计算机中的主要电子元

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,计算机维修技术 第,3,版,教学课件,易建勋 编著,清华大学出版社,2013,年,8,月,本课件随教材,免费赠送,给读者，读者可自由播放、复制、分发本课件，也可对课件内容进行修改。,课件中部分图片来自因特网公开的技术资料，这些图片的,版权属于原作者,。,感谢在因特网上提供技术资料的企业和个人。,本课件不得用于任何商业用途,。,课件版权属于作者和清华大学出版社，其他任何单位和个人都不得对本课件进行销售或修改后销售。,作者,：易建勋,2013,年,8,月,作者声明,第,2,章 计算机中的主要电子元件,2.1,常用电子元件,2.1.1,电阻,2.1.2,电容,2.1.3,电感,2.1.4,晶振,2.1.5,二极管,2.1.6,三极管,2.1.7,场效应管,2.2,电路保护元件,2.2.1,异常过电压,2.2.2,保险电阻,2.2.3,热敏电阻,2.2.4,TVS,保护器件,2.3 PCB,结构与布线,2.3.1,PCB,制造工艺,2.3.2,PCB,叠层结构,2.3.3,PCB,布线原则,2.3.4 PCB,上的过孔,2.4,集成电路制造工艺,2.4.1,CMOS,电路工作原理,2.4.2,集成电路制程线宽,2.4.3,集成电路生产工艺,2.4.4,集成电路封装形式,2.1,常用,电子元件,2.1.1,电阻,1,电阻的类型与功能,电阻主要用于控制和调节电路中的,电流,和,电压,，,或用于消耗电能的,负载,。,例：分流、分压、限压、限流、保护、滤波、阻抗匹配等工作。,2.1.1,电阻,电路板中的贴片电阻、电容,贴片电阻,贴片电容,2.1.1,电阻,2,贴片电阻,贴片电阻具有耐高温，可靠性高，高频特性优越，温度系数与精度误差较小等优点。,贴片适合波峰焊和回流焊，配合自动贴片机可以实现电子产品的规模化生产。,贴片电阻能减少印制电路板的面积，从而减小产品外观尺寸。,贴片电阻已逐步取代传统的分立电阻,。,2.1.1,电阻,4,电阻的标注方法,电路图中，,直接标注电阻值，单位,。,例：,20,、,10k,、,47 Ohm,2.1.1,电阻,印制电路板中标为：,R+,编号,例：,R592,、,R5B7,等,电阻,排,2.1.1,电阻,贴片电阻阻值计算：,第,1,、,2,位表示阻值，第,3,位为,0,的个数，单位,。,电阻标注规则：,ABC=AB,10,C,或,ABCD=ABC10,D,例：,470=47X10,0,=47,；,222=22X10,2,=2.2k,；,105=1M,小数点用字母,“,R,”,表示,例：,2R2J=2.2,，,J=,精度误差,5%,；,R015=0.015,2.1.1,电阻,【,补充,】,精密贴片电阻阻值表,2.1.1,电阻,【,补充,】,分立电阻采用色环标注,普通电阻用,4,色环，精密电阻用,5,色环,。,2.1.2,电容,1.,电容,的基本特性,储能,和,隔直通交,隔直,原理,：,电容只有在充电,时,允许电流通过，充电结束后，电容达到饱和状态时,，,直流电就不能通过电容了，因此，电容起着,“,隔离直流,”,的作用。,通交,原理,：,交流电通过电容,时,，因为交流电不仅方向往复交变，大小也按规律变化。电容连续地充电和放电，电路中就会流过与交流电变化规律一致的充电电流和放电电流,。,电容在常温下容量最大，随着温度上升或下降，其容量都会下降。,2.1.2,电容,2.,电容的类型,电容的储能介质：,无机介质：,陶瓷电容、云母电容,等。,有机介质：,薄膜电容等。,电解介质：,液态铝电解电容、固态铝电解电容、钽电解电容等,。,陶瓷电容,一般用在,GHz,级高频电路中，如,CPU,、,GPU,等外围电路。,电解电容,广泛用于主板，显卡，电源等产品。,薄膜电容,常用在音箱电路中，优点是较精密、耐高温高压。,2.1.2,电容,电容的类型,液态电,解电容,贴片,电容,2.1.2,电容,电容的类型,钽电容,陶瓷电容,固态电铝解电容,液态铝解电容,的防爆刻槽,2.1.2,电容,4,液态铝电解电容,组成,采用铝或钽金属箔为正极，紧贴正极,的,氧化铝金属膜是电介质，阴极由导电材料、电解质（液体或固体）和其他材料组成。,优点,体积和,容量非常大,，比其它电容大几十到数百倍。,价格比其它电容有压倒性优势。,缺点,温度过热时，容易导致电容,失效,，甚至膨胀,爆裂,。,电路板长期不用会造成电极受损,，,泄漏电流增大,；,介质损耗和容量误差较大。,2.1.2,电容,5,固态,铝,电解,态,电容,阴极采用固态,导电,高分子材料,，,导电能力比电解液高出,2,3,个数量级。,大大降低了等效串联电阻,(ESR),，改善了温度,频率特性，而且加工性好，易于封装,。,多用,直插分立式封装,。,解决,了电解液蒸发、泄漏、易燃等问题,。,2.1.2,电容,固态电解电容的特性,(1),高稳定性,可持续在高温环境下稳定工作。容量与工作电压基本无关。,(2),长寿命,使用寿命超过,50,年，不会引发电容爆裂。,(3),低,ESR,ESR,越低，充放电速度越快，可充分吸收电路中的高幅值电压。,(4),高额定电流,高速充放电特性可以保证在瞬间输出高峰值电流。,2.1.2,电容,2.1.2,电容,贴片电容,2.1.3,电感,1,电感的基本特性,储能，,通,直流，阻,交流,。,为了减少,电感本身,电阻对直流电流的影响，,电感采用线径较粗的漆包线,。,在,电感中插入磁环,，是为了,提高,电感量,。,电感对高频噪声有很好的屏蔽作用,。,电感,图纸标注,2.1.3,电感,2,电感器的类型,2.1.4,晶振,1,石英晶振的结构,晶振的作用,：,产生原始,时钟频率,信号,，这个频率通过时钟频率发生器,芯片的,倍频或分频后，就成了计算机中各种总线和芯片的时钟信号,。,石英,晶,振能,提供非常高的精度和,稳定度,。,晶振周围,的温度、湿度和,电压,发生,变化,时，几乎,不,会,影响,晶振频率的变化。,时钟频率,发生器,晶振,2.1.4,晶振,【,补充,】,石英晶体,谐振器,2.1.4,晶振,主板上的晶振,实时时,钟晶振,系统时,钟晶振,2.1.4,晶振,讨论：,（,1,）系统时钟为：,14.318MHz,，为什么不是一个整数？,（,2,）实时时钟为什么是：,32.768kHz,？,2.1.5,二极管,1,二极管工作原理,二极管特性：,单向导电性,。,电流从二极管,正极流入，负极流出,。,二极管类型：,整流二极管,稳压二极管,开关二极管,发光二极管等。,2.1.5,二极管,二极管应用,整流、隔离、稳压、极性保护、频率调制等。,数码二极管,发光二极管,二极管,二极管,2.1.5,二极管,2.,二极管极性识别,三角形,箭头,一端为正极，竖线一端是负极；,带,色环,一端为负极；,外壳标有极性,色点,（白色或红色）一端为正极；,LED,长脚,为正，短脚为负；,用万用表测量二极管正反向电阻，以阻值较小的一次测量为准，黑表笔所接一端为正极，红表笔所接一端为负极。,2.1.5,二极管,二极管,二极管,三极管,2.1.6,三极管,1,三极管的基本结构,工作原理,三极管以基极微小的电流变化，控制集电极电流较大的变化,。,三极管应用,放大电路、开关电路、稳压电路等。,2.1.6,三极管,三极管在电路中的应用,B,：基极,E,：发射极,C,：集电极,三极管,2.1.6,三极管,2,三极管,的放大,状态,三极管发射极电压大于,PN,结导通电压时，基极电流对集电极电流起控制作用，使,三极管有电流放大,作用,。,3,三极管的饱和导通状态,三极管发射极电压大于,PN,结导通电压，当基极电流增大到一定程度时，三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间处于导通状态（,饱和导,通,）,。这时三极管,起“,导通,”作用,（,逻辑,1,）,。,2.1.6,三极管,4,三极管的截止状态,三极管发射极电压小于,PN,结导通电压，基极电流为零，,集电极和,发射极电流都为零时，三极管失去电流放大作用，集电极和发射极之间处于断开,状态。,这时三极管,起“,截止,”,（,逻辑,0,）,作用。,如果将三极管交替应用在截止区和饱和区，,它可以,起到电子开关的作用。,2.1.7,场效应管,1,场效应管的类型与,特点,场效应晶体管,(FET),类型,：结,型和绝缘栅型。,应用最广泛,的是,MOSFET,（,金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管,）,。,2.1.7,场效应管,半导体场效应晶体管,(MOSFET,),简称为,场管,或,MOS,管,。,场管,电感,固态电容,场管,2.1.7,场效应管,G,：栅极,D,：漏极,S,：源极,静电防护,二极管,静电防护,二极管,B,：基极,E,：发射极,C,：集电极,2.1.7,场效应管,4,场效应管与晶体三极管的比较,场效应管是一种,电压控制,器件。,晶体三极管是,电流控制,器件。,场效应管优点：,工作频率高，功率大，输入阻抗高，热稳定性好，抗辐射性好，噪声低，制造工艺简单等。,场效应管应用：,作为放大电路的缓冲级，模拟开关和恒流源电路等。,比喻：场管控制身高，三极管控制肥胖。,【,补充,】,电子元件在电路中的应用,固态铝电解电容,电感,液态铝电解电容,场效应管,去耦电容,0,欧姆电阻,PCB,板,【,补充,】,电子元件在电路中的应用,电池,电阻排,数码二极管,二极管,场管,集成电路,1,号引脚,晶振,晶振,固态电容,贴片电阻,贴片电容,2.2,电路保护元件,2.2.1,异常过电压,过电压,也称为浪涌电压,(,或浪涌电流,),，它是一种,瞬变干扰,。,浪涌电压防护,一般采用,分流防御,措施，即将浪涌电压在非常短的时间内,与大地短接,，使浪涌电流分流入地，达到削弱和消除过电压、过电流的目的。,外部过电压侵入途径,导线、电路、传输管道、静电感应、电磁感应等。,过电压大多数情况下呈现随机状态。,2.2.1,异常过电压,过电压形成的,原因,（,1,）雷击过电压,直击雷过电压发生概率,非常低，,通常的雷击过电压,是“,感应雷过电压,”,。,雷击对地面,某点,放电时,，它周围,1.5km,范围内的导体中，都会有一定幅值的瞬态电压产生。,雷电过电压的,特点是,持续时间短，峰值高,。,2.2.1,异常过电压,（,2,）开关过电压,电路中的断路器、隔离开关、继电器、脉冲调制开关（,PWM,）等通断转接时，电路对地以及开关两端所产生的过电压。,开关过电压的持续时间比雷击过电压长，在数百微秒之间，并且衰减很快。,2.2.1,异常过电压,（,3,）静电过电压,在天气干燥的冬天，人体与衣服之间的磨擦会使人体带电，当带电的人与电子产品接触时，就会对电子产品（如,U,盘）放电，这是一种典型的,静电释放,（,ESD,）,。,ESD,的特点：电压很高（数,kV,），时间很短（,ns,级）。,2.2.1,异常过电压,（,4,）瞬态过电压,交流电网上出现的浪涌电压、振铃电压、火花放电等瞬间干扰信号。,特点是时间极短，但电压幅度高、瞬态能量大。,（,5,）操作过电压,带电插拔：如,U,盘带电插拔等。,讨论：带电拔插好比闯红灯，人人都知道危险，人人都闯过。,如何闯红灯较安全？,2.2.2,保险电阻,保险,电阻主要用于电源电路,输出电路,中。,保险电阻的阻值低（几欧姆至几十欧姆），功率小（,1/8,1W,）。它们的作用是在电路发生过流时及时熔断，保护电路中的元件免遭损坏。,2.2.2,保险电阻,0,欧姆电阻,一种保险电阻，用在数字,/,模拟混合电路中。,空置的跳线在通过高频信号时，相当于天线，向外发射（或吸收）电磁波，采用,0,欧姆电阻后，这种现象可以得到有效控制。,2.2.2,保险电阻,0,欧姆电阻,2.2.3,热敏电阻,1. NTC,（负温度系数）,热敏电阻,负温度系数：,温度下降时电阻值会升高,。,例：在,25,时阻值为,10k,的电阻，在,0,时阻值会提高到,28.1k,，,70,时阻值会降低为,2.95k,。,NTC,结构,贴片,NTC,玻璃管,NTC,贴片,NTC,2.2.3,热敏电阻,NTC,热敏电阻,材料：,锰,、钴、镍和铜等金属氧化物为,主要，,采用陶瓷工艺制造而成,。,为了避免开机瞬间产生的浪涌电流，在电源电路中串接一个功率型,NTC,热敏电阻，可以有效地抑制开机时的浪涌电流。,2.2.3,热敏电阻,2. PTC,（正温度系数）,热敏电阻,正温度系数,：,温度,升高,时,电阻值会升高,。,PTC,热敏电阻类型,：,陶瓷材料,高分子,聚合物,材料,高分子,聚合物,PTC,热敏电阻特点,：,当温度升高到,某个值时,，,PTC,阻值,会显著增加，呈高阻状态，相当于,断路；当,温度降低后，,它会自动,复位，恢复至低阻状态,。,高分子,PTC,电阻又称为,自恢复保险丝,。,PTC,热敏电阻用途：,自动消磁，延时启动，恒温加热，过流保护，过热保护等,。,P=PTC,电阻,110=11,欧姆,FS1=,标记,2.2.3,热敏电阻,主板中的,PTC,元件,过流,PTC,阻值升高,断路,发热,2.2.3,热敏电阻,PTC,在电路板,中,的应用,电路板采用,的高分子,PTC,电阻，通常为,绿色,或,黄色,贴片元件,。,芯片,上标有字母,“,P,”,。,在,电路图和,PCB,板上，标记为,“,F,”,。,键盘,、鼠标、,USB,等,接口热,插,拔时,，由于接触不好，很容易产生点与点之间的高电压，导致,I/O,接口芯片,烧毁,。,主板,在,I/O,接口和,USB,接口中安装了高分子,PTC,电阻,，以保护,主板上的接口控制芯片。,2.2.3,热敏电阻,2.2.4 TVS,保护器件,1,. ESD,（静电释放）,保护方法,发生,ESD,事件,时，,硅芯片,可能会开裂，芯片内部,的线路,也容易出现开路或短路现象,。,大多数,集成电路芯片内部设计了有限的,ESD,保护,功能，允许承受,1,2kV,的静电脉冲。虽然在电路板装配时足以保护集成电路芯片，但无法对最终用户起到足够的保护作用,。,2.2.4 TVS,保护器件,2. TVS,（瞬态电压抑制器）,二极管,工作原理,TVS,二极管,是在,稳压二极管基础,上发展起来的一种新产品。,当,电路中由于雷电等情况，出现,大幅度瞬态干扰电压,或,脉冲电流时,，,TVS,二极管能在极短的时间内（最高达,ps,）迅速转入反向导通状态。使,阻抗骤然降低,，同时,吸收大电流,，并将电路的,电压箝位,在所要求的,安全数值,上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高压冲击而损坏。,干扰脉冲过去后，,TVS,二极管又转入反向截止状态,。,2.2.4 TVS,保护器件,TVS,芯片,内,通常含有若干个,TVS,二极管，具有多路保护作用,。,国际,电工,委员会标准,规定，,ESD,防护器件必须达到最小可以防护,8kV,（接触）,和,15kV,（空气）,的,ESD,冲击,。,TVS,芯片电路结构,2.2.4 TVS,保护器件,TVS,芯片在,电路中的应用,2.2.4 TVS,保护器件,TVS,芯片在,电路中的应用,主板,USB,接口电路,TVS,芯片,2.2.4 TVS,保护器件,【,补充,】 TVS,芯片在,电路中的应用,TVS,芯片,集成电路芯片,IC,内部,ESD,保护电路,2.2.4 TVS,保护器件,【,补充,】 TVS,芯片在,电路中的应用,2.2.4 TVS,保护器件,TVS,二极管在电路中的应用,【,补充,】,异常过电压预防方法,异常,过电压预防方法,雷击和瞬态过电压：采用,SPD,（电涌保护器,）,。,持续时间较短的,瞬态过电压：采用,压敏,电阻,。,持续时间较长的,瞬态过电压：,熔断器,，断路器,等。,静电和,操作,过电压：,保险电阻,，,TVS,芯片,。,【,补充,】,雷击防护,电源的防雷防浪涌,【,补充,】,雷击防护,【,补充,】,雷击防护,信号源的防雷防浪涌,2.3 PCB,结构与布线,2.3.1 PCB,制造工艺,1,.,基板,FR4,材料,PCB,（印制电路板）,基板,采用,FR4,材料,FR4,是一种耐燃材料的等级代号,。,FR4,采用阻燃玻璃纤维布,板。,计算机电路,板,多采用,环氧树脂,加,玻璃纤维布,制造,的,FR4,材料,复合材料,。,FR4,基板绝缘性能稳定，有较好的耐热性和防潮性，并有良好的机械加工性,。,PCB,表面的细小线路材料是,铜箔,。,PCB,有,绿色或棕色，这是,阻焊漆,的颜色，它也是,绝缘防护层,。,2.3.1 PCB,制造工艺,FR4,基板和覆铜板,FR4,基板,覆铜板,2.3.1 PCB,制造工艺,2. PCB,制造,工艺,（,1,）化学清洗,（,2,）涂,光刻胶,（,3,）曝光和,显影,（,4,）,蚀刻,（,5,）去,膜,（,6,）,清洗,（,7,）叠层,（,8,）钻孔,（,9,）电镀通孔,（,10,）焊盘挖孔,（,11,）表面处理,（,12,）检查,（,13,）,包装出货,2.3.1 PCB,制造工艺,覆铜板生产流程,2.3.1 PCB,制造工艺,PCB,制造,工艺流程,2.3.2 PCB,叠层结构,2. PCB,叠层结构,多层板优点：,装配密度高，体积小，布线方便；,电子元件之间的连线缩短，信号传输速度提高。,多层板缺点：,层数越多制造成本越高，,6,层,PCB,的成本大约是,4,层的,1.3,倍；,质量检测较麻烦。,计算机中的电路板通常采用,4,12,层,PCB,。,2.3.1 PCB,制造工艺,PCB,的基本,结构,信号层,绝缘层,2.3.2 PCB,叠层结构,PCB,由多块覆铜板组成,。,覆铜板厚度在,0.2,2.0mm,之间，,铜箔厚度在,10,50m,之间,。,电路板,表面绝缘漆,铜箔,绝缘层,2.3.2 PCB,叠层结构,PCB,的基本结构,6,层,PCB,结构,(,放大,),铜箔,2.3.2 PCB,叠层结构,大多数计算机主板采用,6,层,PCB,结构。,6,层,PCB,上面和下面两层为信号层,S1,和,S3,，中间分别是接地层,G1,、内部信号层,S2,、电源层,P,和接地,G2,。,将信号层放在电源平面和地平面两侧，既可以防止相互之间的干扰，又便于对线路做出修正。而且可以减少彼此之间的干扰。,PCB,不同层信号的布局有不同的方案。,2.3.2 PCB,叠层结构,【,补充,】,覆,铜板类型与,特点,2.3.2 PCB,叠层结构,【,补充,】,覆,铜板技术指标,2.3.2 PCB,叠层结构,【,补充,】 PCB,铜箔宽度与电流的关系,2.3.3 PCB,布线原则,1,. PCB,布线原则,分开布局,数字电路，模拟电路，大电流电路，必须,分开布局,，以减小系统之间的信号藕合。,时钟布线,时钟线路,要采用,屏蔽,措施,或靠近,地线，以降低,EMI,(,电磁干扰,),。,避免环状,避免,传输线形成环状,，闭环布线起,到了天线的作用，会增强,EMI,辐射强度,。,线路,长度,线路,长度,不,能,是,时钟信号波长,1/4,的整数倍,，否则会导致谐振现象，产生严重的,EMI,辐射,。,2.3.3 PCB,布线原则,去耦电容,去,耦电容,要,靠近电源管脚,，并且电容的,电源线,和地线所包围的面积要尽可能地,小。,减少线路干扰,主板,中的传输线像天线一样传递和发射电磁干扰信号，因此在合适的地方截断这些,“,天线,”,是防止,EMI,的有效方法,。,线路间距,线路,之间的间距,越,小，互感,效应越,明显，信号质量也越差。因此线路间距越大越好,，,线路,间距一般为,3,倍线宽,为佳。,平行线,平行,信号线之间要尽量留有较大的间隔，以减少串扰,。,两条间距,较,近的信号线，最好在两线之间走一条地线,，起,到屏蔽作用,。,2.3.3 PCB,布线原则,线路,急转,传输线要避免急转弯，转向不能是直角。转弯角度过小会对其它设备产生干扰。其次传输线的直角在高温下容易剥落。,大电流器件,电路板上若有大电流器件,（,如指示灯、喇叭等,）,，它们的地线最好单独布线，以减少地线上的噪声。,小信号,线,放大前的弱信号线要远离强信号线，而且布线要尽可能地短，如有可能还要用地线对其进行屏蔽。,2.3.3 PCB,布线原则,计算机主板的布线,2.3.3 PCB,布线原则,2. PCB,导线宽度与间距,（,1,）导线宽度,导线最小宽度与导线上的电流大小有关。,线宽越太,，,通过导线的电流,也,越大，导线的电压降也大,。,线宽太大,，,则布线密度不高，电路板面积增加。,例：,以电流负荷,为,20A/mm,2,计算，当覆铜箔厚度为,0.5mm,时（大部分电路如此），则,1mm,（,40mil,）线宽的电流为,1A,左右,。,导线宽度,1,2.54mm,（,40,100mil,）就能满足一般应用要求。,大功率电路的地线和电源，可根据功率大小适当增加线宽,。,在小功率数字电路中，为了提高布线密度，,一般最小线宽为,0.254,1.27mm,（,10,15mil,）就能满足要求。,同一电路板中，,电源线、地线比信号线粗,。,2.3.3 PCB,布线原则,信号线,电源线,地线,地线,2.3.3 PCB,布线原则,（,2,）导线间距,导线间距为,1.5mm,时，线间绝缘电阻大于,20M,，线间最大耐压可达,300V,；,线间距为,1mm,时，线间最大耐压为,200V,。,在线间电压不大于,200V,的电路板上，线间距可以取,1.0,1.5mm,。只要生产工艺允许，线间距可以很小。,2.3.3 PCB,布线原则,4.,蛇形布线,2.3.3 PCB,布线原则,蛇形布线：,遵循,时钟线等长,原则,信号在微带线中的传输速度为,15cm/ns,，信号对线路长度非常敏感，,不等长的时钟线路会引起信号不同步,，造成系统不稳定。,蛇形线间距越小，干扰越大，信号越差。所以间距,S,越大越好，但空间有限，依,3W,原则，,S,为,2,倍线宽为佳。,蛇行差,分线对,2.3.3 PCB,布线原则,信号线对,差分时,钟对线,CPU,插座,内存插座,地线尽量大,蛇行线,信号线转角大于,45,度,电源线尽量粗,2.3.3 PCB,布线原则,2.3.4 PCB,上的过孔,1,.,过孔的类型与功能,用于,各层之间的,电气连接,；,用于,器件的固定或,定位,。,通孔,埋孔,盲孔,盲孔,钻孔,2.3.4 PCB,上的过孔,2.,过孔工艺,钻孔费用占制板费的,30%,40%,。,过孔尺寸受到钻孔和电镀等工艺的限制。,过孔深度超过钻孔直径,6,倍时，无法保证孔壁能均匀地镀铜。,例,：,6,层,PCB,的厚度（通孔深度）为,1.2mm,左右，所以,PCB,钻孔直径最小只能达到,0.2mm,。,过孔对信号的影响,传输线的过孔太多会导致电路完整性下降,。,过孔越小，寄生电容也越小，这样更适合用于高速电路。,【,补充,】,PCB,元件布局原则,电子元件,的放置方向只能沿水平和垂直方向排列，否则不利于自动化插件。,贴片元件与,IC,芯片的距离为,0.5,0.7mm,；分立直插元件在,1,3mm,之间。,某些元器件或传输线之间，如果存在较高的电位差，则元件间距应足够大，防止出现放电现象，以免引起意外短路,。,传输线与,PCB,边缘的距离不小于,2mm,。,重量超过,15g,的元器件，应当用支架固定。,尽可能缩短高频元器件之间的连线,。,【,补充,】,PCB,元件布局原则,易,受干扰的元器件不能,相互靠得太,近。,输入,/,输出元件应尽量远离。,去耦电容位置尽可能靠近,IC,的电源口。,电容尽可能远离发热区域。,【,补充,】,PCB,电磁兼容设计,电磁兼容,（,EMC,）,指设备在电磁环境中正常工作，且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。,3W,规则,当传输线间距大于,3,倍线宽时，可保证,70%,的电场不互相干扰。,如要达到,98%,的电场不互相干扰，可使用,10W,间距。,消除地线干扰,利用,隔离变压器,切断地环路电流。,利用,光隔离器,切断地环路。,利用,共模扼流圈,。,数字电路可用地线组成一个,回路,。,【,补充,】,PCB,电磁兼容设计,微带线之间的,3W,布线原则,带状线,微带线,微带线,2.4,集成电路制造工艺,2.4.1 CMOS,电路工作原理,1,MOS,晶体管结构,接口,端,：,栅极,（,Gate,）、,源极,（,Source,）、,漏极,（,Drain,）。,源级,S,漏级,D,栅级,G,源级,S,漏级,D,栅级,G,导电沟道,隔离层,导线,隔离层,2.4.1 CMOS,电路工作原理,N,沟道增强型,MOS,晶体管,P,N,N,G,S,D,G,S,D,金属导线,SiO2,隔离层,N,区,导电沟道,P,型基底,2.4.1 CMOS,电路工作原理,栅极,栅极,采用多晶硅材料,；,栅极控制漏极与源极之间的电子的流动。,隔离层,采用二氧化硅（,SiO2,）,作,为绝缘材料,；,保证,栅极与,基,底之间的绝缘，阻止栅极电流产生。,源极和漏极,采用,N,型高浓度掺杂半导体材料,；,形成,自由载流子（电子和空穴）,。,基,底,采用,P,型硅作,基,底材料,；,保证,N,区,与硅,基,底之间的绝缘。,2.4.1 CMOS,电路工作原理,工作原理,MOS,晶体管本质上是一个电压控制的电阻器,。,MOS,晶体管的开关状态，由栅极电压,V,GS,控制,。,施加在栅极与沟道之间的电压（栅,-,源,电压,）决定着沟道内自由载流子（电子和空穴）的浓度，从而控制源,-,漏电流,。,漏,-,源电压控制电流的流向。,MOS,晶体管的源极与漏极完全对称，只有根据电流的流向才能确认源极与漏极。,2.4.1 CMOS,电路工作原理,2,MOS,晶体管的导通状态,在栅极施加正电压,V,GS,；,硅,基,底,会,感应出等量的负电荷,；,继续,增加栅极电压,V,GS,，就会,形成,导电,沟道,；,电子积累到一定水平时，会形成运动的电荷,；,源极区的电子会,通过导电,沟道,，,到达漏极区,；,这时会,形成由源极流向漏极的电流,；,这时,MOS,晶体管处于导通状态,；,可以设定晶体管导通,状态为逻辑,“1”,。,2.4.1 CMOS,电路工作原理,3,MOS,晶体管的截止状态,当控制端栅极没有触发电压时，电流无法从源极流向漏极,；,晶体管处于,“,关闭,”,状态,；,可以设定,晶体管,关闭,状态为逻辑,“0”,。,2.4.1 CMOS,电路工作原理,4.,CMOS,电路结构,CMOS,电路由,PMOS,晶体管和,NMOS,晶体管互补,配对,组成。,任何,时候都只有,一个,MOS,晶体管导通，另一个必然关闭,。,CMOS,反相器,原理,CMOS,反相器结构,2.4.1 CMOS,电路工作原理,理论上,CMOS,电路的静态功耗为,0,，但是受材料和制造工艺的限制，,CMOS,电路的实际功耗不能忽略不计。,在,CMOS,电路中，,NAND,（与非门）、,NOR,（或非门）是最基本的逻辑电路,，其他逻辑电路都可以通过它们之间的相互组合进行设计。,在集成电路中，一般般尽量采用“,或非门,”构造,PMOS,和,NMOS,电路。,2.4.1 CMOS,电路工作原理,【,补充,】“,或非门”构造的,PMOS,和,NMOS,电路,PMOS,管,NMOS,管,2.4.2,集成电路制程线宽,1. MOS,晶体管沟道长度,沟道,长度,（物理栅长）,是电流从源极（,S,）流到漏极（,D,）经过的距离。,垂直于沟道长度,的源漏区称为,沟道宽度,W,。,2.4.2,集成电路制程线宽,MOS,晶体管的沟道长度越小，晶体管的工作频率就越高,。,沟道长度（,L,）确定后,，可以,根据电流的大小选择相应的沟道宽度（,W,）。,沟道宽度小时，晶体管发热也就小,。,2.4.2,集成电路制程线宽,栅极隔离层的泄漏电流会导致,CPU,发热和功率增加。晶体管栅极隔离层越厚，阻止泄漏电流的效果就会越好。,2.4.2,集成电路制程线宽,2.,集成电路半节距与制程线宽,“,制程线宽”指,CPU,栅极半节距,。,2.4.2,集成电路制程线宽,沟道长度小于,5nm,，就会产生,隧道效应,。,由于源极与漏极非常接近，电子将会自行穿越沟道，通过栅极控制电流的方法将彻底失效，这意味着目前基于,CMOS,的集成电路制造工艺将走到尽头,。,以现有材料和工艺估计，沟道长度,5nm,的电路将以,13nm,制程,工艺生产。,目前的,CPU,制程工艺已经达到,22nm,。,2.4.2,集成电路制程线宽,制程线宽,13nm,，硅工艺的终结？,2.4.2,集成电路制程线宽,半导体工艺改进规律：,每代半导体产品的,制程,线宽实现,0.7,倍的缩小,。,例如，,CPU,制程工艺为,22nm,线宽时，下一代产品为,16nm,。,两代产品之间的时间跨度大约为,2,3,年,。,2.4.2,集成电路制程线宽,2.4.3,集成电路生产工艺,建造,一座量产,45nm,处理器的晶圆工厂，投资为,30,亿美元。,2.4.3,集成电路生产工艺,2.4.3,集成电路生产工艺,集成电路生产工艺,2.4.3,集成电路生产工艺,集成电路生产工艺,2.4.3,集成电路生产工艺,集成电路生产工艺,2.4.3,集成电路生产工艺,集成电路生产工艺,2.4.3,集成电路生产工艺,集成电路生产工艺,2.4.3,集成电路生产工艺,集成电路生产工艺,2.4.3,集成电路生产工艺,集成电路生产工艺,2.4.3,集成电路生产工艺,集成电路生产工艺,2.4.3,集成电路生产工艺,集成电路生产工艺,2.4.3,集成电路生产工艺,1,掩模版图生成,一个异或门版图设计,一个异或门电路设计,2.4.3,集成电路生产工艺,一般晶,圆,上的每层电路需要,4,个掩模图,2.4.3,集成电路生产工艺,掩膜光刻工艺,2.4.4,集成电路封装形式,1. DIP,封装,（双列直插式）,2.4.4,集成电路封装形式,2. TSOP,封装,（薄型小尺寸封装）,2.4.4,集成电路封装形式,3,FBGA,封装,（,反转球形栅格,封装,）,DDR3,内存采用,FBGA,封装形式,2.4.4,集成电路封装形式,FBGA,封装,课程作业与讨论,讨论：,（,1,）有可能制造出柔性电路板吗,？,（,2,）,电路板中电子元件越多越好,？,（,3,）集成电路芯片最大,的缺点是什么,？,（,4,）时钟,32.768kHz,=2,15,=1000 0000 0000 0000,2,。,【,本章结束,】,