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电路可以说是当今实现信号处理最广泛的载体,没有之一。集成电路出现以前,信号的感知处理传输接收等大部分过程都是直接在模拟域完成,缺点是即使是简单的功能,也需要很大的体积。
集成电路出现后,确切点说是三极管晶体管等多端口器件出现后,通过控制基极或栅极,就可以控制它们的通断,得到零和一两种的状态。
可不能小觑这看似简单的一步。在一个基本单元上,用一个简单的控制就实现了两种状态,可谓从无到有的跨越。
道德经讲道生一一生二二生三三生万物,一生二的环节其实是最难的,生出二之后,再得到三直至万物,通过重复前面的过程就可以实现。
因为一生二,得到了两种状态,再利用二进制,就可以实现无数种状态。
这里的二有点像正交基或者正余弦函数,有了它们,再经过组合,就可以实现复杂的空间或信号,反之则是将复杂的空间或信号分解为它们的组合,简化处理的过程。
集成电路飞速发展了六十多年,自从实现了从无到有的跨越后,后续更多的时间里都在做两件事。
一者是设法将基本单元小型化,从而具有更大的集成度,消耗更低的能量。即每提升一代工艺,特征尺寸就减小为原来的一半。
再者是扩大集成电路的应用范围。一开始它只应用在微型计算机中,而当它的低能耗和完成高复杂度功能的能力得到认可后,开始渗透到世界的每一个角落。
有了它,同样功能的设备,体积可以缩减为原来的几十分之一甚至几万分之一,关键是成本还极低,这性价比确实没谁了。
不过呢,集成电路也有它的局限性,譬如晶体管的特征频率最高可能为THz,对于要求更高更快更强的人类,速度可能还是不够快,不过在当前科技阶段,对付绝大多数的应用是绰绰有余了。
模拟和数字作为集成电路的两大分支,近年来都得到长足的发展。但是数字在工艺提升的过程中受益更大,所以越来越占据更大的面积,并且有向模拟渗透的趋势。
不过外界信号是连续的,模拟中诸多的模块,是无法用数字代替的,要实现整体的功能,它们的作用仍举足轻重。
言归正传,接下来就盘点下这些模块。
单位增益缓冲器。单位增益缓冲器也叫单位增益放大器,它有两个显著的特点,一是放大倍数为一,一是驱动能力大。
它可以由闭环放大器,共源极放大器,源极跟随器或翻转电压跟随器实现。
就比如今年ISSCC中离散模数转换器章节,第一个工作就用到了单位增益缓冲器。
放大器。放大器是电路中极其重要的模块。它的基本功能是完成信号电压电流或功率的放大。
由它和其它一些无源电路组合起来工作,就可以得到模拟信号运算电路。实现比例,求和,积分,微分,对数,指数,乘法或除法的功能,简直不能更强大。
采样保持器。采样保持器完成信号的采样功能,是离散型电路必不可少的模块。
比较器。比较器通过比较电压大小,输出数字高低两种状态。它是完成模拟世界到数字世界转换的基本单元。
模数转换器。模数转换器完成模拟信号到数字信号的转换。常用的有快闪型,逐次逼近型,流水线型,增量叠加型和双斜率积分型等。
滤波器。滤波器是一种频率信号筛选器件,按所通过信号的频段分为低通,高通,带通,带阻和全通滤波器。
按采用的器件分为无源和有源两种。常用的结构有巴特沃斯,切比雪夫,贝赛尔和椭圆滤波器等。与模拟滤波器对应的是数字滤波器。
积分器。积分器是输出信号对输入信号时间的积分,它是计数器的连续版本。
带隙基准。带隙基准产生稳定的电压或电流。
线性稳压器。线性稳压器提供稳定电压的同时,保证足够的驱动能力。
升压降压器。它实现电压电平的转换,同时提供足够的驱动能力。
交流直流变换器则完成不同类型电的转换。
振荡器。振荡器产生控制的时钟信号,而时钟信号是系统的指挥官。
锁相环。锁相环实现两信号频率和相位的锁定,在保证整个系统的有序运转中起到重要的作用。
鉴相器。比较输入信号相位的差异,产生电压脉冲信号。
以上涵盖了模拟电路大部分模块,再加上无源器件电阻电容和电感,就能够完成各种复杂的功能。
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