电子技术的发展与应用综述

引言
    人类历经过以火、陶瓷及金属农具生产为代表的年代；人类也走过以英国瓦特蒸汽机发明为代表的产业革命、以德国李比希为代表的化工技术革命、以美国爱迪生发明为代表的电力革命；如今跨入了以高新科技综合创新为代表的信息革命时代。
    而正是电子技术的出现和应用，使人类进入了高新技术时代．电子技术诞生的历史虽短，但深入的领域却是最广最深，而且成为人类探索宇宙宏观世界和微观世界的物质技术基础．随着新型电子材料的发现，电子器件发生了深刻变革。
    二十一世纪，人类进入信息时代，信息社会中信息的生产、存储、传输和处理等过程一般均由电子电路来完成，因此电子技术在国民经济各方面占有至关重要的作用。尤其是近年来，随着计算机技术、通信技术和微电子技术等高新科技的迅猛发展，大量的生产实践和科学技术领域都存在着大量与电子技术有关的问题，目前，电子技术的应用极其广泛，涉及计算机产业、通讯、科学技术、工农业生产、医疗卫生等各个领域，如电视信号传播、无线电通信、光纤通信、军事雷达、医疗X射线透视等，所有这些方面均与电子科学与技术学科息息相关，密不可分。
    电子技术是研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。电子技术是其他高新技术发展的基础和龙头，它的发展带动了其他高新技术的发展。
 1.电子技术发展史概述
    电子技术是十九世纪末、二十世纪初发展起来的新兴技术。由于物理学的重大突破，电子技术在二十世纪发展最为迅速，应用最为广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。
   从20世纪60年代开始，电子器件出现了飞速的发展，而且随着微电子和半导体制造工艺的进步，集成度不断提高。CPLD／FPGA、ARM、DSP、A／D、D／A、RAM和ROM等器件之间的物理和功能界限正日趋模糊，嵌入式系统和片上系统(SOC)得已实现。以大规模可编程集成电路为物质基础的EDA技术打破了软硬件之间的设计界限，使硬件系统软件化。这已成为现代电子设计的发展趋势。
    电子技术的发展，不仅仅体现在电子器件和电子产品的进步上，在电子产品的开发和加工工艺上有，也取得了革命性的变化。
    1947年12月，美国Bell实验室的Shockley、Bardeen和Brattain等人发明了晶体三极管。晶体管相较于真空管具有显著的优越性能，因此晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。现代电子技术的发展，由此拉开了序幕。
    对于由晶体管构成的分立元件电路，过去的设计者更多的将注意力集中在晶体管内的电流及管脚间的电压的计算上。随着集成电路的发明和大规模集成电路生产的关键技术问题的解决，设计者开始腾出更多的精力进行上层的逻辑设计，从而使较复杂的电路的发明成为了可能。
    大规模集成电路和超大大规模集成电路的出现，为微型计算机的诞生创造了条件。微型计算机的应用使得电子技术开发方式发生了根本的变化。
    近50年来，微电子技术和其他高科技技术的飞速发展，致使工业、农业、科技和国防等领域发生了令人瞩目的变革。
    与此同时，电子技术也改变着人们的日常生活。收音机、电视机、高保真度音响、DVD播放机、通信设备（程控电话机、移动通信机）、个人计算机等大量的电子产品，几乎成为人们生活中不可缺少的部分。
    我国微电子产业起步于1965年．经过40多年的发展，现已初步形成了包括材料、设计、制造、封装共同发展的产业链。改革开放以来，由于境外大量集成电路设计公司和芯片制造公司的涌入以及国家对集成电路高技术产业的政策支持，使我国微电子产业(集成电路产业)进入了高速成长期。中国集成电路需求占世界需求份额从2000年的6．9％上升到2007年的30．1％。
2.电子技术的构成与特点
    电子技术由模拟电子技术、数字电子技术两部分构成。随着晶体管、集成电路的发明和大量应用，电子技术在各自的应用领域都得到了长足的发展，产品更是日新月异。
2.1模拟电子技术
2.1.1模拟电子技术特征与工艺
    总体上说，模拟电子技术就是研究对仿真进行处理的模拟电路。模拟电子技术是整个电子技术的基础，在信号放大、功率放大、整流稳压、模拟量反馈、混频、调制解调电路领域具有无法替代的作用。例如高保真(Hi-Fi)的音箱系统、移动通讯领域的高频发射机等。
    模拟集成电路最重要的指标是电压和功率。例如，过去的模拟集成电路实际上采用的是基于数字集成电路的混合集成电路5V CMOS工艺，现在已经越来越多的器件要求采用高压的BCD工艺。如何提高耐压，加大功率，降低导通电阻，对于模拟集成电路是一个挑战。
2.1.2模拟电子技术的应用
    模拟技术主要应用于和各种模拟量接口的场合。进入二十一世纪以来，模拟技术有了飞速的发展。这主要得益于消费类电子产品的飞速发展，不仅是和娱乐密切相关的音视频产品的快速发展，而且还有游戏类，保健类等产品的快速发展。音视频的输入输出都是模拟量，必须采用模拟的接入，经过数字处理，再变回模拟量以供人耳及人眼接收。除了人的听觉、视觉、触觉等都是接收模拟量以外，其他自然界的物理量也都是模拟量，过去像这些温度、压力等等各种物理量主要是用在工业测量和控制中，而现在也开始广泛地应用到各种个人消费类产品中。例如电子体温计、电子血压计。最新的人机互动的游戏机Wii以及用于保健的Wii Fit，就是采用了最新的加速度测量芯片。此外，因为大多数消费类产品都是便携式的，大多数都是电池供电，因而以电池为初级电源的各种电源功率器件也得到飞速发展。例如充电管理器、线性低压降稳压器、各种直流变换器等。
2.2数字电子技术
2.2.1数字电子技术概述
    与模拟电路相比，数字电路具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强、程序软件控制等一系列优点。从目前的的发展趋势来看，除一些特殊领域外，以前一些模拟电路的应用场合，大有逐步被数字电路所取代的趋势，如数字滤波器等。
    数字电子技术目前也在向两个截然相反的方向发展，一是基于通用处理器的软件开发技术，比如单片机、DSP、PLC等技术，其特点是在一个通用处理器(CPU）的基础上结合少量的硬件电路设计来完成系统的硬件电路，而将主要精力集中在算法、数据处理等软件层次上的系统方法。
    另一个方向是基于CPLD/FPGA的可编程逻辑器件的系统开发，其特点是将算法、数据加工等工作全部融入系统的硬件设计当中，在“线与线的互联”当中完成对数据的加工。
2.2.2数字电子技术的应用
    数字电子技术一直是电子科学与技术领域中的一个重要分支。近年来，随着微电子和计算机网络等基础技术的飞速发展，数字电子技术已渗透到了科研、生产和人们日常生活的各个领域。数字系统的实现方法在经历了由分立元件、SSI、MSI、LSI到VLSI的系列演变之后，数字器件也经历了由通用集成电路到专业集成电路（ASIC）的演化。目前，随着数字集成技术和EDA、SOC等技术的迅速发展，数字系统设计的理论和方法也在相应的变化和发展。
3.电子技术在自动化领域的应用
3.1电子设计自动化
    电子设计自动化(EDA——Electronic Design Automation)技术是以计算机技术和微电子技术发展为先导，汇集了计算机图形学、拓扑逻辑学、微电子工艺与结构学和计算机数学等多种计算机应用学科最新成果的先进技术，它是在先进的计算机工作平台上开发出来的一整套电子系统设计的软件工具。
    EDA技术是从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)等技术发展来的。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成。设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这既有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，又减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次性成功率。在EDA技术使用ASIC芯片，它可以很容易地转由掩模ASIC实现，因此开发风险也大为降低。
    硬件描述语言(HDL)是EDA技术的重要组成部分，是用文本的形式来描述数字电路的内部结构和信号连接的一类语言，类似于一般的计算机高级语言形式和结构形式。超高速集成电路硬件描述语言(VHDL--VHSIC Hardware Description Langnage)具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模和描述，从而大大简化了硬件设计任务，用VHDL进行电子系统设计的一个很大的优点是设计者可以专心致力于其功能的实现，而不需要对不影响功能的与工艺有关的因素花费过多的时间和精力。采用硬件描述语言作为设计输入和库(LibraIy)的引人，由设计者定义器件的内部逻辑和管脚，将原来由电路板设计完成的大部分工作故在芯片的设计中进行。由于管脚定义的灵活性，大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度，有效增强了设计的灵活性，提高了工作效率。并且可减少芯片的数量，缩小系统体积，降低能源消耗，提高了系统的功能和可靠性。
    EDA技术发展趋势和研究方向：把逻辑综合和布图工艺结合起来进行高层次的综合。布图研究向纵深发展，时延约束、性能优化、时钟偏差以及噪声串扰等成为布图算法的必须考虑因素。在深亚微米工艺下互连线的延迟已超过了门的延迟，在对芯片进行电气性能模拟时必须考虑传输线。传输线的延迟模型、关键路径的延迟估算和时延分析是该领域研究的重点。传输线本身也推动了模拟技术的发展，其中AWE(Asymptotic Waveform Evaluation)方法及其改进是针对互连线模拟的有效方法。此外，低功耗设计技术、模拟电路的EDA工具的发展和软硬件IP核也是EDA技术未来的发展方向。
    随着电子技术和计算机技术的深入发展以及EDA设计技术的不断进步与完善，在单个芯片上集成CPU、DSP存储器和其他控制功能的片上系统正处于高述发展中。未来的电子技术开发方式必然是高度层次化、综合化和自动化的，新器件的涌现和新的开发方式的进步是相互依存、相互促进的，它们会随着科学的发展不断的更新和完善。

3.2炉温控制系统
    炉温控制系统是自动控制系统一个典型的实际应用例子。加热炉温度自动控制系统常用于工业生产中，控制的任务是保持颅内温度T在某个期望温度上。
    被控制对象是加热炉，被控量是炉内温度T。当实际炉温恰好等于给定炉温时，热电偶（测温元件）测量的实际炉温，经放大器（放大元件）转化为电压等于给定电位器（给定元件）的输出电压（相当于期望炉温），比较电路（比较元件）的输出电压，电动机连同调节阀门（执行元件）静止不动，煤气流量一定，实际炉温保持恒定。如果改变工件的数量，使加热炉的符合改变，而煤气流量一定时未改变，则实际炉温就要发生变化，于是，经放大后的电压加在电动机两端，电动机旋转即带动调节阀门的开度 变化，从而使煤气供给量发生变化，使实际炉温改变，最终回到期望温度。其中工件数量、环境温度及煤气压力的变化都是影响实际炉温的干扰因素。
    其中，炉温自动控制系统的模拟图及原理结构图分别如下所示：

图1 加热炉温度自动控制系统

图2 炉温自动控制系统的原理结构图

3.3变电站综合自动化系统
    变电站综合自动化系统是将变电站二次设备包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等1经过功能的组合和优化设计， 利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术，实现对全变电站主要设备和输、配电线路的自动监控、测量、自动控制和微机保护， 以及与调度通信等综合性的自动化功能。该系统利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统、常规的测量和监视仪表，代替常规控制屏、中央信号系统和远动屏，用微机保护代替常规的继电保护屏，改变了常规的继电保护装置不能与外界通信的缺陷。通过利用现代化计算机技术、通信技术等，提供先进的技术设备， 可改变传统的二次设备模式， 实现信息交换，数据共享， 简化系统，减少电缆，减少占地面积，是提高变电站安全稳定运行水平、提高经济效益、向用户提供高质量电能的一项重要技术措施， 降低运行成本、以便更好地实施无人值班， 达到减人增效的目的。
    在社会发展的新形势下， 物价快速上涨， 电力建设场地征用工作难度大、费用高，人工、机械、材料等费用都在大幅增长，设备购置费高，定额材机调整系数大， 而且用户对电能质量的要求也越来越高。所以变电站采用综合自动化系统， 能更好地实施无人值班，其减员增效的优势尤为突出。

4.电子技术的发展前景
4.1电子技术发展方向
4.1.1高集成化、大容量化、超小型化、大型化
    半导体集成电路是信息化社会的“神经”电路。设计尺寸15年缩小1个数量级，1970年为10μm，1985年1μm，1995年0.3μm，2000年0.1μm。此外，已有能够工作的0.04μm器件。虽然似乎还没有达到物理极限，但人们已在讨论后微米时代。DRAM集成度的提高，继续保持3年4倍的速度。1970年DRAM集成度为1kb，1980年64kb，1995年64Mb，2000年1Gb，预期2014年单片256Gb的存储芯片可付诸实用。1970年使用50mm的晶圆片，1980年125mm，1995年200mm，2001年300mm，400mm晶圆片已开始研发，未来晶圆片可望达1m。非挥发性存储器之～EPROM的集成度从1992年的4M开始，1996年64M量产，2017年可望出现100Gb以上的非挥发性RAM。
4.1.2低功耗、易使用性和高生产率
    当前的信息化，无论它的传输、存储，还是加工处理，一切都使用半导体，半导体技术无疑是信息社会的基础。半导体LSI的发展方向有两方面：①开发新的芯片结构：②引入新材料。
    为防止地球升温正积极开发太阳电池清洁能源。在减少功耗方面，计划开发功耗不到10mW，而性能达10GIPS的处理器。电话之后是可视电话，宽带无线终端前途可期，语音识别、自动翻译等功能将一一实现。
4.1.3高速化、超平列化、高感度化
    LSI的开关速度可提高到1皮秒以下，高频宽带固体放大器将达100～1000GHz。取代晶体管的新器件课题有“具有放大功能的超导3端器件”，“单原子工作的超高速、超高集成开关器件”，“TIPS(103GIPS)级微处理器”，“10～100nm分辨率的x射线显微镜”，“100万神经元规模的半导体神经芯片”以及“高温超导材料”，等等。
4.2当今电子技术发展趋势
    当今电子技术领域着眼于绿色环保与节能方向的产品研发。
    2009年10月，日本最大的电子展“CEATEC TAPAN2009”在幕张国际会展中心开幕，以“数字融合：创造明天连通未来” 为主题的展览，向世界展示了当今最领先的电子元件产品。
    例如村田研发的锂离子二次电池，可以更加充分地利用原有锂离子电池进行二次供电。同时，村田公司亦展示了最新产品在燃料电池和太阳光发电等清洁能源领域中的应用。增加设备附加功能的展区重点展示了通信模块和传感器技术，包括低功耗蓝牙、WirelessHD视频传输模块、WiFi、RFID应用等模块产品以及各种最新传感器技术。特别是指纹认证和生物特征传感器令人眼前一亮。展示还包括只能通过放大镜观看的最小陶瓷电容器等节省空间的元件以及抗噪声和ESD保护解决方案技术。
    而目前节能的最大特点就是模拟和数字相结合。具体来说，过去的电源几乎是完全模拟式的。以后出现了开关电源，就大大提高了它的效率。同样，过去的功率放大器几乎全部是模拟式的。自从出现了D类功率放大器以后，其效率提高了3－5倍。因此，可以认为，在功率放大器方面，目前正在经历着一场从模拟到数字的革命。当然不论是开关电源或是D类功率放大器也完全不同于一般意义上的数字技术。所以这实际上是一种模拟和数字相结合的产品。  
    为降低黑色家电能耗的D类功率放大器和用于LCD液晶屏的LED背光恒流驱动。这两种技术对于黑色家电的节能起着极其重要的作用。