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電路可以說是當今實現信号處理最廣泛的載體,沒有之一。集成電路出現以前,信号的感知處理傳輸接收等大部分過程都是直接在模拟域完成,缺點是即使是簡單的功能,也需要很大的體積。
集成電路出現後,确切點說是三極管晶體管等多端口器件出現後,通過控制基極或栅極,就可以控制它們的通斷,得到零和一兩種的狀态。
可不能小觑這看似簡單的一步。在一個基本單元上,用一個簡單的控制就實現了兩種狀态,可謂從無到有的跨越。
道德經講道生一一生二二生三三生萬物,一生二的環節其實是最難的,生出二之後,再得到三直至萬物,通過重複前面的過程就可以實現。
因為一生二,得到了兩種狀态,再利用二進制,就可以實現無數種狀态。
這裡的二有點像正交基或者正餘弦函數,有了它們,再經過組合,就可以實現複雜的空間或信号,反之則是将複雜的空間或信号分解為它們的組合,簡化處理的過程。
集成電路飛速發展了六十多年,自從實現了從無到有的跨越後,後續更多的時間裡都在做兩件事。
一者是設法将基本單元小型化,從而具有更大的集成度,消耗更低的能量。即每提升一代工藝,特征尺寸就減小為原來的一半。
再者是擴大集成電路的應用範圍。一開始它隻應用在微型計算機中,而當它的低能耗和完成高複雜度功能的能力得到認可後,開始滲透到世界的每一個角落。
有了它,同樣功能的設備,體積可以縮減為原來的幾十分之一甚至幾萬分之一,關鍵是成本還極低,這性價比确實沒誰了。
不過呢,集成電路也有它的局限性,譬如晶體管的特征頻率最高可能為THz,對于要求更高更快更強的人類,速度可能還是不夠快,不過在當前科技階段,對付絕大多數的應用是綽綽有餘了。
模拟和數字作為集成電路的兩大分支,近年來都得到長足的發展。但是數字在工藝提升的過程中受益更大,所以越來越占據更大的面積,并且有向模拟滲透的趨勢。
不過外界信号是連續的,模拟中諸多的模塊,是無法用數字代替的,要實現整體的功能,它們的作用仍舉足輕重。
言歸正傳,接下來就盤點下這些模塊。
單位增益緩沖器。單位增益緩沖器也叫單位增益放大器,它有兩個顯著的特點,一是放大倍數為一,一是驅動能力大。
它可以由閉環放大器,共源極放大器,源極跟随器或翻轉電壓跟随器實現。
就比如今年ISSCC中離散模數轉換器章節,第一個工作就用到了單位增益緩沖器。
放大器。放大器是電路中極其重要的模塊。它的基本功能是完成信号電壓電流或功率的放大。
由它和其它一些無源電路組合起來工作,就可以得到模拟信号運算電路。實現比例,求和,積分,微分,對數,指數,乘法或除法的功能,簡直不能更強大。
采樣保持器。采樣保持器完成信号的采樣功能,是離散型電路必不可少的模塊。
比較器。比較器通過比較電壓大小,輸出數字高低兩種狀态。它是完成模拟世界到數字世界轉換的基本單元。
模數轉換器。模數轉換器完成模拟信号到數字信号的轉換。常用的有快閃型,逐次逼近型,流水線型,增量疊加型和雙斜率積分型等。
濾波器。濾波器是一種頻率信号篩選器件,按所通過信号的頻段分為低通,高通,帶通,帶阻和全通濾波器。
按采用的器件分為無源和有源兩種。常用的結構有巴特沃斯,切比雪夫,貝賽爾和橢圓濾波器等。與模拟濾波器對應的是數字濾波器。
積分器。積分器是輸出信号對輸入信号時間的積分,它是計數器的連續版本。
帶隙基準。帶隙基準産生穩定的電壓或電流。
線性穩壓器。線性穩壓器提供穩定電壓的同時,保證足夠的驅動能力。
升壓降壓器。它實現電壓電平的轉換,同時提供足夠的驅動能力。
交流直流變換器則完成不同類型電的轉換。
振蕩器。振蕩器産生控制的時鐘信号,而時鐘信号是系統的指揮官。
鎖相環。鎖相環實現兩信号頻率和相位的鎖定,在保證整個系統的有序運轉中起到重要的作用。
鑒相器。比較輸入信号相位的差異,産生電壓脈沖信号。
以上涵蓋了模拟電路大部分模塊,再加上無源器件電阻電容和電感,就能夠完成各種複雜的功能。
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