《北京大学电子技术》课件

北京大学电子技术欢迎参加北京大学电子工程与计算机科学学院开设的电子技术课程本课程是2025年春季学期的重要专业课，将系统讲授电子技术的基础理论、实验技能和前沿应用通过本课程的学习，同学们将掌握从基础电子元器件到复杂电子系统的设计原理和实现方法，为今后在电子工程领域的学习和研究奠定坚实基础课程概述课程目标与学习成果教材与参考资料本课程旨在培养学生掌握电子主教材《电子技术基础》技术基础理论和实践技能，能（第六版）清华大学出版社；够分析和设计基本电子电路，辅助材料包括《模拟电子技了解电子技术前沿发展，并具术》、《数字电子技术》以及备解决实际工程问题的能力北京大学自编实验讲义评分标准与实验要求课程总评由平时作业20%、实验报告30%、期末考试40%和课堂参与10%组成要求完成12次基础实验和1个综合设计项目电子技术发展历史真空管时代1906-1950s从李·德福雷斯特发明三极真空管开始，电子技术进入快速发展阶段，催生了无线电、雷达等技术晶体管革命1947-1960s1947年贝尔实验室发明晶体管，体积小、功耗低，彻底改变了电子技术发展方向集成电路时代1958-至今1958年基尔比发明集成电路，摩尔定律指导下，芯片集成度每18-24个月翻一番后摩尔时代2000s-至今中国在芯片制造、5G通信、量子计算等领域取得重大突破，北京大学在微电子、光电子领域做出重要贡献电子技术基础理论电路基础知识回顾•欧姆定律与基尔霍夫定律•电阻、电容、电感特性•等效电路分析方法电子元器件分类•有源器件晶体管、集成电路•无源器件电阻、电容、电感•功能器件传感器、变换器信号与系统概念•时域与频域表示•连续与离散信号•线性时不变系统特性模拟与数字电路区别•信号表示方式差异•处理方法与器件选择•性能评价指标不同掌握电子技术基础理论是学习高级电子系统的关键理解信号处理的本质、熟悉各类电子元器件的特性，将帮助我们在复杂系统设计中做出正确的技术选择本课程将通过理论讲解与实际案例相结合的方式，帮助同学们建立扎实的电子技术理论基础半导体物理基础半导体能带理论解释导体、绝缘体与半导体的本质区别载流子与掺杂理解N型、P型半导体的形成机制PN结基本原理半导体器件的基础结构半导体物理是现代电子技术的理论基础硅、锗等半导体材料因其特殊的能带结构，在室温下既不是良导体也不是绝缘体，通过掺杂可以精确控制其导电性能PN结是半导体器件的基础结构，由P型半导体与N型半导体结合形成在PN结处形成的势垒和空间电荷区，决定了二极管、晶体管等器件的电学特性理解半导体物理基础，将帮助我们深入掌握各类电子器件的工作原理，为后续电路设计和分析奠定理论基础二极管技术整流二极管稳压二极管用于交流转直流的电源电路利用反向击穿区域特性稳定电压•正向导通，反向截止•稳压电路设计•半波整流与全波整流•温度补偿技术变容二极管发光二极管利用电容随电压变化的特性将电能转换为光能的光电器件•调谐电路应用•不同材料发不同波长光•参数放大器•显示与照明应用二极管是最基本的半导体器件，具有单向导电性，是构建电子电路的基础元件不同类型的二极管具有独特的电学特性，被应用于各种电子系统中掌握二极管的工作原理和应用方法，是理解复杂电子电路的第一步通过分析二极管的伏安特性曲线，我们可以准确预测其在电路中的行为，设计出性能可靠的电子系统本章将详细讲解各类二极管的特性参数、测试方法和典型应用电路双极型晶体管BJTBJT结构与工作原理BJT的工作模式双极型晶体管由两个PN结组成，分为NPN和PNP两种类型其工作原理基于少数载流子•截止区基极电流很小，晶体管关闭的注入和扩散过程，电流增益是其关键参数•放大区（有源区）基极控制集电极电流BJT有三个区域发射极E、基极B和集电极C基极电流控制集电极电流，实现电•饱和区晶体管完全导通，相当于开关流放大效应放大区是设计放大器的关键工作区域，需要正确的偏置电路保证晶体管工作在此区域饱和区和截止区则主要用于设计开关电路BJT的重要参数包括电流放大系数β、输入电阻、输出电阻和频率特性等这些参数决定了BJT在放大电路中的性能表现通过静态工作点的设置，可以使BJT在不同温度和工作条件下保持稳定工作BJT虽然是较早发明的晶体管类型，但因其优良的线性特性和高电流驱动能力，至今仍在模拟电路和功率电路中广泛应用场效应晶体管FETMOSFET结构金属-氧化物-半导体场效应晶体管是现代集成电路的基础器件包含栅极G、源极S、漏极D和衬底B四个端子，通过栅极电压控制沟道导电性JFET特性结型场效应晶体管结构更简单，具有高输入阻抗特性主要分为N沟道和P沟道两种类型，适用于低噪声放大器和恒流源电路设计FET工作特性FET的主要特性包括转移特性和输出特性转移特性描述栅源电压与漏极电流的关系，输出特性描述漏源电压与漏极电流的关系场效应晶体管是电压控制的器件，与电流控制的BJT相比，具有输入阻抗高、功耗低、集成度高等优点MOSFET作为现代集成电路的核心器件，其尺寸已缩小到纳米级别，单个芯片可集成数十亿个晶体管FET的应用非常广泛，从数字逻辑电路、模拟放大器到功率控制电路都有其身影理解FET的工作原理和特性参数，对于分析和设计现代电子系统至关重要基本放大电路共射极放大电路共集电极放大电路共基极放大电路•输入信号加在基极-发射极•即射极跟随器电路•输入信号加在发射极-基极•输出从集电极-发射极获取•无电压放大，仅有电流放大•输出从集电极-基极获取•有电压放大和电流放大•输入、输出同相位•有电压放大，无电流放大•输入、输出同相位•高输入阻抗，低输出阻抗•输入、输出反相位•中等输入阻抗，中等输出阻抗•适合阻抗变换•低输入阻抗，高输出阻抗基本放大电路是电子技术中最为重要的基础电路之一通过不同的接法，可以实现不同的电学特性，满足各种应用需求共射极电路因其较好的综合性能，是最常用的基本放大电路放大电路的关键参数包括电压增益、电流增益、输入阻抗、输出阻抗和频率响应等通过偏置电路设计，确保晶体管工作在线性区域，实现信号的无失真放大在实际应用中，往往需要综合考虑这些参数，选择最合适的电路结构功率放大电路80%40%B类放大器效率A类放大器效率理论最大效率可达

78.5%，实际常能达到70-理论最大效率为50%，实际通常低于40%，但线80%，远高于A类放大器性度最好60%AB类放大器效率效率介于A类和B类之间，兼顾效率和失真控制功率放大电路是将低功率信号放大到足够驱动负载（如扬声器、电机等）的电路与小信号放大电路不同，功率放大器需要处理较大的电流和功率，因此效率和热管理成为关键问题A类放大器的晶体管全程导通，失真小但效率低；B类放大器采用推挽结构，每个晶体管只工作半个周期，效率高但存在交越失真；AB类则是A类和B类的折中方案，通过适当的偏置使两个晶体管在信号交叉区域都有微小导通，减少交越失真现代功率放大器设计需要综合考虑失真度、效率、散热和成本等多种因素，选择合适的放大器类型和电路结构差分放大电路差分放大电路是模拟集成电路中最基础的电路结构之一，是大多数运算放大器的输入级它由两个完全对称的晶体管放大支路组成，具有抑制共模干扰的能力差分放大器的关键参数包括差模增益、共模增益和共模抑制比CMRRCMRR越高，电路抑制共模干扰的能力越强，是衡量差分放大器性能的重要指标在实际应用中，差分放大电路广泛应用于各种仪器放大器、生物电信号检测、通信接收机等需要抑制干扰的场合通过精心设计的电流源和负载电路，可以进一步提高差分放大器的性能运算放大器基础理想运放特性•无穷大开环增益•无穷大输入阻抗2基本运放结构•零输出阻抗•无穷大带宽•差分输入级•零失调电压•增益级•输出级负反馈原理•偏置电路•提高线性度•稳定增益频率特性•扩展带宽•改变输入输出阻抗•单位增益带宽积•增益带宽的权衡•相位裕度•稳定性分析运算放大器是一种具有极高电压增益的直流耦合差分放大器，是模拟电路设计中最基本也是最重要的构建模块理想运放的概念简化了电路分析，而实际运放的性能则由多种参数共同决定负反馈是运放应用的核心原理，通过负反馈可以控制增益、改善频率响应、降低失真等理解负反馈的基本类型和作用机制，对于设计稳定可靠的运放电路至关重要运算放大器应用加法器与减法器积分器与微分器信号调理电路仪器放大器利用运放的虚短和虚断特性，通过反馈电路中加入电容，包括滤波器、幅度调整、偏由三个运放构成的精密差分设计加减法运算电路，实现可以实现对输入信号的积分置控制等，将传感器输出的放大器，具有极高的共模抑精确的数学运算功能或微分操作，广泛应用于波微弱信号转换为标准信号格制比和输入阻抗，适合放大形发生和信号处理式微弱差分信号运算放大器因其卓越的性能和灵活的配置方式，成为模拟电路设计中最为常用的器件之一通过不同的外部连接和反馈网络，运放可以实现各种复杂的信号处理功能在实际应用中，需要考虑运放的非理想特性，如带宽限制、失调电压、输入偏置电流等这些因素会影响电路的精度和稳定性通过适当的电路设计和器件选择，可以最大限度地减小这些非理想因素的影响反馈理论振荡器电路振荡条件相位条件和幅度条件LC振荡器利用谐振实现高频振荡RC振荡器利用RC移相网络产生振荡晶体振荡器利用石英晶体高Q值特性振荡器是能够将直流电能转换为交流信号的电路，是信号源和时钟发生器的核心振荡器的工作原理基于正反馈，当系统在某一频率满足相位条件和幅度条件时，即可产生持续的振荡LC振荡器利用电感和电容的谐振特性，适合产生高频信号，常见类型包括哈特莱振荡器、考毕兹振荡器等RC振荡器结构简单，成本低，适合中低频应用，典型的有RC移相振荡器、维恩电桥振荡器等晶体振荡器利用石英晶体的压电效应，具有极高的频率稳定性和Q值，广泛应用于精密时钟源、频率基准等场合现代电子设备中，振荡器电路已广泛集成在芯片内部，但其基本原理依然遵循反馈振荡理论滤波器设计低通滤波器高通滤波器带通滤波器允许低频信号通过，阻止高频信号，截止频率以允许高频信号通过，阻止低频信号，用于消除直只允许特定频带内的信号通过，同时阻止该频带下的信号几乎无衰减，而截止频率以上的信号则流分量和低频干扰在音频系统中用于分频，在外的所有信号是无线通信接收机的关键组件，被显著衰减广泛应用于音频处理、抗混叠滤波通信系统中用于抑制低频噪声用于选择特定频道的信号等场合滤波器是根据频率选择性地通过或阻止信号的电路，是信号处理系统的重要组成部分根据实现方式，滤波器可分为无源滤波器和有源滤波器无源滤波器仅由电阻、电容和电感组成，不需要外部能源；有源滤波器则包含运算放大器等有源器件，可以提供增益滤波器设计需要考虑通带平坦度、阻带衰减、相位响应和群延时等参数常见的滤波器类型包括巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔等，它们在通带平坦度、阻带衰减和相位响应方面有不同的特点，应根据具体应用需求选择合适的类型数模转换技术模拟信号A/D转换连续的时间和幅度采样、量化、编码过程D/A转换数字信号将数字代码还原为模拟量离散的时间和幅度数模转换技术是连接模拟世界和数字世界的桥梁根据采样定理，采样频率必须至少是信号最高频率的两倍，才能无失真地重建原始信号在实际应用中，通常采用更高的采样率，以确保信号质量常见的A/D转换方法包括逐次逼近式、双积分式、Sigma-Delta等，各有其适用场景逐次逼近式ADC具有较高的转换速度，适合中等精度要求；双积分式ADC精度高但速度慢，适合测量应用；Sigma-Delta ADC可实现很高的分辨率，适合音频和高精度测量D/A转换主要包括加权电阻网络和R-2R梯形网络两种结构现代数模转换器大多集成在单芯片上，转换精度和速度不断提高，广泛应用于声音处理、图像采集、仪器仪表等领域直流稳压电源变压与整流220V交流转低压交流，再通过整流桥转为脉动直流滤波电路电容滤波减小纹波，平滑直流输出稳压电路使用稳压管或集成稳压器提供恒定输出保护电路过流、过压保护确保安全直流稳压电源是将交流电转换为稳定直流电的装置，是几乎所有电子设备的必要组成部分传统的线性稳压电源采用变压器降压、整流、滤波和稳压四个环节，工作原理简单但效率较低现代开关电源技术通过高频开关方式提高了效率，减小了体积和重量其基本原理是先将交流电整流为直流，然后通过高频振荡器将直流转换为高频交流，再经过变压、整流和滤波，最终得到稳定的直流输出良好的电源设计不仅要考虑稳定性和效率，还需要注意EMI抑制、过载保护和温度管理等问题随着芯片集成度的提高，现代电源管理芯片通常集成了多种保护功能和控制特性数字电路基础数制与码制基本逻辑门二进制是数字电路的基础，采用0和1两与门AND、或门OR、非门个状态表示信息此外还有十进制、八NOT、与非门NAND、或非门进制、十六进制以及各种编码方式，如NOR、异或门XOR和同或门ASCII码、BCD码、格雷码等，用于不XNOR是基本逻辑门，用于实现基本同应用场景逻辑运算其中与非门和或非门是功能完备的，可以用来构建任何逻辑函数组合逻辑电路输出仅依赖于当前输入状态的电路称为组合逻辑电路常见的组合逻辑电路包括编码器、译码器、多路复用器、加法器等这些电路是构建复杂数字系统的基础模块数字电路是现代电子技术的核心，与模拟电路相比，数字电路具有抗干扰能力强、可靠性高、易于存储和处理等优点逻辑代数为数字电路设计提供了理论基础，通过布尔代数运算可以简化逻辑表达式，优化电路结构在实际电路中，逻辑门电路通常采用CMOS或TTL工艺实现CMOS具有功耗低、噪声容限高的优点，而TTL则具有速度快、驱动能力强的特点了解不同逻辑门家族的电气特性和接口规范，对于设计可靠的数字系统至关重要时序逻辑电路触发器种类时序电路应用•RS触发器-最基本的触发器，具有置位和复位功能•寄存器-由多个触发器组成，用于存储多位数据•D触发器-最常用的触发器，能够存储一位数据•计数器-能够按预定序列计数的电路•JK触发器-功能全面，消除了RS触发器的禁止状态•时序发生器-产生特定序列的时序信号•T触发器-具有翻转功能，用于分频和计数•状态机-根据输入和当前状态确定下一状态的系统触发器是最基本的存储单元，能够存储一位二进制信息，是构建各类寄存器和计数器的基础与组合逻辑电路不同，时序逻辑电路的输出不仅取决于当前输入，还与电路的历史状态（存储的信息）有关时钟信号是时序电路的关键控制信号，它决定了状态更新的时刻时序电路设计需要考虑时钟偏斜、建立时间、保持时间等时序参数，以确保电路在各种条件下都能可靠工作随着时钟频率的提高，时序设计变得越来越具有挑战性，需要采用各种技术来解决时序问题可编程逻辑器件FPGA结构现场可编程门阵列由可编程逻辑单元、可编程互连资源和可编程I/O单元组成，具有高度的灵活性，可以通过硬件描述语言进行配置，实现各种复杂的数字功能CPLD特点复杂可编程逻辑器件结构相对简单，包含多个宏单元和全局互连矩阵相比FPGA，CPLD具有启动时间短、功耗低的优势，适合实现中等复杂度的逻辑功能HDL设计流程使用Verilog或VHDL等硬件描述语言进行设计，经过综合、布局布线和时序分析等步骤，最终生成配置文件下载到可编程器件中这一流程使硬件设计更加灵活高效可编程逻辑器件是一种能够由用户配置功能的集成电路，它们弥补了专用集成电路ASIC与微处理器之间的技术空白PLD、CPLD和FPGA是三种主要类型，它们在容量、速度、功耗和成本方面各有优劣随着工艺技术的进步，现代FPGA已经集成了大量的硬核资源，如DSP模块、存储器、高速收发器、甚至ARM处理器核心，使其成为构建复杂系统的理想平台在原型验证、小批量生产和需要现场更新的应用中，可编程逻辑器件具有无可比拟的优势数字信号处理基础电磁兼容技术EMC基本概念干扰源与耦合路径抑制技术电磁兼容EMC是指设备在其电磁环境中常见的干扰源包括电源线干扰、开关瞬常用的EMC抑制技术包括屏蔽、滤波、接能正常工作且不对环境中的任何事物产生变、静电放电、射频辐射等干扰通过传地、隔离等良好的PCB设计、合理的布不能承受的电磁干扰的能力包括电磁干导、辐射、电容耦合和电感耦合等途径传局布线、适当的器件选择和正确的屏蔽接扰EMI和电磁敏感性EMS两个方面播，影响敏感设备的正常工作地技术，可以有效降低电磁干扰电磁兼容已成为电子产品设计的重要环节，特别是随着电子设备工作频率的提高和集成度的增加，EMC问题日益突出各国都制定了严格的EMC标准和测试规范，产品必须通过EMC认证才能进入市场在设计阶段考虑EMC问题比在产品完成后再解决要经济得多常见的EMC设计原则包括控制信号上升/下降时间、避免共阻抗耦合、减小环路面积、使用适当的去耦电容、采用多层PCB设计等EMC测试包括传导发射、辐射发射、传导敏感性和辐射敏感性等多个方面传感器技术传感器类型测量范围精度响应时间典型应用热电偶-±

0.5~1℃秒级工业温度测量200℃~1800℃RTD铂电阻-200℃~850℃±

0.1℃秒级精密温度测量压阻式压力传感0~100MPa

0.1%FS毫秒级工业压力监测器电容式湿度传感0~100%RH±2%RH秒级环境监测器MEMS加速度计±2g~±16g

0.1%FS微秒级运动检测传感器是将物理、化学或生物量转换为电信号的器件，是信息获取的重要手段根据测量对象，传感器可分为温度、压力、位移、速度、加速度、流量、湿度、气体浓度等多种类型现代传感器技术正向微型化、集成化、智能化和网络化方向发展MEMS微机电系统技术的应用使传感器尺寸大大减小，同时提高了性能和可靠性智能传感器集成了信号调理、A/D转换、微处理器等功能，可直接输出标准数字信号传感器信号调理电路通常包括放大、滤波、线性化、温度补偿等环节，旨在提高信号质量和测量精度传感器接口设计需要考虑抗干扰能力、信号完整性和供电方式等多种因素嵌入式系统设计应用层实现用户功能的应用程序操作系统层资源管理与任务调度驱动程序层硬件抽象与控制接口硬件层4处理器、存储器、外设嵌入式系统是一种专用的计算机系统，它作为装置或设备的一部分，执行预定的功能嵌入式系统的核心是微控制器或微处理器，周边配置各种接口电路、存储器和外设，共同完成特定任务嵌入式系统设计涉及硬件和软件两个方面硬件设计包括处理器选型、电路设计、PCB布局等；软件设计则包括底层驱动、操作系统移植和应用程序开发两者需密切配合，实现最佳性能和功耗平衡常用的嵌入式处理器包括ARM Cortex系列、RISC-V架构、DSP和MCU等嵌入式操作系统有Linux、FreeRTOS、RT-Thread等设计中需要特别注意实时性、可靠性、功耗控制和成本优化等方面，满足特定应用场景的需求通信电子技术通信电子技术是研究信息传输和处理的技术领域，核心是实现信号的有效传输通信系统通常由信源、发射机、信道、接收机和信宿组成信号在传输过程中需要经过调制、功率放大、解调等多个环节调制技术是将基带信号转换为适合在特定信道中传输的过程常见的调制方式包括幅度调制AM、频率调制FM、相位调制PM和正交调幅QAM等现代数字通信系统大多采用复杂的调制解调技术，如OFDM、CDMA等，以提高频谱效率和抗干扰能力5G技术作为最新一代移动通信技术，采用了毫米波频段、大规模MIMO、网络切片等创新技术，实现了超高速率、超低时延和大连接的特性这些技术对射频电路设计、天线系统和信号处理提出了更高要求，是通信电子技术的重要研究方向功率电子技术功率器件变换电路功率MOSFET、IGBT、晶闸管AC-DC、DC-DC、DC-AC变换器•高电压耐受能力•整流器与逆变器12•大电流传导能力•降压和升压变换•快速开关速度•功率因数校正应用领域控制技术电机驱动、电源、新能源PWM控制、数字控制算法•变频器技术•稳压与电流限制•电动汽车充电•软开关技术•光伏逆变器•效率优化功率电子技术是研究功率变换和控制的技术，它将电力电子器件作为开关元件，通过控制开关状态实现电能变换与信号处理的电子技术不同，功率电子技术处理的是大功率电能，效率、可靠性和热管理是关键问题功率半导体器件是功率电子系统的核心，包括功率二极管、晶闸管、功率MOSFET和IGBT等随着宽禁带半导体材料如SiC和GaN的应用，功率器件的性能不断提高，开关频率、效率和功率密度都有显著提升电子技术实验安全规范实验室安全守则仪器设备使用注意事项•严禁在实验室内吸烟、饮食•使用前阅读操作手册•保持实验台面整洁有序•接通电源前检查连接是否正确•不准在实验室打闹奔跑•高压设备需特别小心操作•离开实验室前关闭电源和设备•不得擅自拆卸实验设备•贵重仪器须经管理员同意后使用•使用完毕恢复原始设置电气安全防护措施•不得用湿手操作电气设备•调试电路时一手应背在身后•高压电路必须有隔离措施•接地线连接必须牢固可靠•使用绝缘工具进行带电操作实验室安全是电子技术教学中的重要内容，良好的安全意识和规范操作能有效预防事故发生电子实验涉及电气安全、激光安全、化学安全等多个方面，每位学生都必须严格遵守安全规定在进行电子实验时，应注意防止电击、短路、火灾等危险操作高压设备时，必须确保绝缘良好，并使用绝缘垫和工具焊接操作需在通风处进行，避免吸入有害气体实验中如发现异常情况，应立即切断电源并报告管理员紧急情况处理流程包括立即切断电源、拨打紧急电话、采取初步救援措施等所有实验室人员都应熟悉灭火器、急救箱的位置和使用方法，以及紧急疏散路线安全第一，预防为主，是电子技术实验的基本原则电子测量技术测量误差分析常用测量仪器测量误差分为系统误差和随机误差系统误差可通过校准消除，随机误差则需要统计方法处•数字万用表-测量电压、电流、电阻等基本参数理测量不确定度是表征测量结果分散性的参数，通常用标准差表示•示波器-观察信号波形和测量时间相关参数测量结果的准确性受多种因素影响，包括仪器精度、环境条件、测量方法和操作人员技能等•频谱分析仪-分析信号的频率特性了解误差来源并采取适当措施，是提高测量准确度的关键•信号发生器-产生各种测试信号•逻辑分析仪-分析数字信号的时序关系•网络分析仪-测量网络参数电子测量是电子工程的基础，准确的测量对于电路分析、故障诊断和性能评估至关重要示波器是最常用的电子测量仪器之一，它不仅能显示信号波形，还能测量频率、幅度、相位等多种参数使用示波器时，需注意合理设置时基、垂直灵敏度和触发条件，才能获得稳定清晰的波形现代电子测量技术正向自动化、数字化和网络化方向发展虚拟仪器技术将计算机与测量硬件结合，通过软件实现各种测量功能，提高了测量系统的灵活性和效率分布式测量系统则利用网络技术，实现远程测量和数据共享，为复杂系统测试提供了新的解决方案印刷电路板设计设计准备明确设计要求，创建元器件库，确定PCB尺寸和层数，规划布局区域和器件位置根据电路功能区分模拟区、数字区和电源区，考虑信号完整性和热设计需求原理图设计绘制清晰规范的原理图，合理划分功能模块，标注元器件型号和参数，设置网络标签和电源符号完成原理图后进行电气规则检查ERC，确保连接无误PCB布局布线按功能区域合理放置元器件，关键器件优先布局遵循先电源和地，后关键信号，再普通信号的布线顺序高速信号需控制阻抗、避免串扰，电源和地需采用多层设计PCB制造与测试生成Gerber文件，按厂商要求设置制造参数生产样板后进行目视检查、电气测试和功能验证，发现问题及时修正设计最终完成设计文档归档印刷电路板PCB是电子设备的关键组成部分，它承载电子元器件并提供电气连接良好的PCB设计不仅能保证电路功能正常实现，还能提高产品可靠性、降低成本和缩短开发周期现代PCB设计需要考虑多种因素，包括电气性能、热设计、EMC、制造工艺和成本控制等高速PCB设计尤其具有挑战性，需要处理阻抗控制、信号完整性、功率完整性和EMI等复杂问题电子产品可靠性设计可靠性指标平均无故障时间MTBF、故障率、使用寿命等量化指标，用于评估产品的可靠性水平和预测维护需求失效模式分析通过FMEA失效模式与影响分析等方法识别潜在失效模式，评估其影响和发生概率，制定预防措施环境适应性考虑温度、湿度、振动、冲击等环境因素对产品的影响，采取相应的防护措施确保产品在复杂环境中稳定工作电子产品可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力随着电子设备应用场景的拓展和使用环境的恶劣化，可靠性设计变得日益重要高可靠性设计需要从元器件选型、电路设计、PCB布局、热管理、机械结构等多个层面考虑元器件降额使用Derating是提高可靠性的重要手段，即在额定值的60%-80%范围内使用元器件，避免极限工作状态可靠性测试包括加速老化测试、温度循环测试、湿热测试、振动测试等，用于验证产品在各种条件下的性能和寿命通过这些测试可以发现设计缺陷，指导改进设计，最终提高产品的可靠性水平信号与噪声微电子技术光刻工艺工艺流程封装技术光刻是集成电路制造的核心工艺，通过曝光将掩集成电路制造包括氧化、光刻、刻蚀、离子注封装是集成电路制造的最后环节，不仅提供物理模上的图形转移到硅片上随着特征尺寸的不断入、薄膜沉积、化学机械抛光等工序一个现代保护，还实现芯片与外部电路的电气连接和散热缩小，光刻技术已从紫外光源发展到极紫外芯片可能需要几十层掩模和数百道工序，工艺控功能从传统的DIP、SOP到现代的BGA、EUV光刻，实现了更高的分辨率制极为复杂和精密CSP、3D封装等，封装技术不断革新微电子技术是研究、设计和制造微电子器件和集成电路的技术集成电路按照集成度可分为小规模集成电路SSI、中规模集成电路MSI、大规模集成电路LSI和超大规模集成电路VLSI现代处理器已达到数十亿晶体管的规模微电子技术的发展一直遵循摩尔定律，即集成电路上的晶体管数量大约每两年翻一番随着特征尺寸接近物理极限，传统的缩放面临挑战，新材料、新结构和三维集成等技术成为未来发展方向光电子技术光电发射器件光电探测器件发光二极管LED、激光二极管LD和有光电二极管、光电晶体管、电荷耦合器件机发光二极管OLED等器件能将电能转CCD和互补金属氧化物半导体CMOS换为光能这些器件在显示、照明、光通图像传感器等能将光信号转换为电信号信和传感等领域有广泛应用光的波长取它们在图像捕获、光通信接收和光传感器决于半导体材料的能带结构中发挥关键作用光纤通信技术光纤通信利用光波作为载波传输信息，具有传输容量大、抗电磁干扰、保密性好等优点核心技术包括光源、光纤、光调制器、光探测器和光放大器等波分复用技术极大提高了传输容量光电子技术是电子学与光学的交叉领域，研究光与电子之间的相互作用及应用光电子器件是实现光电转换的关键元件，包括发光器件、探测器件和调制器件等多种类型光电集成电路PIC将多种光电功能集成在单个芯片上，类似于电子集成电路的理念光电集成技术面临的挑战包括异质材料集成、精密光路设计和封装测试等随着5G、数据中心和人工智能等应用的发展，光电子技术的重要性日益凸显硅光子学、量子点激光器、光电神经形态计算等前沿技术正在快速发展，有望实现更高性能、更低功耗的光电系统高频电路设计高频电路特点关键设计技术•分布参数效应明显阻抗匹配是高频电路设计的核心问题，不匹配会导致信号反射、功率损失和性能下降常用的匹配技术•传输线理论适用包括L型网络、π型网络、T型网络和史密斯圆图法等•阻抗匹配至关重要高频PCB设计要点包括控制阻抗设计、减小环路面积、适当布线拓扑、充分接地和合理分层微带线、•电磁辐射与干扰增强带状线和共面波导是常用的高频传输线结构•皮肤效应和介质损耗显著高频电路中，元器件的寄生参数、走线的分布参数和电磁辐射等因素不可忽视，必须采用特殊的分析方法和设计技术S参数散射参数是描述高频网络特性的重要工具，它基于入射波和反射波的关系，适合在高频下进行测量网络分析仪是测量S参数的专用仪器，可以评估高频器件和电路的性能高频电路设计需要综合考虑电气性能、EMC、热管理和制造工艺等多种因素随着工作频率的提高，对设计工具、材料和工艺的要求也越来越高在高频电路设计中，电磁场仿真已成为必不可少的辅助工具低功耗电路设计70%25%5%芯片动态功耗比例静态功耗比例短路功耗比例主要来源于电路状态切换和电容充放电漏电流导致的待机功耗状态切换过程中的瞬态电流低功耗设计已成为现代电子系统的关键需求，特别是在移动设备、物联网节点和可穿戴设备等电池供电系统中功耗分析是低功耗设计的第一步，需要确定系统中的主要功耗来源，以有针对性地采取优化措施静态功耗优化技术包括多阈值晶体管设计、功耗门控制、漏电管理和衬底偏置等动态功耗控制方法则包括时钟门控、动态电压频率调整DVFS、动态电源开关和优化算法降低切换活动等系统级低功耗设计需要协同考虑硬件和软件在硬件方面，可以采用多电源域设计、电源隔离和高效电源管理电路；在软件方面，可以实现任务调度优化、休眠模式管理和处理器负载平衡等策略低功耗设计是一个全局优化问题，需要在性能、面积和功耗之间找到最佳平衡点模拟电路仿真技术SPICE仿真程序与集成电路强调是最广泛使用的模拟电路仿真工具，它能够对电子电路进行精确的数值分析仿真前需要建立准确的电路模型，包括器件模型、布线参数和测试激励等SPICE仿真基于节点分析法和修正的节点分析法，通过求解大型非线性方程组得到电路的响应常见的仿真分析类型包括直流分析DC、交流小信号分析AC、瞬态分析Transient、频率响应分析、噪声分析、蒙特卡洛分析和最坏情况分析等每种分析类型针对电路的不同特性和性能指标，能够提供全面的电路行为预测仿真结果的准确性依赖于模型的精度和仿真设置的合理性为提高仿真效率和精度，可以采用分层仿真、行为模型和宏模型等技术现代仿真工具通常还提供优化功能，能够自动调整电路参数以满足设计指标数字电路仿真与验证RTL设计与编码使用HDL语言描述电路功能功能仿真验证2确保电路逻辑功能正确时序分析与验证检查时序约束是否满足形式化验证数学方法证明设计正确性硬件描述语言HDL如Verilog和VHDL是数字电路设计的标准语言，它们支持多种抽象级别的电路描述，从行为级到门级RTL寄存器传输级是最常用的抽象级别，它描述数据如何在寄存器之间传输以及如何被组合逻辑处理数字电路仿真环境包括设计代码、测试平台、仿真器和波形分析工具等组件测试平台负责生成激励信号、捕获响应并进行自动验证覆盖率分析用于评估测试的完整性，包括代码覆盖率、功能覆盖率和切换覆盖率等指标时序验证是确保数字电路在目标频率下正常工作的关键步骤静态时序分析STA工具可以计算所有路径的延迟，并检查是否满足建立时间和保持时间要求形式验证通过数学方法证明设计的等价性或属性满足性，提供比仿真更强的保证混合信号电路设计模数接口设计•电平转换与缓冲•时钟域同步•噪声隔离与抑制•信号完整性保障混合信号仿真•离散事件与连续时间联合仿真•模拟模型与数字模型协同•收敛性与精度控制•全局与局部仿真策略PCB设计考虑•模拟区与数字区分离•地平面分割与连接•电源完整性设计•关键信号走线控制信号完整性分析•串扰评估与控制•反射分析与阻抗匹配•时序与抖动分析•电源噪声影响评估混合信号电路集成了模拟和数字功能，是现代电子系统的重要组成部分这类电路面临的主要挑战是如何在同一芯片或电路板上实现模拟和数字电路的有效隔离和无缝集成，避免相互干扰在混合信号系统中，模拟电路对噪声敏感，而数字电路则是噪声源数字开关噪声通过电源、地和基板耦合到模拟电路，导致性能下降有效的隔离策略包括物理分离、独立电源/地、屏蔽和缓冲等技术电子系统设计方法架构设计需求分析确定系统结构和模块划分1明确系统功能和性能指标原型实现开发硬件和软件原型3优化迭代根据测试结果改进设计测试验证全面评估系统性能电子系统设计是一个系统工程，需要综合考虑功能需求、性能指标、可靠性、成本和开发周期等多种因素系统需求分析是设计的起点，需要明确系统的功能规格、性能指标、使用环境和接口要求等，形成详细的需求文档硬件架构设计决定了系统的基本结构，包括处理器选择、存储系统设计、接口电路设计和电源管理方案等模块化设计是复杂系统开发的有效策略，通过明确定义模块功能和接口，可以实现并行开发和复用设计测试与验证贯穿系统开发的全过程，包括单元测试、集成测试、系统测试和环境测试等多个层次建立完善的测试计划和测试用例，可以提高测试效率和质量随着系统复杂度的提高，采用电子设计自动化EDA工具和系统级设计方法变得越来越重要电子产品设计案例一智能传感器节点系统架构设计关键技术实现智能传感器节点采用分层架构，包括感知层、处理层和通信层感知层由各类传感器组成，采集环境数据；处理层使用低功耗微控制器进行数•低功耗设计-采用多级休眠模式和动态功率管理，待机电流低至5μA据处理和决策；通信层负责与网关或云平台交换数据•无线通信-集成LoRa远距离低功耗通信模块，传输距离可达5公里为满足长期部署要求，系统采用模块化设计，便于维护和升级核心处理器选用ARM Cortex-M4内核的低功耗MCU，兼顾计算能力和功耗控•能量获取-太阳能电池与锂电池组合供电，实现能量自给自足制•环境适应-IP67防护等级设计，适应各种恶劣环境•边缘计算-本地实现数据预处理和异常检测，减少数据传输量电子产品设计案例二数字音频处理器DSP核心技术数字音频处理器以高性能DSP芯片为核心，采用哈佛架构和流水线设计，具备强大的实时信号处理能力支持FFT、FIR、IIR等算法，可实现多种音频效果处理转换器设计采用24位高精度A/D和D/A转换器，采样率支持

44.1kHz~192kHz，动态范围超过120dB模拟前端采用低噪声运算放大器和精密滤波器，确保信号纯净系统集成设备集成多种数字接口USB、S/PDIF、I2S和模拟接口XLR、RCA，支持多种音频格式电源部分采用多级滤波和隔离设计，有效抑制噪声干扰数字音频处理器是一种专用于音频信号处理的电子设备，广泛应用于专业音频工作室、家庭影院和现场演出等场景本案例设计的处理器具有均衡器、混响、压缩器、降噪等多种功能，可以实时处理多通道音频信号在设计中，特别注重信号完整性和抗干扰能力采用四层PCB设计，模拟电路与数字电路严格分离，电源和地平面设计合理，有效降低串扰和噪声干扰时钟系统使用低抖动晶振和锁相环技术，确保采样精度和系统同步设备采用嵌入式实时操作系统，配备直观的用户界面，支持参数预设存储和调用通过USB接口可连接电脑进行固件更新和高级参数设置整个系统通过严格的电磁兼容性测试和音频性能测试，确保在各种环境下稳定可靠工作前沿技术人工智能芯片AI加速器架构计算单元设计•张量处理单元TPU-针对矩阵运算优化•乘加运算单元MAC-AI计算基本单元•神经网络处理器NPU-专为神经网络推理设计•稀疏矩阵加速-利用权重稀疏性提高效率•图形处理器GPU-并行计算能力强•量化计算-降低精度以提高吞吐量•可编程门阵列FPGA-灵活可重构•脉冲神经网络-事件驱动的神经计算•类脑计算芯片-模拟人脑神经元工作•存内计算-减少数据移动开销应用领域•自动驾驶-实时目标检测与决策•智能手机-语音、图像识别•智能安防-视频分析与异常检测•医疗影像-辅助诊断•工业检测-质量控制与预测维护人工智能芯片是为加速AI算法而设计的专用集成电路，相比通用处理器具有更高的性能和能效这些芯片通常采用高度并行的计算架构，针对神经网络的特定运算模式进行了优化，特别是大量的矩阵乘法和卷积运算与传统计算架构不同，AI芯片往往采用异构计算模式，将不同类型的处理单元集成在一起，以应对不同类型的神经网络层和算法数据流架构、脉动阵列和近存计算是提高能效的重要设计理念，它们减少了数据移动，将计算带到数据附近边缘AI的发展推动了低功耗AI芯片的设计，这类芯片需要在严格的功耗限制下提供足够的计算能力量化技术、稀疏计算和模型压缩是实现这一目标的关键技术未来AI芯片将朝着更高性能、更低功耗和更强适应性方向发展，支持更复杂的AI模型和应用场景前沿技术物联网电子技术50B连接设备数量2025年全球物联网设备预测数量10年典型电池寿命低功耗物联网节点无需更换电池的时间1KB平均数据量单个物联网节点每天传输的典型数据量1mW平均功耗休眠状态下的超低功耗设计目标物联网电子技术是连接物理世界和数字世界的桥梁，它涵盖了从传感、处理到通信的全链路技术物联网感知层主要包括各类传感器节点，它们需要在能耗、成本和尺寸上满足严格要求，同时保持足够的测量精度和可靠性低功耗广域网LPWAN技术如LoRa、NB-IoT和Sigfox为物联网提供了远距离、低功耗的通信能力，使得传感器节点可以部署在广阔的区域内这些技术通过降低数据率、采用简单调制方式和特殊的网络协议，实现了超低功耗和远距离传输的平衡边缘计算将数据处理能力下沉到物联网终端附近，减少了数据传输量和响应延迟结合轻量级AI算法，边缘设备可以实现本地智能决策随着物联网规模扩大，安全与隐私保护成为关键挑战，需要从硬件安全、通信加密和数据匿名化等多方面综合考虑前沿技术量子电子学超导量子比特量子计算原理量子通信基于超导约瑟夫森结构的量子比特是目前最成熟的量子计量子计算利用量子力学原理如叠加态和纠缠态进行并行计量子密钥分发技术利用量子力学原理实现绝对安全的密钥算技术路线之一这种量子比特利用超导电路中的量子相算，对于特定问题如大数分解和量子模拟具有潜在的指数交换，任何窃听行为都会破坏量子状态并被检测到量子干效应，在极低温环境约10mK下工作，可以实现量子级加速量子逻辑门通过精确控制量子比特的演化实现计中继器正在研发中，有望实现远距离量子通信网络叠加和纠缠状态算操作量子电子学是研究和利用量子效应的电子学分支，它将量子力学原理应用于信息处理和通信领域与传统电子学处理的经典比特0或1不同，量子电子学操作的基本单元是量子比特，可以处于

0、1的叠加状态，大幅提高了信息处理能力超导量子电路是量子电子学的重要研究方向，它利用超导材料在低温下的量子相干性实现量子比特这类电路包括电感、电容和约瑟夫森结等元件，可以实现量子态的准备、操作和读取量子电子学的主要挑战是保持量子相干性，避免环境干扰导致的量子退相干量子电子学技术已经从实验室走向初期应用，谷歌、IBM等公司已经展示了具有几十个量子比特的原型系统未来随着量子纠错技术的发展和量子比特数量的增加，量子计算有望在密码学、材料科学和药物设计等领域带来突破性进展前沿技术柔性电子柔性电子技术是将电子器件制作在柔性基板上，使其具有弯曲、折叠甚至拉伸的能力，打破了传统刚性电子器件的限制柔性基板材料主要包括聚酰亚胺PI、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、柔性玻璃和超薄硅等，它们具有良好的机械柔性和化学稳定性柔性电子的制造工艺有别于传统半导体工艺，更多采用低温工艺和印刷电子技术印刷电子技术如丝网印刷、喷墨印刷和卷对卷印刷等，可以在大面积柔性基板上高效制造电子器件，极大降低了生产成本柔性显示是柔性电子最成熟的应用领域之一，OLED和电子墨水都是理想的柔性显示技术柔性传感器可以贴合各种曲面，用于健康监测、运动检测和人机交互柔性电池和柔性太阳能电池解决了柔性系统的供电问题穿戴电子产品如智能手表、健康监测贴片等正是柔性电子技术的重要应用场景实验项目概述实验类型实验名称学时主要内容基础实验二极管特性测试3测量各类二极管伏安特性基础实验晶体管放大电路3设计与测试共射放大器基础实验运算放大器应用3构建加法器、积分器等电路基础实验数字逻辑电路3组合与时序电路设计验证综合实验电源设计6设计并测试直流稳压电源综合实验信号处理电路6设计滤波与放大系统创新设计综合电子系统12自选主题的电子系统设计本课程的实验教学分为基础实验、综合实验和创新设计三个层次基础实验旨在巩固课堂理论知识，掌握基本测量技能和电路分析方法；综合实验则要求学生综合运用多种电子技术，完成特定功能模块的设计；创新设计则给予学生充分自主权，鼓励创新思维和实践能力的培养实验报告是实验教学的重要环节，要求包括实验目的、原理分析、设计过程、测试结果、误差分析和心得体会等内容报告应当规范、完整、数据真实，反映实验的全过程和关键思考对于创新设计项目，还需提交设计文档、源代码和演示视频等材料课程项目设计1项目选题与要求团队组建与分工从智能控制、信号处理、通信系统和传感网络等方向选择主题，或提出自主选每个项目小组3-4人，需明确分工与协作机制团队应包含负责硬件设计、软件题项目应综合运用本课程所学知识，具有一定的技术难度和创新性，能解决实开发和系统测试等不同角色，确保项目全面发展鼓励跨专业合作，融合不同知际问题识背景项目流程与里程碑评审与答辩项目分为方案设计、关键技术验证、系统实现和优化完善四个阶段，每个阶段有项目结束前进行正式答辩，包括PPT展示、现场演示和评委提问环节评分标准明确的交付成果和验收标准需制定详细的甘特图，规划时间节点和资源分配包括技术难度30%、完成质量40%、创新性20%和展示表达10%课程项目设计是本课程的重要实践环节，旨在培养学生综合运用电子技术解决实际问题的能力通过项目实践，学生将深入体验从需求分析、方案设计到系统实现和测试的完整工程过程，提升团队协作和项目管理能力我们鼓励学生选择具有实际应用价值的项目主题，如智能家居控制系统、健康监测设备、环境监测网络等优秀的项目成果有机会参加全国大学生电子设计竞赛或申请专利学院将提供必要的实验设备、元器件和技术指导，支持学生完成高质量的项目设计电子工程师职业发展技术管理层CTO、技术总监、研发主管技术专家首席工程师、技术专家、架构师高级工程师项目负责人、技术骨干初级工程师应届毕业生、助理工程师电子工程行业正经历深刻变革，人工智能、物联网、5G通信和新能源等领域的快速发展为电子工程师提供了广阔的职业舞台根据行业调研，集成电路设计、嵌入式系统开发、射频工程和人工智能硬件是当前最热门的就业方向成为优秀的电子工程师需要扎实的专业基础和持续的学习能力除了电子技术核心知识外，跨学科能力如计算机编程、机械设计和通信原理等也日益重要行业认证如电气工程师资格证书、IC设计工程师认证和项目管理专业认证，可以助力职业发展北京大学电子专业校友遍布各大科技企业和研究机构，多位校友已成为行业领军人物校友经验分享表明，持续学习新技术、积累项目经验、培养团队协作能力和拓展国际视野，是职业发展的关键要素学习资源与总结推荐书籍在线学习资源•《模拟电子技术基础》童诗白•中国大学MOOC平台电子技术课程•《数字电子技术基础》阎石•北京大学电子工程学院资源库•《电子系统设计》吴际•电子设计自动化工具教程•《现代通信电子学》樊昌信•IEEE电子学会技术论坛•《微电子学》杨银堂•GitHub上开源电子项目代码库•《集成电路设计》周润德实用工具•EDA工具Altium Designer,KiCad•仿真工具LTspice,Multisim•编程平台Arduino,Raspberry Pi•开发环境Keil,IAR Workbench•HDL工具Vivado,Quartus Prime本课程全面介绍了电子技术的基础理论和应用实践，从晶体管原理到集成电路设计，从模拟电路到数字系统，构建了完整的电子技术知识体系通过理论学习和实验实践相结合的方式，培养了分析问题和解决问题的能力电子技术是一个不断发展的领域，未来学习建议关注以下几个方向一是深入学习专业方向如集成电路设计、嵌入式系统或射频电路；二是拓展交叉领域知识如人工智能硬件、量子计算或生物电子学；三是参与实际项目和科研活动，将理论与实践相结合最后，我们鼓励同学们保持好奇心和创新精神，持续学习新知识、新技术，成为推动电子技术发展的新生力量北京大学电子工程与计算机科学学院将一如既往地支持大家的学习和成长，期待各位在电子技术领域取得更大的成就！。