Transcript 電子學ch1教案

第
1
章
概論
按一下以編輯母片標題樣式
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按一下以編輯母片
第二層 1-1 電子學發展的歷史
第三層 1-2 電子學未來發展的趨勢
第四層
1-3
基本波形認識
第五層
1
1-1
電子學發展的歷史
按一下以編輯母片標題樣式
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1.不同時期的電子成品
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第二層
第三層
第四層
第五層
從十九世紀末至今，整個電子學發展的歷史
為：真空管時期→電晶體時期→積體電路時
期→微電腦時期
節目錄
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2.真空管時期（1897～1947年或稱第一代）
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主要代表性的發明是三極真空管。
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1897：德國科學家布朗製造出第一個二極管，
第二層 本質上為原始的陰極射線管。
1904：英國電機學家弗萊明發明了二極管，
第三層
它是由在真空中一根放射的加熱線和
第四層 接收電子的屏極所構成。當屏極加上
正電壓時，就可收集電子。
第五層
1906：美國電子學家德弗斯特發明了一個具
有柵極的三極管，它具有控制電荷量
及放大的能力。
節目錄
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1912：美國電子學家阿姆斯壯發明了再生式放大
器，具有正回授與持續振盪的特性。
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1917：阿姆斯壯又發明了超外差式接收機，以及
第二層防止不必要振盪的中和電路。
1928：美國軍方在三極管的柵極與屏極之間加一
第三層簾柵極而完成了四極管，以增加對電子流
動的控制。
第四層
1929：美國軍方在四極管的屏極與簾柵極之間加
第五層上了一個抑制柵極，消除了四極管的負電
阻特性。
1946：美國工程師伊葛特及毛奇利合力完成第一
座真空管式計算機，可說是當今電腦的基
礎。
節目錄
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3.電晶體時期（1947年～或稱第二代）
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成功地研究出雙極性接面電晶體（Bipolar
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Junction Transistor，簡稱BJT）與製造出金屬
氧化物半導體場效電晶體（Metal-Oxide第二層
Semiconductor Field Effect Transistor，簡稱
第三層
MOSFET）。MOSFET與BJT相比較，
MOSFET體積小，製程簡單，目前大多數的超
第四層
大型積體電路（VLSI）皆使用MOS技術。
第五層
1947：美國物理學家布拉登和巴定發現點觸式
電晶體的電流放大作用（鍺質）。
節目錄
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1950：貝爾實驗室的狄耳做出了第一個接合式電
晶體，其增益頻帶寬與雜音方面均有很大
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的改善。
第二層
1951：電晶體開始商業化生產（諸如西方電氣、
第三層RCA、西屋公司及通用電氣等）。
1952：美國軍事基金會撥出經費從事半導體研究，
第四層將這些裝置應用到飛彈上，因為電晶體體
積小、重量輕、低功率、性能優，並且可
第五層靠。固態裝置完全取代了真空管。
1954：德州儀器公司正式發表了矽電晶體。
節目錄
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4.積體電路時期（1958年～或稱第三代）（一）
將一個完整電路（包含電阻、電容、電晶體等
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元件）製造在單晶片上。依據積體電路所含零
第二層
件數之不同，可以分為下列五個不同時期：
1959：小型積體電路時期（small scale
第三層
integration，簡寫SSI，指每晶片含100個
第四層 零件以下）
(1)該年3月德州儀器公司的開爾貝在無線電工程
第五層
協會的展覽會上展示其所設計的單晶片。
(2) 1960年2月飛捷公司製造出RTL積體電路。
(3) 1961年完成了TTL的設計，並正式生產。
節目錄
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1965：中型積體電路時期（medium scale
integration，簡寫MSI，指每晶片含100 ～
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1,000個零件）
第二層
(1)該年由於蝕刻技術及包裝方式的改進，由飛捷
第三層
公司領先推出MSI。
(2) 1966年德州儀器公司也開始生產MSI。
第四層
(3) 1968年IBM公司利用MSI做成第三代電子計算
第五層
機IBM 360。
節目錄
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1969：大型積體電路時期（large scale integration，
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簡寫LSI，指每晶片含1,000 ～ 10,000個零
第二層件）
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(1)該年飛捷公司利用顯微鏡及MOS的特性，首
• 第三層
先推出LSI。
• 第四層
(2) 1970年飛捷公司與Intel公司合作製造出可儲
• 第五層
存1000位元的RAM。
(3) 1971年Intel公司利用LSI做成4004微處理器。
同年，IBM公司也做成IBM 370小型電子計算
機。
節目錄
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5.積體電路時期（二）
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1972：超大型積體電路時期（very large scale
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integration，簡寫VLSI，指每晶片含10,000 ～
100,000 個零件）
第二層
(1)該年Intel公司推出單晶片8位元微處理器8008。
(2) 1974 年Intel公司將8008微處理器改進成8080（8位
第三層
元）。
第四層
(3)1976年Intel公司又推出8位元的微處理器8085，並製
造出第一個單晶片微電腦8048。
第五層
(4) 1978年Intel公司推出16位元的微處理器8086。
(5) 1981年我國第一個單晶片4位元微電腦IC （CIC
1000 E） 由電子工業研究所開發完成。
(6) 1982年Intel公司推出32位元的微處理器IAPX 432。
(7)此一時期又稱為微電腦時期（或稱第四代）。
節目錄
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1985：極大型積體電路時期（ultra large scale
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integration，簡寫ULSI，指每晶片含
第二層100,000個以上零件）
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• 第三層
(1)該年Intel公司推出64位元的微處理器 （IA-64
Merced）。
• 第四層
(2) AMD公司也推出64位元的微處理器 （K7）。
• 第五層
節目錄
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6.積體電路依零件數、邏輯閘數來分類（1個邏
輯閘約使用10個零件）
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第二層
第三層
第四層
第五層
節目錄
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7.電子工業的分類及電子學的發展史
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元件（component）－積體電子學
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通訊（communication）－通訊電子學
(1)4C
第二層
控制（control）－工業電子學
計算（computation）－數位計算機電子學
第三層
(2)電子學之發展史
第四層
真空管的發明→無線電與電視→電子工業→
雙極接面電晶體（BJT） →積體電路→場效
第五層
電晶體（FET） →電荷耦合裝置（CCD）
→微電子學→半導體記憶裝置→積體注入式
邏輯（I2L或IIL） →通訊工業與控制工業→
計算機工業。
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1-2
電子學未來發展的趨勢
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•
未來的電子工業將繼續朝著4C發展，彼此相
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輔相成且密不可分。其發展趨勢如下：
1. 零件科學－朝向製造出體積小、功率損耗低、
第二層
精密度高、成本低、功能強、壽命長及品質
第三層
可信度高的目標來發展。
2. 通訊科學－朝向高容量及高品質與穩定性的
第四層
目標發展。
第五層
3. 自動控制科學－趨向結合微電腦系統並應用
於各種控制設備。
4. 資訊科學－朝向4A方向發展，即家庭自動化
（HA）、工廠自動化（FA）、辦公室自動化
（OA）及實驗室自動化（LA）等。
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14
1-3
基本波形認識
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1.直流
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第二層
第三層
第四層
第五層
(1)直流（DC）：為循單一方向之電流或電壓，
其大小穩定而不變化。
(2)脈動直流：若一週期性之電流或電壓，其瞬間
值僅有大小之變化，但其極性並不改變。
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2.交流
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第二層
第三層
第四層
第五層
(1)交流（AC）：其極性經常作有規則之週期變
化，為一種在一定之時間內變換其流動方向之
電流。
(2)圖中所示的正弦波、方波及三角波均為交流。
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3.正弦波
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第二層
第三層
第四層
第五層
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(1)正弦波（sine wave）：若交流電壓或電流之變
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化波形，其大小恰為時間的正弦函數者稱之。
電力公司所供應之交流電即為正弦波。
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(2)正弦波之標準式：
v(t) = Em sin (2πft ±θ) = Em sin (ωt ±θ)
第二層
第三層 振幅 頻率 相位
 振幅 E ：表示正弦波的幅度大小。
第四層
 頻率 f：每秒鐘所產生之週期數，單位為赫芝。
1
1
第五層
公式：T = 或f =
m
f
T
 週期 T：週期性交流訊號完成一週變化所需的時間，單位為秒。
 角速度：每秒旋轉的角度，以ω表示，ω＝2πf。
 相位：表示正弦波之位移角度。
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(3)瞬時值，最大值與峰對峰值
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 標準式：e = E msinθ
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 e為電壓瞬間值，E m 為電壓之最大值（峰值）。
第二層峰對峰值V = V －V = 2E

p-p
max
min
m
第三層
(4)有效值：表示一交流和一直流通過同值之電
阻時，發生之熱效應相等。
第四層
1
Veff = Vrms =
Vm = 0.707Vm
第五層
2
Ieff = I rms
1
=
I m = 0.707I m
2
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(5)平均值：指一週間正半週之平均值而言。
2Vm
Vav =
= 0.636Vm
π
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2I m
Iav =
= 0.636I m
第二層 π
•
•
• 第三層
(6)波峰因數（crest factor） C.F.：
Vm
Im
• 第四層
C.F.=
= 2=1.414（或
=
Vrms
Irms
• 第五層
2）
(7)波形因數（form factor）F.F.：
Vrms
Irms
F.F.=
=1.11（或
=1.11）
Vav
Iav
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4.脈波
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(1)理想脈波：電壓由 0 轉移到 V 瞬時發生，同樣
電壓由 V 轉移到 0 亦是瞬時發生。
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(2)脈波的第一個邊緣（A→B）稱為前緣，下一個
第二層
邊緣（C → D）稱為後緣。
•
•
• 第三層
• 第四層
• 第五層
節目錄
21
按一下以編輯母片標題樣式
•
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(3)脈波在基準線以上稱為正向脈波，基準線以下
稱為負向脈波。
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第二層
第三層
第四層
第五層
節目錄
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(4)脈波的特性
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第二層
第三層
第四層
脈波週期：一個週波所經過的時間，單位為秒。
脈波重複頻率（PRF）：一秒鐘內重複的週波
第五層
數，單位為Hz（赫芝）。
1
公式：PRF=
T
脈波波幅：由基準線到脈波上端之電壓值。
節目錄
23
按一下以編輯母片標題樣式
脈波寬度（PW）：脈波所出現的時間。
空間寬度（SW）：兩個脈波之間的間隔。
工作週期（duty cycle）：
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PW
PW
公式：工作週期 
100%=
100%
第二層
T
PW+SW
平均值 V：
第三層 av
波形總面積 V1  t1 +V2  t 2 + +Vn  t n
公式：Vav =

第四層
週期
T
•
•
•
•
• 第五層
有效值 Vrms：
V1  t1 +V2  t 2 + +Vn  t n
公式：Vrms =
T
計算三步驟：平方→平均→開根號
2
2
2
節目錄
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5.方波
按一下以編輯母片標題樣式
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第二層
第三層
第四層
(1)方波：脈波寬度（PW）與空間寬度（SW）完全相
等，又叫做矩形波。
第五層
(2)工作週期：50%
PW
t1
工作週期=
100%=
100%=50%
T
t1 +t 2
(3)方波通常被應用來測試放大器的反應速度。
(4)方波是由正弦波的基本波與無限個奇次諧波
（harmonics）所組成。
節目錄
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按一下以編輯母片標題樣式
6.三角波與鋸齒波
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第二層
第三層
第四層
第五層
節目錄
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按一下以編輯母片標題樣式
(1)正或負的斜波：電壓相對於時間，以一恆定的
速率來增加或減少。
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(2)三角波：在正斜波之後跟隨著負斜波而產生的
第二層
波形。
第三層
(3)鋸齒波：當一斜波較另一斜波為陡峭時形成的
波形。它是示波器產生時基線所需要的波形。
•
•
•
• 第四層
• 第五層
節目錄
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按一下以編輯母片標題樣式
(4)低頻響應可以決定上升（掃描）時間 t p，高頻響
應則決定下降時間 t f。
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1
第二層 低頻響應 f L = t p
公式
第三層 高頻響應 f H = 1
2t f
•
•
•
• 第四層
(5)平均值Vav：
• 第五層 1 T
1 T Vm
Vm t 2 T
Vav =  v(t)dt= 
tdt= 2  |0
T 0
T 0 T
T
2
Vm T 2 Vm
= 2 =
T
2
2
節目錄
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(6)有效值V ：
rms
2
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1 T 2
1 T Vm 2
Vm
=
v
(t)dt
=
(
t)
dt
=
T 0
T 0 T
T3
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第二層= V  t | = V = V
T
3
3
3
第三層
V
V
=
=
(7)波峰因數（C.F.）：
V
V
第四層
3
第五層
V
Vrms
2
m
3
3

T
0
t 2dt
2
T
0
m
m
m
m
rms
m
3
m
(8)波形因數（F.F.）： Vrms
Vav
=
3 = 2
Vm
3
2
(9)鋸齒波是由正弦波基本波、奇次諧波與偶次諧
波所組成。
節目錄
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7.直流、正弦波、方波和鋸齒波之比較
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第二層
平均值V 有效值V
波形
第三層
直流
Vm
Vm
第四層 2
1
正弦波 π V =0.636V 2 V =0.707V
第五層
av
m
方波
鋸齒波
Vm
1
Vm
2
m
rms
m
Vm
1
Vm
3
波形因數
（F.F.）
波峰因數
（C.F.）
1
1
π
m
2 2
=1.11
2=1.414
1
1
2
=1.155
3
3=1.732
節目錄
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