報道丨三江通識大講堂第50講順利舉辦——東南大學李文淵教授作“電子學:係統方法”的通識講座

時間:2021-05-03瀏覽:12


通識教育是一種大學理念,是高等教育不可缺少的重要組成內容,是非專業性、非功利性和麵向所有人的教育,是我校落實“三教融合”(通識教育、專業教育、職業教育)教學模式不可或缺的部分。

426日晚上,我校邀請東南大學李文淵教授作“電子學:係統方法”的通識講座,電子信息與工程學院趙航副院長主持。趙航副院長介紹,李文淵老師是東南大學教授、博士生導師。主要研究領域為電路與係統、信號與信息處理。研究方向為信號處理電路、模擬集成電路、射頻集成電路、高速數模混合集成電路、生物芯片等。主持或者作為主要研究人員參加國家863項目,973項目,自然科學基金,以及江蘇省、浙江省科研項目20餘項。發表學術論文80餘篇,其中SCIEI收錄70餘篇。主編教材一本,參編教材兩本。


趙航副院長主持講座

講座伊始,李教授從“電子信息工程簡介、電路與電子元器件、電子係統及組成、晶體管、放大器與集成電路、數字係統及實現、電子係統設計”等六個方麵係統的介紹了電子學係統方法。


電子信息工程簡介


李教授介紹,電子工程是變化最快也是最重要的工程領域之一。電腦、收音機、汽車、核電站等等,幾乎所有的產品核心都用到了電子係統。所有的工程技術領域,工程技術人員和科學家都需要了解電子係統。很多工程領域的科技人員,需要精通電子技術。電子係統的水平,代表了一個國家國力,也是國家發展水平的標誌。


電路與電子元器件


電學上,主要的量有電荷,電勢,電容,電感,電阻,電勢差,電流,頻率,周期,功率,溫度,時間等。電路中的電流有恒定不變,有隨著時間的變化的。隨時間變化的電流,方向可以是單向的,也可以是不斷改變的。保持方向不變的電流稱為直流電流(DC)。電流方向呈周期性改變的電流稱為交流電流(AC)。最常見的交流是正弦波。接著老師從電阻,電感,電容,二極管,晶體管等方麵展開,進行詳細講解。


電子係統及組成


電子係統已經進入我們生活的方方麵麵:早上喚醒;開車時控製汽車的運行;辦公室和家裏的舒適環境;遠程通信;訪問信息;管理電力;休閑和娛樂。我們的生活方式越來越依賴於對環境監控的能力和有效溝通的能力。電子係統在這些領域是至關重要。雖然電子元件是複雜係統的基本組件,但是很少有工程係統完全是由電子元件組成的。實際上,所有的工程項目都是跨學科的,涉及到各種各樣的工程技能和技術,多學科共同解決複雜的問題。


放大器、晶體管與集成電路

01 放大器

李教授分別介紹了不同類型放大器的作用和功效:

無源放大器,如升壓變壓器:輸入的交流電壓在輸出端產較大的電壓。盡管輸出端電壓增加了,但輸出端向外部負載提供的電流降低了。提供給負載的功率始終小於輸入端吸收的功率。因此,變壓器可以提供電壓放大,但不能提供功率放大。

有源電子放大器是從外部能源(通常是電源)獲得功率,並用來放大輸入信號。如果不特別說明,放大器通常是指有源電子放大器。

電壓放大器:主要功能是獲取輸入電壓信號並產生相應的放大電壓信號。

電流放大器:獲取輸入電流信號並產生放大的電流信號。通常這兩類放大器也增加了信號的功率。

功率放大器:電路的主要功能通常是向負載提供大功率。顯然功率放大器必須提供電壓放大或電流放大或兩者都放大。

其中三種放大器,分別可以定義三個量:

電壓放大器——電壓增益

電流放大器——電流增益

功率放大器——功率增益

02 晶體管

放大器中重要的電子器件是晶體管。大部分現代電子係統都是基於半導體器件的,如二極管和晶體管。半導體材料在電子器件的生產中非常有用。

03 集成電路

集成電路就是把電子電路縮小,做在一個芯片中。集成電路是我國技術發展的核心:建設5G網絡、數據中心等新型基礎設施,集成電路產業是新型基礎設施建設的基石。也就是說,新一代移動通信、人工智能、大數據中心、工業互聯網等技術,依賴於5G通信芯片、人工智能芯片、汽車電子芯片、雲計算芯片等領域的集成電路芯片。

集成電路產業鏈主要分為集成電路設計、芯片製造以及封裝與測試三個環節。集成電路設計環節:首先涉及到EDA設計軟件,芯片公司設計芯片結構的關鍵工具就是芯片設計軟件(EDA軟件)。由電路設計公司設計出集成電路,然後委托芯片製造廠生產製造,再委托封裝廠進行集成電路封裝及測試,然後銷售給電子整機產品生產企業。芯片製造環節:我國在芯片的設計、製造、封裝三大環節之中,差距最大的是製造。製造分為兩部分:一是製造設備,即生產芯片的設備;我們熟知的如:光刻機。二是圓晶代工,圓晶代工廠的水平,也就是芯片加工工藝的水平,目前先進的加工工藝已經到了納米級。封裝測試環節:封裝測試是芯片進入銷售前的最後一個環節,主要目的是保證產品的品質,對技術需求相對較低。封裝測試就是將生產出來的合格晶圓進行測試(中測,後測),切割(劃片)、焊線(鍵合)、封裝,使芯片電路與外部器件實現電氣連接,並為芯片提供機械物理保護。利用集成電路設計企業提供的測試工具,對封裝完畢的芯片進行功能和性能測試。


數字係統及實現


早在1965年,戈登·摩爾,飛兆半導體公司半導體事業部的創始人之一,指出單個集成電路上可以集成的晶體管數目將呈指數增長,並在今後保持著這種勢頭。這就是著名的摩爾定律。摩爾預言,每個集成電路芯片可以集成的晶體管數量每18個月翻一番,性能提升一倍。這個預言到目前為止,已經證明非常準確。



李教授講到,兩種高集成度的通用器件,即陣列邏輯和微處理器。現代的微處理器、存儲器以及接口電路的單個芯片中往往包含數千萬個門。器件的開發成本非常高,所以開發使用量非常大的器件才合理。微處理器是通過軟件控製工作的通用器件。同樣,存儲設備和其他一些複雜的器件也應用廣泛,因而生產量大。然而,我們應用中,經常設計的電路不會大量生產。


電子係統設計


李教授介紹,好的設計是以最合適和最有效的方式解決問題。要做到這一點,設計師不僅要對問題有良好理解,還要了解現有的技術。顯然,設計能力靠經驗的積累,係統構建和理論方法也很重要。設計是創造性的過程,必須基於工程原理才能達到完美的結果。在項目的過程中,有很多自動化工具可以使用,包括繪製電路圖的軟件包,電路仿真測試的軟件包,印製電路或VLSI實現布局並驗證設計規則的軟件包。電子係統的設計任務包括多個方麵,多數經驗豐富的工程師都認為自頂向下的係統設計方法有很多優點,因為它首先關注係統的主要方麵,然後再設計相關的詳細內容。因此,設計過程從“我們要努力實現的目標”開始,向“我們將如何實現目標”的工作邁進。

講座最後,李教授強調:國家和社會應該樹立正確的工程師價值觀,給其尊重和應得的待遇,讓他們安心做芯片,這樣才能追趕世界先進水平。

我校“三江通識大講堂”活動由學校教務處牽頭,校團委、校圖書館、學生發展與服務中心、二級學院等通力合作,希望通過強調通識教育,培養立足於時代、立足於社會,達到知識、能力、素質相契合的應用型人才。


通訊:李財智、王林豔

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