電子學論文范文

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第1篇

關鍵詞微電子技術集成系統微機電系統DNA芯片

1引言

綜觀人類社會發展的文明史，一切生產方式和生活方式的重大變革都是由于新的科學發現和新技術的產生而引發的，科學技術作為革命的力量，推動著人類社會向前發展。從50多年前晶體管的發明到目前微電子技術成為整個信息社會的基礎和核心的發展歷史充分證明了“科學技術是第一生產力”。信息是客觀事物狀態和運動特征的一種普遍形式，與材料和能源一起是人類社會的重要資源，但對它的利用卻僅僅是開始。當前面臨的信息革命以數字化和網絡化作為特征。數字化大大改善了人們對信息的利用，更好地滿足了人們對信息的需求；而網絡化則使人們更為方便地交換信息，使整個地球成為一個“地球村”。以數字化和網絡化為特征的信息技術同一般技術不同，它具有極強的滲透性和基礎性，它可以滲透和改造各種產業和行業，改變著人類的生產和生活方式，改變著經濟形態和社會、政治、文化等各個領域。而它的基礎之一就是微電子技術。可以毫不夸張地說，沒有微電子技術的進步，就不可能有今天信息技術的蓬勃發展，微電子已經成為整個信息社會發展的基石。

50多年來微電子技術的發展歷史，實際上就是不斷創新的過程，這里指的創新包括原始創新、技術創新和應用創新等。晶體管的發明并不是一個孤立的精心設計的實驗，而是一系列固體物理、半導體物理、材料科學等取得重大突破后的必然結果。1947年發明點接觸型晶體管、1948年發明結型場效應晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、CMOS技術、半導體隨機存儲器、CPU、非揮發存儲器等微電子領域的重大發明也都是一系列創新成果的體現。同時，每一項重大發明又都開拓出一個新的領域，帶來了新的巨大市場，對我們的生產、生活方式產生了重大的影響。也正是由于微電子技術領域的不斷創新，才能使微電子能夠以每三年集成度翻兩番、特征尺寸縮小倍的速度持續發展幾十年。自1968年開始，與硅技術有關的學術論文數量已經超過了與鋼鐵有關的學術論文，所以有人認為，1968年以后人類進入了繼石器、青銅器、鐵器時代之后硅石時代（siliconage）〖1〗。因此可以說社會發展的本質是創新，沒有創新，社會就只能被囚禁在“超穩態”陷阱之中。雖然創新作為經濟發展的改革動力往往會給社會帶來“創造性的破壞”，但經過這種破壞后，又將開始一個新的處于更高層次的創新循環，社會就是以這樣螺旋形上升的方式向前發展。

在微電子技術發展的前50年，創新起到了決定性的作用，而今后微電子技術的發展仍將依賴于一系列創新性成果的出現。我們認為：目前微電子技術已經發展到了一個很關鍵的時期，21世紀上半葉，也就是今后50年微電子技術的發展趨勢和主要的創新領域主要有以下四個方面：以硅基CMOS電路為主流工藝；系統芯片（SystemOnAChip，SOC）為發展重點；量子電子器件和以分子（原子）自組裝技術為基礎的納米電子學；與其他學科的結合誕生新的技術增長點，如MEMS，DNAChip等。

221世紀上半葉仍將以硅基CMOS電路為主流工藝

微電子技術發展的目標是不斷提高集成系統的性能及性能價格比，因此便要求提高芯片的集成度，這是不斷縮小半導體器件特征尺寸的動力源泉。以MOS技術為例，溝道長度縮小可以提高集成電路的速度；同時縮小溝道長度和寬度還可減小器件尺寸，提高集成度，從而在芯片上集成更多數目的晶體管，將結構更加復雜、性能更加完善的電子系統集成在一個芯片上；此外，隨著集成度的提高，系統的速度和可靠性也大大提高，價格大幅度下降。由于片內信號的延遲總小于芯片間的信號延遲，這樣在器件尺寸縮小后，即使器件本身的性能沒有提高，整個集成系統的性能也可以得到很大的提高。

自1958年集成電路發明以來，為了提高電子系統的性能，降低成本，微電子器件的特征尺寸不斷縮小，加工精度不斷提高，同時硅片的面積不斷增大。集成電路芯片的發展基本上遵循了Intel公司創始人之一的GordonE．Moore1965年預言的摩爾定律，即每隔三年集成度增加4倍，特征尺寸縮小倍。在這期間，雖然有很多人預測這種發展趨勢將減緩，但是微電子產業三十多年來發展的狀況證實了Moore的預言[2]。而且根據我們的預測，微電子技術的這種發展趨勢還將在21世紀繼續一段時期，這是其它任何產業都無法與之比擬的。

現在，0．18微米CMOS工藝技術已成為微電子產業的主流技術，0．035微米乃至0．020微米的器件已在實驗室中制備成功，研究工作已進入亞0．1微米技術階段，相應的柵氧化層厚度只有2．0～1．0nm。預計到2010年，特征尺寸為0．05～0．07微米的64GDRAM產品將投入批量生產。

21世紀，起碼是21世紀上半葉,微電子生產技術仍將以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術為主流。盡管微電子學在化合物和其它新材料方面的研究取得了很大進展；但還不具備替代硅基工藝的條件。根據科學技術的發展規律，一種新技術從誕生到成為主流技術一般需要20到30年的時間，硅集成電路技術自1947年發明晶體管1958年發明集成電路,到60年代末發展成為大產業也經歷了20多年的時間。另外，全世界數以萬億美元計的設備和技術投入，已使硅基工藝形成非常強大的產業能力；同時，長期的科研投入已使人們對硅及其衍生物各種屬性的了解達到十分深入、十分透徹的地步，成為自然界100多種元素之最，這是非常寶貴的知識積累。產業能力和知識積累決定了硅基工藝起碼將在50年內仍起重要作用，人們不會輕易放棄。

目前很多人認為當微電子技術的特征尺寸在2015年達到0．030～0．015微米的“極限”之后，將是硅技術時代的結束，這實際上是一種誤解。且不說微電子技術除了以特征尺寸為代表的加工工藝技術之外，還有設計技術、系統結構等方面需要進一步的大力發展，這些技術的發展必將使微電子產業繼續高速增長。即使是加工工藝技術，很多著名的微電子學家也預測，微電子產業將于2030年左右步入像汽車工業、航空工業這樣的比較成熟的朝陽工業領域。即使微電子產業步入汽車、航空等成熟工業領域，它仍將保持快速發展趨勢，就像汽車、航空工業已經發展了50多年仍極具發展潛力一樣。

隨著器件的特征尺寸越來越小，不可避免地會遇到器件結構、關鍵工藝、集成技術以及材料等方面的一系列問題，究其原因，主要是：對其中的物理規律等科學問題的認識還停留在集成電路誕生和發展初期所形成的經典或半經典理論基礎上，這些理論適合于描述微米量級的微電子器件，但對空間尺度為納米量級、空間尺度為飛秒量級的系統芯片中的新器件則難以適用；在材料體系上，SiO2柵介質材料、多晶硅／硅化物柵電極等傳統材料由于受到材料特性的制約，已無法滿足亞50納米器件及電路的需求；同時傳統器件結構也已無法滿足亞50納米器件的要求，必須發展新型的器件結構和微細加工、互連、集成等關鍵工藝技術。具體的需要創新和重點發展的領域包括：基于介觀和量子物理基礎的半導體器件的輸運理論、器件模型、模擬和仿真軟件，新型器件結構，高k柵介質材料和新型柵結構，電子束步進光刻、13nmEUV光刻、超細線條刻蝕，SOI、GeSi／Si等與硅基工藝兼容的新型電路，低K介質和Cu互連以及量子器件和納米電子器件的制備和集成技術等。

3量子電子器件（QED）和以分子原子自組裝技術為基礎的納米電子學將帶來嶄新的領域

在上節我們談到的以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術，可稱之為“scalingdown”，與此同時我們必須注意“bottomup”。“bottomup”最重要的領域有二個方面：

(1)量子電子器件（QED—QuantumElectronDevice）這里包括單電子器件和單電子存儲器等。它的基本原理是基于庫侖阻塞機理控制一個或幾個電子運動，由于系統能量的改變和庫侖作用，一個電子進入到一個勢阱，則將阻止其它電子的進入。在單電子存儲器中量子阱替代了通常存儲器中的浮柵。它的主要優點是集成度高；由于只有一個或幾個電子活動所以功耗極低；由于相對小的電容和電阻以及短的隧道穿透時間，所以速度很快；且可用于多值邏輯和超高頻振蕩。但它的問題是制造比較困難，特別是制造大量的一致性器件很困難；對環境高度敏感，可靠性難以保證；在室溫工作時要求電容極小（αF），要求量子點大小在幾個納米。這些都為集成成電路帶來了很大困難。

因此，目前可以認為它們的理論是清楚的，工藝有待于探索和突破。

(2)以原子分子自組裝技術為基礎的納米電子學。這里包括量子點陣列（QCA—Quantum－dotCellularAutomata)和以碳納米管為基礎的原子分子器件等。

量子點陣列由量子點組成，至少由四個量子點,它們之間以靜電力作用。根據電子占據量子點的狀態形成“0”和“1”狀態。它在本質上是一種非晶體管和無線的方式達到陣列的高密度、低功耗和實現互連。其基本優勢是開關速度快，功耗低，集成密度高。但難以制造，且對值置變化和大小改變都極為靈敏，0．05nm的變化可以造成單元工作失效。

以碳納米管為基礎的原子分子器件是近年來快速發展的一個有前景的領域。碳原子之間的鍵合力很強，可支持高密度電流，而熱導性能類似于金剛石，能在高集成度時大大減小熱耗散，性質類金屬和半導體，特別是它有三種可能的雜交態，而Ge、Si只有一個。這些都使碳納米管（CNT）成為當前科研熱點，從1991年發現以來，現在已有大量成果涌現，北京大學納米中心彭練矛教授也已制備出0．33納米的CNT并提出“T形結”作為晶體管的可能性。但是問題是如何去生長有序的符合設計性能的CNT器件，更難以集成。

目前“bottomup”的量子器件和以自組裝技術為基礎的納米器件在制造工藝上往往與“Scalingdown”的加工方法相結合以制造器件。這對于解決高集成度CMOS電路的功耗制約將會帶來突破性的進展。

QCA和CNT器件不論在理論上還是加工技術上都有大量工作要做，有待突破，離開實際應用還需較長時日！但這終究是一個誘人探索的領域，我們期待它們將創出一個新的天地。

4系統芯片（SystemOnAChip）是21世紀微電子技術發展的重點

在集成電路（IC）發展初期，電路設計都從器件的物理版圖設計入手，后來出現了集成電路單元庫（Cell－Lib），使得集成電路設計從器件級進入邏輯級，這樣的設計思路使大批電路和邏輯設計師可以直接參與集成電路設計，極大地推動了IC產業的發展。但集成電路僅僅是一種半成品，它只有裝入整機系統才能發揮它的作用。IC芯片是通過印刷電路板（PCB）等技術實現整機系統的。盡管IC的速度可以很高、功耗可以很小，但由于PCB板中IC芯片之間的連線延時、PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整機系統的性能受到了很大的限制。隨著系統向高速度、低功耗、低電壓和多媒體、網絡化、移動化的發展，系統對電路的要求越來越高，傳統集成電路設計技術已無法滿足性能日益提高的整機系統的要求。同時，由于IC設計與工藝技術水平提高，集成電路規模越來越大，復雜程度越來越高，已經可以將整個系統集成為一個芯片。目前已經可以在一個芯片上集成108－109個晶體管，而且隨著微電子制造技術的發展，21世紀的微電子技術將從目前的3G時代逐步發展到3T時代（即存儲容量由G位發展到T位、集成電路器件的速度由GHz發展到燈THz、數據傳輸速率由Gbps發展到Tbps，注：1G=109、1T=1012、bps：每秒傳輸數據位數）。

正是在需求牽引和技術推動的雙重作用下，出現了將整個系統集成在一個微電子芯片上的系統芯片（SystemOnAChip，簡稱SOC）概念。

系統芯片（SOC）與集成電路（IC）的設計思想是不同的，它是微電子設計領域的一場革命，它和集成電路的關系與當時集成電路與分立元器件的關系類似，它對微電子技術的推動作用不亞于自50年代末快速發展起來的集成電路技術。

SOC是從整個系統的角度出發，把處理機制、模型算法、芯片結構、各層次電路直至器件的設計緊密結合起來，在單個（或少數幾個）芯片上完成整個系統的功能，它的設計必須是從系統行為級開始的自頂向下（Top－Down）的。很多研究表明，與IC組成的系統相比，由于SOC設計能夠綜合并全盤考慮整個系統的各種情況，可以在同樣的工藝技術條件下實現更高性能的系統指標。例如若采用SOC方法和0．35μm工藝設計系統芯片,在相同的系統復雜度和處理速率下，能夠相當于采用0．18～0.25μm工藝制作的IC所實現的同樣系統的性能；還有，與采用常規IC方法設計的芯片相比,采用SOC設計方法完成同樣功能所需要的晶體管數目約可以降低l～2個數量級。

對于系統芯片（SOC）的發展，主要有三個關鍵的支持技術。

（1）軟、硬件的協同設計技術。面向不同系統的軟件和硬件的功能劃分理論（FunctionalPartitionTheory），這里不同的系統涉及諸多計算機系統、通訊系統、數據壓縮解壓縮和加密解密系統等等。

（2）IP模塊庫問題。IP模塊有三種,即軟核，主要是功能描述；固核，主要為結構設計；和硬核，基于工藝的物理設計、與工藝相關，并經過工藝驗證過的。其中以硬核使用價值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和FlashMemory以及A／D、D／A等都可以成為硬核。其中尤以基于深亞微米的新器件模型和電路模擬為基礎，在速度與功耗上經過優化并有最大工藝容差的模塊最有價值。現在,美國硅谷在80年代出現無生產線（Fabless)公司的基礎上，90年代后期又出現了一些無芯片（Chipless）的公司,專門銷售IP模塊。

（3）模塊界面間的綜合分析技術,這主要包括IP模塊間的膠聯邏輯技術（gluelogictechnologies）和IP模塊綜合分析及其實現技術等。

微電子技術從IC向SOC轉變不僅是一種概念上的突破,同時也是信息技術新發展的里程碑。通過以上三個支持技術的創新,它必將導致又一次以系統芯片為主的信息技術上的革命。目前，SOC技術已經嶄露頭角，21世紀將是SOC技術真正快速發展的時期。

在新一代系統芯片領域，需要重點突破的創新點主要包括實現系統功能的算法和電路結構兩個方面。在微電子技術的發展歷史上,每一種算法的提出都會引起一場變革，例如維特比算法、小波變換等均對集成電路設計技術的發展起到了非常重要的作用,目前神經網絡、模糊算法等也很有可能取得較大的突破。提出一種新的電路結構可以帶動一系列的應用,但提出一種新的算法則可以帶動一個新的領域,因此算法應是今后系統芯片領域研究的重點學科之一。在電路結構方面,在系統芯片中，由于射頻、存儲器件的加入，其中的電路結構已經不是傳統意義上的CMOS結構，因此需要發展更靈巧的新型電路結構。另外，為了實現膠聯邏輯（GlueLogic）新的邏輯陣列技術有望得到快速的發展,在這一方面也需要做系統深入的研究。

5微電子與其他學科的結合誕生新的技術增長點

微電子技術的強大生命力在于它可以低成本、大批量地生產出具有高可靠性和高精度的微電子結構模塊。這種技術一旦與其它學科相結合,便會誕生出一系列嶄新的學科和重大的經濟增長點，這方面的典型例子便是MEMS（微機電系統）技術和DNA生物芯片。前者是微電子技術與機械、光學等領域結合而誕生的，后者則是與生物工程技術結合的產物。

微電子機械系統不僅是微電子技術的拓寬和延伸,它將微電子技術和精密機械加工技術相互融合，實現了微電子與機械融為一體的系統。MEMS將電子系統和外部世界聯系起來，它不僅可以感受運動、光、聲、熱、磁等自然界的外部信號，把這些信號轉換成電子系統可以認識的電信號，而且還可以通過電子系統控制這些信號，發出指令并完成該指令。從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信系統以及電源于一體的微型機電系統。MEMS技術是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領域，它幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域，如電子技術、機械技術、光學、物理學、化學、生物醫學、材料科學、能源科學等〖3〗。

MEMS的發展開辟了一個全新的技術領域和產業。它們不僅可以降低機電系統的成本，而且還可以完成許多大尺寸機電系統所不能完成的任務。正是由于MEMS器件和系統具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優異及功能強大等傳統傳感器無法比擬的優點,因而MEMS在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。例如微慣性傳感器及其組成的微型慣性測量組合能應用于制導、衛星控制、汽車自動駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統（ABS）、穩定控制和玩具；微流量系統和微分析儀可用于微推進、傷員救護；信息MEMS系統將在射頻系統、全光通訊系統和高密度存儲器和顯示等方面發揮重大作用；同時MEMS系統還可以用于醫療、光譜分析、信息采集等等。現在已經成功地制造出了尖端直徑為5μm的可以夾起一個紅細胞的微型鑷子，可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機等。

MEMS技術及其產品的增長速度非常之高，目前正處在技術發展時期，再過若干年將會迎來MEMS產業化高速發展的時期。2000年，全世界MEMS的市場達到120到140億美元，而帶來的與之相關的市場達到1000億美元。

目前，MEMS系統與集成電路發展的初期情況極為相似。集成電路發展初期，其電路在今天看來是很簡單的，應用也非常有限，以軍事需求為主,但它的誘人前景吸引了人們進行大量投資，促進了集成電路飛速發展。集成電路技術的進步,加快了計算機更新換代的速度，對CPU和RAM的需求越來越大,反過來又促進了集成電路的發展。集成電路和計算機在發展中相互推動，形成了今天的雙贏局面，帶來了一場信息革命。現階段的微機電系統專用性很強，單個系統的應用范圍非常有限,還沒有出現類似于CPU和RAM這樣量大面廣的產品。隨著微機電系統的進步，最后將有可能形成像微電子技術一樣有廣泛應用前景的新產業，從而對人們的社會生產和生活方式產生重大影響。

當前MEMS系統能否取得更更大突破，取決于兩方面的因素：第一是在微系統理論與基礎技術方面取得突破性進展，使人們依靠掌握的理論和基礎技術可以高效地設計制造出所需的微系統；第二是找準應用突破口，揚長避短，以特別適合微系統應用的重大領域為目標進行研究,取得突破，從而帶動微系統產業的發展。在MEMS發展中需要繼續解決的問題主要有：MEMS建模與設計方法學研究；三維微結構構造原理、方法、仿真及制造；微小尺度力學和熱學研究；MEMS的表征與計量方法學；納結構與集成技術等。

微電子與生物技術緊密結合誕生的以DNA芯片等為代表的生物芯片將是21世紀微電子領域的另一個熱點和新的經濟增長點。它是以生物科學為基礎，利用生物體、生物組織或細胞等的特點和功能，設計構建具有預期性狀的新物種或新品系，并與工程技術相結合進行加工生產，它是生命科學與技術科學相結合的產物。具有附加值高、資源占用少等一系列特點，正日益受到廣泛關注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片。

采用微電子加工技術，可以在指甲蓋大小的硅片上制作出包含有多達萬種DNA基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快的時間內檢測或發現遺傳基因的變化等情況，這無疑對遺傳學研究、疾病診斷、疾病治療和預防、轉基因工程等具有極其重要的作用。

DNA芯片的基本思想是通過生物反應或施加電場等措施使一些特殊的物質能夠反映出某種基因的特性從而起到檢測基因的目的。目前Stanford和Affymetrix公司的研究人員已經利用微電子技術在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片〖4〗。他們制作的DNA芯片是通過在玻璃片上刻蝕出非常小的溝槽，然后在溝槽中覆蓋一層DNA纖維。不同的DNA纖維圖案分別表示不同的DNA基因片段，該芯片共包括6000余種DNA基因片段。DNA（脫氧核糖核酸）是生物學中最重要的一種物質，它包含有大量的生物遺傳信息，DNA芯片的作用非常巨大，其應用領域也非常廣泛：它不僅可以用于基因學研究、生物醫學等，而且隨著DNA芯片的發展還將形成微電子生物信息系統，這樣該技術將廣泛應用到農業、工業、醫學和環境保護等人類生活的各個方面，那時，生物芯片有可能象今天的IC芯片一樣無處不在。

目前的生物芯片主要是指通過平面微細加工技術及超分子自組裝技術，在固體芯片表面構建的微分析單元和系統，以實現對化合物、蛋白質、核酸、細胞以及其它生物組分的準確、快速、大信息量的篩選或檢測。生物芯片的主要研究包括采用生物芯片的具體實現技術、基于生物芯片的生物信息學以及高密度生物芯片的設計、檢測方法學等等。

6結語

在微電子學發展歷程的前50年中，創新和基礎研究曾起到非常關鍵的決定性作用。而隨著器件特征尺寸的縮小、納米電子學的出現、新一代SOC的發展、MEMS和DNA芯片的崛起，又提出了一系列新的課題，客觀需求正在“召喚”創新成果的誕生。

回顧20世紀后50年，展望21世紀前50年，即百年的微電子科學技術發展歷程，使我們深切地感受到，世紀之交的微電子技術對我們既是一個重大的機遇，也是一個嚴峻的挑戰，如果我們能夠抓住這個機遇，立足創新，去勇敢地迎接這個挑戰，則有可能使我國微電子技術實現騰飛，在新一代微電子技術中擁有自己的知識產權，促進我國微電子產業的發展，為迎接21世紀中葉將要到來的偉大的民族復興奠定技術基礎，以重鑄中華民族的輝煌！

參考文獻

[1]S.M.SZE:LecturenoteatPekingUniversity,FourDecadesofDevelopmentsinMicroelectronics:Achievementsandchallenges.

[2]BobSchaller.TheOrigin,Natureandlmplicationof“Moore’sLaw”,.1996.

[3]張興、郝一龍、李志宏、王陽元。跨世紀的新技術－微電子機械系統。電子科技導報，1999，4：2

[4]NicholasWadeWhereComputersandBiologyMeet:MakingaDNAChip.NewYorkTimes,April8,1997

第2篇

1.1ARM處理部分

針對ARM內核的高速可順序執行特性，更適合處理復雜協議信息。ARM處理部分在設計中主要負責協議層處理工作，包括通信信息、人機交互設定、系統工作參數監測、報警數據設定、監測以及系統數據分析處理等多方面的工作，整體采用搶占式進行多任務分配，提高CPU利用率以及系統魯棒性。

1.2FPGA控制部分

總體來看，FPGA主要負責硬件設備底層驅動的讀寫，作為ARM的一個外部擴展RAM進行外設數據交換，所有FPGA采集、輸出的數據均可通過ARM的可變靜態存儲控制器(FlexibleStaticMemoryController，FSMC)總線讀寫。在設計中運用FPGA獨特的可多任務并行執行的特性，FPGA控制部分主要負責外部通信模式的選擇；外部模擬信號的采集、輸出溫度的控制、時鐘同步、時鐘移相、數碼管計數顯示等多項功能的處理。在外部模擬量、氫原子鐘內爐溫度采集部分，由FPGA內部硬件采用狀態機形式通過兩片AD7490D對外部32路模擬量采集，并直接用模數轉換器進行控制處理；另一個狀態機通過熱敏電阻對內爐頂，上，底等三部分溫度進行采集；在溫度輸出控制部分，通過三路PWM控制方式，以外部溫控器作為驅動信號，調節加熱功率。在模數轉換部分由專用基準電壓芯片REF192產生參考電壓，溫度轉換經過帶有前置運算放大器（Operationalamplifier，OP）的模數轉換器進行采樣，并同時具有抑制50Hz抑制功能，以抵消測量中所產生的工頻干擾。在通信電路的設計部分由FPGA來選擇所采用的通信方式，其中串口通信采用隔離式電平變換芯片，避免電平不兼容或是不同設備間的靜電釋放（Electro-Staticdischarge，ESD）所帶來的放電損壞；以太網部分采用專用以太網接口模塊，可同時兼容TCP/IPv4、用戶數據報協議（UserDatagramProtocol，UDP）等。

1.串口通信接口的電路設計

原本的串口通信設計為了滿足兩路串口通信的技術指標，采用AT89C52結合通用同步異步接收發送器8251A實現雙串口的擴展。本文采用ADM3251E[3]來解決多路串口的通信功能。ADM3251E是一款高速、2.5kV完全隔離、單通道RS-232/V.28收發器、具有isoPower隔離電源的雙通道數字隔離器，設計中無需使用單獨的隔離DC-DC轉換器。由于RIN和TOUT引腳提供高壓ESD保護，因此該器件非常適合在惡劣的電氣環境中工作，或頻繁插拔RS-232電纜的場合。ADM3251E采用ADI公司的芯片級變壓器iCoupler技術，能夠同時用于隔離邏輯信號和集成式DC-DC轉換器，因此該器件可提供整體隔離解決方案。

2.ADC模擬量采樣電路設計改進

原本的ADC采樣電路使用兩片ADC0816。ADC0816是逐次比較式16路8位A/D轉換器，其內部包含有一個8位A/D轉換器和16路的單端模擬信號多路轉換開關，轉換精度為1/2LSB，轉換時間為100us（時鐘頻率為640KHz）。改進設計中采用AD7490，它是一款12位高速、低功耗逐次逼近型ADC。同時AD7490采用單電源工作，電源電壓為2.7V至5.25V，最高吞吐量可達1MSPS；其內置一個低噪聲、寬帶寬采樣/保持放大器，可處理1MHz以上的輸入頻率；轉換過程和數據采集過程通過CS和串行時鐘進行控制，從而為器件與微處理器接口創造了條件。

3.溫度控制部分的設計改進

溫度對于氫原子鐘來說是個很重要的因素，溫度控制不好會引起氫原子鐘穩定度變差；溫度失控會直接導致氫原子鐘沒有中頻信號輸出。因此在溫度控制的設計中首先要做到可靠、穩定。原先的溫度控制系統采用模擬控制多塊電路板各溫度區域獨立控制模式，其缺點是變容二極管參數數值不在正常工作范圍內之后，需要人為調整電路板的電位器，即通過人為改變電阻的模式來達到調整溫度的目的。在數字化智能溫控設計中采用AD7792[4]，AD7792具有兩個高精度的可編程恒流激勵源，內置有可編程的儀表放大器，可以對不同的輸入信號選擇相對應的放大倍數，實現信號的匹配。它內置16位ADC，采用SPI串行接口，容易實現光耦隔離，有三路差分模擬輸入，可以滿足設計中分別對內爐頂，上，底三部分溫度進行采集的設計要求。AD7792為適應高精度測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內置一個低噪聲、帶有三個差分模擬輸入的16位Σ-Δ型ADC。它還集成了片內低噪聲儀表放大器，因而可直接輸入小信號；內置一個精密低噪聲、低漂移內部帶隙基準電壓源，而且也可采用一個外部差分基準電壓。圖2中所示CHAN表示溫度區域，其中CH1代表內爐頂，CH2代表內爐上，CH3代表內爐底；ACTU代表采樣溫度數值，SET代表設定溫度數值，OUT代表了輸出功率的大小。

4.移相同步精度設計改進

傳統控制板同步精度為100ns±邏輯門延時（約幾個ns），移相分辨率為0.1us。經過設計改進后，采用獨特的先倍頻后同步技術，可大大提高移相同步分辨率。在本次應用中，先對外部輸入的10MHz方波信號，經過FPGA內部的鎖相環（PhaseLockedLoop，PLL）的配置進行零度移相五倍頻，得到和輸入信號零相位差的50MHz信號。上一幅為10MHz信號波形，下一幅為倍頻后的50MHz方波信號波形。

5.DDS電路設計部分

之前控制板在綜合器設計輸出時，采用AT89C52驅動三片74LS595串入并出輸出6位8421碼共24位數據信息經25芯彎角插座（DR-25）將數據傳輸至接收機控制板，再由CPLD處理后輸出所需的頻率信號。而目前設計中選取AD9956[5]，使用直接數字式頻率合成器（DirectDigitalSynthesizer，DDS）技術直接從監控板輸出所需的頻率信號，AD9956是由美國AnalogDevice公司推出的高性能的DDS芯片，提供速度高達400MHz的內部時鐘，可合成頻率高達160MHz，支持2.7GHz的時鐘輸入(可選2，4或8分頻)、內部集成14位的D／A轉換器，具備快速頻率轉換、精細頻率分辨率和低相位噪聲輸出的性能，適用于快速跳頻頻率合成器的設計，本設計DDS輸出頻率信號可以根據鍵盤鍵入的頻率值不同而輸出不同的頻率值。

6.存儲器設計改進

氫原子鐘必需具有對時間以及對所監測數據實時保存的功能。然而外部存儲器的選擇也是多種多樣的，目前應用最多的仍是SRAM、EEPROM及NVRAM這三種方案。我們目前使用的存儲器就是采用SRAM加后備電池的模式，型號62256，它是組織結構為32K*8位字長的高性能CMOS靜態RAM。在設備掉電的情況下，存儲數據易丟失。同時SRAM加后備電池的方法增加了硬件設計的復雜性，降低了系統的可靠性；EEPROM方式可擦寫次數較少(約10萬次)，且寫操作時間較長(約10ms)；而NVRAM的價格問題又限制了它的普遍應用。因此越來越多的設計者將目光投向了新型的非易失性鐵電存儲器(FRAM)。鐵電存儲器具有以下幾個優點：可以總線速度寫入數據，而且在寫入后不需要任何延時等待；有近乎無限次擦寫壽命；數據保持45年不丟失；具有較低的功耗。設計中采用的FM25L16是串行FRAM。其內部存儲結構形式為2k×8位，地址范圍為0000H~07FFH，FM25L16支持SPI方式0和方式3。具有先進的寫保護設計，包括硬件保護和軟件保護雙重保護功能。FM25L16的數據讀寫速度能達到18MHz，可與當前高速的RAM相媲美。結束語從設計的測試結果來看，全新的設計模式對電路的性能，可靠性，穩定性等多方面都有很大的提高，具體表現如下所示：

（1）設計中采用AD7490替代ADC0816，從而使得ADC精度提高8bit升級到12bit，精度提高了16倍，并且無需經過外接模擬開關，減少了信號經過多個模擬芯片引起誤差。

（2）溫度控制系統采用全數字化設計模式，提高測量精度，降低干擾，可避免處理運放電路所造成的對溫度飄移的影響以及多級模擬帶來的累計誤差，最重要的一點就是不用再人為的通過改變電阻模式來達到調整溫度的目的。

（3）綜合器設計部分采用DDS處理技術，直接從監控板輸出所需頻率信號，從而大大減少設計中潛在的故障點，大大提高了設計的可靠性，穩定性。

第3篇

光電檢測技術是光學與電子學相結合而產生的一門新興檢測技術［1］。它主要利用電子技術對光學信號進行檢測，并進一步傳遞、儲存、控制、計算和顯示［2］。光電檢測技術從原理上講可以檢測一切能夠影響光量和光特性的非電量。它可通過光學系統把待檢測的非電量信息變換成為便于接受的光學信息，然后用光電探測器件將光學信息量變換成電量，并進一步經過電路放大、處理，以達到電信號輸出的目的［3］。然后采用電子學、信息論、計算機及物理學等方法分析噪聲產生的原因和規律，以便于進行相應的電路改進，更好地研究被噪聲淹沒的微弱有用信號的特點與相關性，從而了解非電量的狀態。微弱信號檢測的目的是從強噪聲中提取有用信號，同時提高檢測系統輸出信號的信噪比。

1光電檢測電路的基本構成

光電探測器所接收到的信號一般都非常微弱，而且光探測器輸出的信號往往被深埋在噪聲之中，因此，要對這樣的微弱信號進行處理，一般都要先進行預處理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號放大到后續處理器所要求的電壓幅度。這樣，就需要通過前置放大電路、濾波電路和主放大電路來輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測信號。其光電檢測模塊的組成框圖如圖1所示。

2光電二極管的工作模式與等效模型

2．1光電二極管的工作模式

光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖2所示是光電二極管的兩種模式的偏置電路。圖中，在光伏模式時，光電二極管可非常精確的線性工作；而在光導模式時，光電二極管可實現較高的切換速度，但要犧牲一定的線性。事實上，在反偏置條件下，即使無光照，仍有一個很小的電流(叫做暗電流或無照電流1。而在零偏置時則沒有暗電流，這時二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲；在反偏置時，由于導電產生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。因此，在設計光電二極管電路的過程中，通常是針對光伏或光導兩種模式之一進行最優化設計，而不是對兩種模式都進行最優化設計［4］。

一般來說，在光電精密測量中，被測信號都比較微弱，因此，暗電流的影響一般都非常明顯。本設計由于所討論的待檢測信號也是十分微弱的信號，所以，盡量避免噪聲干擾是首要任務，所以，設計時采用光伏模式。

2．2光電二極管的等效電路模型

工作于光伏方式下的光電二極管的工作模型如圖3所示，它包含一個被輻射光激發的電流源、一個理想的二極管、結電容和寄生串聯及并聯電阻。圖中，IL為二極管的漏電流；ISC為二極管的電流；RPD為寄生電阻；CPD為光電二極管的寄生電容；ePD為噪聲源；Rs為串聯電阻。

由于工作于該光伏方式下的光電二極管上沒有壓降，故為零偏置。在這種方式中，影響電路性能的關鍵寄生元件為CPD和RPD，它們將影響光檢測電路的頻率穩定性和噪聲性能。CPD是由光電二極管的P型和N型材料間的耗盡層寬度產生的。耗盡層越窄，結電容的值越大。相反，較寬的耗盡層(如PIN光電二極管)會表現出較寬的頻譜響應。硅二極管結電容的數值范圍大約在20或25pF到幾千pF以上。而光電二極管的寄生電阻RPD(也稱作"分流"電阻或"暗"電阻)，則與光電二極管的偏置有關。

與光伏電壓方式相反，光導方式中的光電二極管則有一個反向偏置電壓加至光傳感元件的兩端。當此電壓加至光檢測器件時，耗盡層的寬度會增加，從而大幅度地減小寄生電容CPD的值。寄生電容值的減小有利于高速工作，然而，線性度和失調誤差尚未最優化。這個問題的折衷設計將增加二極管的漏電流IL和線性誤差。

3電路設計

3．1主放大器設計

眾多需要檢瀏的微弱光信號通常都是通過各種傳感器來進行非電量的轉換，從而使檢測對象轉變為電量(電流或電壓)。由于所測對象本身為微弱量，同時受各種不同傳感器靈敏度的限制，因而所得到的電量自然是小信號，一般不能直接用于采樣處理。本設計中的光電二極管前置放大電路主要起到電流轉電壓的作用，但后續電路一般為A／D轉換電路，所需電壓幅值一般為2V。然而，即使是這樣，而輸出的電壓信號一般還需要繼續放大幾百倍，因此還需應用主放大電路。其典型放大電路如圖4所示。

該主放大器的放大倍數為A=l＋R2/R3，其中R2為反饋電阻。為了后續電路的正常工作，設計時需要設定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的輸出電壓。即有

3．2濾波器設計

為使電路設計簡潔并具有良好的信噪比,設計時還需要用帶通濾波器對信號進行處理。為保證測量的精確性，本設計在前置放大電路之后加人二階帶通濾波電路，以除去有用信號頻帶以外的噪聲，包括環境噪聲及由前置放大器引人的噪聲。這里采用的有源帶通濾波器可選通某一頻段內的信號，而抑制該頻段以外的信號。該濾波器的幅頻特性如圖5所示。圖5中，f1、f2分別為上下限截止頻率，f0為中心頻率，其頻帶寬度為：

B=f2-f1=f0/Q

式中，Q為品質因數，Q值越大，則隨著頻率的變化，增益衰減越快。這是因為中心頻率一定時，Q值越大，所通過的頻帶越窄，濾波器的選擇性好。

有源濾波器是一種含有半導體三極管、集成運算放大器等有源器件的濾波電路。這種濾波器相對于無源濾波器的特點是體積小、重量輕、價格低、結構牢固、可以集成。由于運算放大器具有輸人阻抗高、輸出阻抗低、高的開環增益和良好的穩定性，且構成簡單而且性能優良。本設計選用了去處放大器來進行設計。

本設計選用了去處放大器來進行設計。

圖6所示的二階帶通濾波器是一種二階壓控電壓源(VCVS)帶通濾波器，其濾波電路采用有源濾波器完成，并由二階壓控電壓源(VCVS)低通濾波器和二階壓控電壓源高通濾波器串接組成帶通濾波器。

對于第一部分，即低通濾波器，系統要求的低通截止頻率為fc，其傳遞函數為：

第二部分為高通濾波器，系統要求的高通截止頻率為fc，其傳遞函數如下：

4完整的檢測電路設計

本光電檢測系統設計的完整電路如圖7所示。為方便表示，電路中的R2、R3即為前面等效電路模型中的RT、RF。前級部分由光電轉換二極管與前級放大器組成，這也是光電檢測電路的核心部分，其器件選用高性能低噪聲運算放大器來實現電路匹配并將光電流轉換成電壓信號，以實現數倍的放大。然而，雖然前級放大倍數可以設計得很大，但由于反饋電阻會引入熱噪聲而限制電路的信噪比，因此前級信號不能無限放大。