测控电路的起源和发展
门捷列夫说过,没有测量就没有科学。
自从电子电工学诞生那天起,它就成为测量与控制方面应用的主要领域。
当今信息时代,计算机的广泛应用使得测控技术更上一层楼。
回顾测控电路的发展和预测其未来是一件让所有从事测控工作和学习测控技术的人们都异常兴奋的事情。
1.测控电路的起源
1.1晶体管的诞生
1947年,美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管,从而开创了人类的硅文明时代。
晶体管诞生之后,便被广泛地应用于工农业生产、国防建设以及人们日常生活中。
1953年,首批电池式的晶体管收音机一投放市场,就受到人们的热烈欢迎,人们争相购买这种收音机。
由于硅晶体管适合高温工作,可以抵抗大气影响,在电子工业领域是最受欢迎的产品之一。
人们用硅晶体管制造红外探测器。
晶体管这种小型简便的半导体元件还为缝纫机、电钻和荧光灯开拓了电子控制的途径。
从1950年至1960年的十年间,世界主要工业国家投入了巨额资金,用于研究、开发与生产晶体管和半导体器件。
真正引起半导体工业的变革的是在20世纪60年代中期发明的互补MOS(CMOS)器件。
CMOS技术以其无可比拟的优势迅速占领了数字市场,紧接着CMOS技术又应用于模拟电路的设计中。
较低的制造成本和在同一芯片上同时包含模拟和数字电路,以改善整体性能和降低封装成本使得CMOS技术极具吸引力。
在短短十余年的时间里,新兴的晶体管工业以不可战胜的雄心和年轻人那样无所顾忌的气势,迅速取代了电子管工业通过多年奋斗才取得的地位,一跃成为电子技术领域的排头兵。
1.2运算放大器
在模拟测控电路技术中,运放的应用举足轻重,是IC设计中应用最广泛的元件。
1960年代晚期,仙童半导体(Fairchild Semiconductor)推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器,型号为μA709,设计者则是鲍伯·韦勒(Bob Widlar)。
但是709很快地被随后而来的新产品μA741取代,741有着更好的性能,更为稳定,也更容易使用。
741运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无二的象征,历经了数十年的演进仍然没有被取代,很多集成电路的制造商至今仍然在生产741。
直到今天μA741我们上测控电路课仍然学习μA741。
集成运放的发展大概可分为四个阶段。
第一阶段基本上是按分立元件电路的设计思想制造的,但在改善输入电阻、开环增益、失调电压及温漂等项指标方面都有所提高);第二阶段的产品特点主要是普遍采用了有源负载,而且与第一阶段产品相比,其产品的开环增益有所提高,又由于电路比较简单、性能指标比较符合要求,这一类产品得到了广泛的应用(如F007、BG305);第三阶段的产品主要特点是采用了超口管作为输入级,并在版图设计中考虑热效应的影响,所以其失调电压、失调电流、开环增益、共模抑制比和温漂等方面都有所改善(如AD508);第四阶段
产品的主要特点是电路中包含了斩波自动稳零放大电路,并开始在大规模线性集成电路中投产。
前三阶段运放通称为参数补偿式运放,而第四阶段则称为斩波稳零式运放。
它们的工作原理不一样,但具体使用却没有多大的区别。
1.3电路板印刷
制电路板是随着电子工业的发展而发展.随着装配技术的进步而进步,反过来印制电路板技术的发展和进步,又支撑了测控电路的发展。
印制电路板的发明者是奥地利人保罗·爱斯勒(PaulEisler),他于1936年在一个收音机装置内采用了印刷电路板。
1943年,美国人将该技术大量使用于军用收音机内。
1948年,美国正式认可这个发明用于商业用途。
自20世纪50年代中期起,印刷电路版技术才开始被广泛采用。
在印制电路板出现之前,电子元器件之间的互连都是依靠电线直接连接实现的。
而现在,电路面板只是作为有效的实验工具而存在;印刷电路板在电子工业中已经占据了绝对统治的地位。
2.测控电路的发展方向
1.1让人兴奋的摩尔定律
摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。
其内容为:集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍,当价格不变时;或者说,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18个月翻两倍以上。
这一定律揭示了信息技术进步的速度。
在测控电路方面,摩尔定律同样起着惊人的作用。
这主要表现在测控电路的复杂化,集成化和多功能智能化上。
1.2更高,更快,更强
从上世纪60年代中期以来,集成电路技术得到了极大发展。
随着测量控制理论的完善和工艺的提高,测控电路种类更加繁多,性能更加强大,精度更高,应用更智能。
其主要的发展趋势有:
优质化:各种指标的提升与成本的降低。
微型化和集成化:测控电路更微小,功耗更低。
数字化:与计算机连接,共同完成测量与控制任务。
智能化:自学习,自适应的新型测控电路。
有自我学习,自我调整,在无人工干预下完成测量控制任务的测控器。