新型电子材料的问世，将使电子技术向更高层次发展。这些材料
9、将使今后的电子器件功能化、智能化、结构功能一体化，使电子器件尺寸进一步缩小，功能更全，运算速度更快，为分子器件、单电子器件、分子计算机和生物计算机打下了基础。据日本科学技术厅第六次技术预测调查显示，在今后二十几年内，电子技术领域较重要的技术项目及实现：2013年，最小尺寸为10nm的图形加工技术实用化；开发出1000G半导体存储器；2014年，256G以上的半导体存储器实用化；开发出10GIPS、耗电10mW以下的处理器LSI;数10万门以上高性能LSI全自动设计的虚拟工厂技术实用化；2015年，开关速率为1ps以下的LSI实用化；当给定数据后，LSI芯片就可自动进行生产的生产系统实用化；存储
10、密度为目前半导体存储器（1Gbits/cm2）1000倍（1000Gbits/cm2）的生物芯片实用化；单电子晶体管LSI实用化；1001000GHz高频宽带固态放大器实用化；20172022年，100G以上的可改写非易失性半导体随机存储器实用化；2018年，TIPS级微处理器实用化；2022年，开发出1个原子或1个分子存储一位信息的存储系统。3 电子技术与通信工程的联系电子技术与通信工程密切联系，相互促建，互相依赖。电子技术与通信工程领域取得的重大成果在现代社会发展中起到了举足轻重的作用，全面的加快了各行业的产业自动化脚步。电子技术与通信工程为社会在科技领域的进步，奠定了坚实的基础。是电子技
11、术与信息技术相结合，构建现代信息社会的工程领域，电子技术是利用物理电子与光电子学、微电子学与固体电子学的基础理论解决电子元器件、集成电路、仪器仪表及计算机设计和制造等工程技术问题；信息技术研究信息传输、信息交换、信息处理、信号检测等理论与技术。电子技术的迅猛发展给新技术革命带来根本性和普遍性的影响，电子技术水平的不断提高，既出现了超大规模集成电路和计算机，又促成了现代通信的实现。电子技术正在向光子技术演进，微电子集成正在引伸至光子集成。光子技术和电子技术的结合与发展，正在推动通信向全光化方向通信的快速发展，而通信与计算机越来越紧密的结合与发展，正在构建崭新的网络社会和数字时代。电子技术是根据电
12、子学的原理，运用电子器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学，包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。信息电子技术包括Analog(模拟)电子技术和Digital(数字)电子技术。电子技术是对电子信号进行处理的技术，处理的方式主要有：信号的发生、放大、滤波、转换。通信工程是信息科学技术发展迅速并极具活力的一个领域，尤其是数字移动通信、光纤通信、lntemet网络通信使人们在传递信息和获得信息方面达到了前所未有的便捷程度。通信工程具有极广阔的发展前景。由于通信产业在全球的高速及持续发展，作为真正的“朝阳产业”、“知识经济”，到了20世纪80年代，从美、El、英等发达国家吹过来的信息革
13、命这股飓风，为我国通信工程专业的发展增添了强劲的动力，也是从这时起，通信工程迅速兴起，通信技术在国4 通信工程中电子技术的应用电子技术在通信工程的应用中，有与相关领域相适应的特点。其中一项典型的应用就是射频系统中的差分电路。差分信号，则是平衡信号，差分对一般有着共同的共模电平和幅值相同的差模电平。衡量差分信号或者说平衡信号时，我们关心的是正负输入端信号的差值变化。这种平衡的信号带来的谐波失真就相对小很多。另一方面，在通信系统应用的时候，我们看到一个比较通用的超外差接收器的信号链，图1 为通用的超外差接收器的信号链，在天线后接一级低噪放大器，用于放大信号并抑制噪声，而后用两级混频器将信号下变频到
14、较低频，其间我们会加入适当的滤波器，以滤除有用信号频带以外的噪音和谐波，之后就是驱动ADC的缓冲运放。这是我们今天主要讨论的问题。这一级运放的主要目的是调节信号的电平范围，提高驱动能力，有时候也要作为单端差分之间的转换。在进入ADC之前我们需要加抗混叠滤波器，最后是用ADC对基带信号进行模数转换。我们看到如果系统想实现较高的动态范围，除信号以外不能引入过多的噪声和谐波。图1 通用的超外差接收器的信号链设计是一个较好的射频系统设计，首先，信号灵敏度要高，这意味着较低的噪声，时钟引入的相位噪声同样要低。输入信号要有足够的驱动能力，相关的指标，如高的三阶截点和1dB压缩点。然后是各个模块的性能是否足
15、够好，是否能较好的区分信号和噪声，线性度是否足够好等等。如图2所示，单端信号会对共模噪声、电源噪声和电磁干扰比较敏感，运放会对这些噪声一定程度的放大。而差分信号由于两侧信号自身形成电流回路，抑制了共模噪声和干扰，仅对差模信号进行有效放大。通过推导，我们也可以看出差分放大的奇次特性，理想情况下频谱上我们仅能看到基波和奇次项谐波。在这里我们仅给出结论，比较值得注意的是三次谐波和它引起的三阶截点，IP3是在基波和三阶失真输出曲线交点的理论输入功率，它是描述放大器线性程度的一个重要指标：图2 单端和差分信号差别图3 有用的信号和噪声图4是一个单端输入单端运放的例子，可以看到中频放大器、抗混叠滤波器、变
16、压器和ADC四个级各自的信号增益，输入输出3阶截点功率，和引入噪声的系数等指标。单端信号利用无源变压器在ADC前转换为差分信号。这里要注意一下，假设ADC的终端匹配阻抗为200，而由于前面各级都是50的特征阻抗，所以将变压器的阻抗比设为1:4。 如果把变压器提前，将信号在运放前就转换为差分信号，则单端运放换成差分运放，这样即构成全差分结构。如图5所示。这里要讲到级联系统总体噪声系数和输入输出三阶截点的等效计算。当考虑总体的噪声系数时，第一级的影响最大;而考虑截点指标时，最后一级的影响最明显。刚才提到的两种单端转差分方式，总体产生的信号增益、三阶截点、噪声系数和无杂散动态范围，从指标上看相差不多，差分有源驱动
