第一单元电子器件

模拟时代
    20世纪50年代之前，工程师主要运用模拟设计技术。具体来说，工程师设计的设备、系统主要依靠具体材料及其物理作用来实现基本操作，而不是依靠“数字”之类的抽象事物。
    例如，20世纪初出现的“模拟音频唱片”利用乙烯唱片凹槽的“凸起”、“凹陷”来存储音频信息。留声机转盘支架末端的唱针从凹槽表面经过，产生了和原始音频声波几乎相同的振动。这种机械振动转换成相应的电信号，后经放大并由喇叭播放出来。利用“凸起”、“凹陷”重建音频信号的过程完全是物理过程。声音波形没有转换成数字进行存储或处理。换言之，它属于“模拟系统”。
    像留声机、唱片这样的模拟系统确实能用。不过，它们也具备着模拟设计的共同缺点：

模拟设计组件
    真空管是早期电子技术使用的重要模拟器件之一。在无线电、雷达以及早期计算机等系统中，真空管用于控制电流与电压。不过，真空管会发烫、定期烧毁，就像灯泡一样。年纪大的人或许还有印象——那时候，电视机经常由于真空管烧坏而出现故障。
数字时代来临
    在20世纪中叶，数学家和工程师发现世界上大部分物理量（声波、光照强度、力、电压、电流或电荷）都可以用数字表示。这个发现并不令人惊讶，因为科学家使用数学来描述物理世界已经持续了几百年。这个简单的、却令人瞩目的发现是引领“数字时代”的数学基础。
    对模拟量进行“数字化”会带来许多优点。例如：

为了说明这些优势，让我们回顾一下本节中的音频系统。今天，大多数音频在录音棚内被转换为数字信号并存储在CD或DVD上。CD播放机从光碟读取数据、把这些数据转换成原来的音频信号。如果对比过留声机和CD播放器的音质，你就应对此毫无疑义——数字技术大大优于早期模拟技术。
此外，你能够想象在慢跑或散步时把留声机捆在腰间或装在背包里吗? 表1列出了几种模拟设备和相应的数字设备。你更喜欢使用哪种设备呢？

模拟设备	数字设备
唱片	光盘
胶片相机	数字相机
机械手表	数字手表
标准清晰度电视	高清晰度电视
VHS录像机	数字录像机

前路漫漫
    遗憾的是，当工程师最初构想组建新式数字设备时，遇到了一个大问题。他们没有合适的器件可用。但是，工程师们没有被吓倒。在20世纪上半叶，工程师们进行了巧妙而合理的尝试——他们想利用现有的真空管作为数字系统的基本构成模块。遵循这条思路，工程师于1945年成功制造出第一台数字计算机ENIAC。ENIAC是用17，000多个真空管制造的，重达30吨，占用了一个30英尺宽、50英尺长的房间。想想吧，在一间屋子里17，000个灯泡要发出多大的热量！
    按照今天的标准，ENIAC相当原始。然而，在当时却是工程和技术的一大进步。在人类历史上，从来没有运算得这么快、这么准确。尽管ENIAC为社会开辟了新的数字领域，但其庞大的体积和昂贵的价格，只有政府和大公司才敢指望拥有、使用。
晶体管替代真空管
    数字时代真正需要的是可以代替真空管的数字器件。它必须运行迅速，耗能要比真空管少得多；此外，最重要的是体积小、价格低廉。
    所幸的是，在1947年，“美国电报电话公司”（AT&T）贝尔实验室的工程师们开发出了这种器件——“晶体管”。这项发明永远地改变了世界。1956年，比尔·肖克利、沃特·布拉顿和约翰·巴丁获得了诺贝尔奖，以表彰他们共同研究和开发出了晶体管。在几十年内，晶体管在各个技术领域几乎完全取代了真空管。
    如今，工程师们可以发挥想象力去创造体积小巧、方便携带的设备，这些设备仅仅消耗电池中的少量能量，并在正常使用时非常耐用。因此，许多人认为晶体管是20世纪最重要的发明。今天，环顾一下四周，你可以看到太多由晶体管构成的小玩意和各种技术。
集成电路( IC )
    为了完成更复杂的任务（如机器人、医学等领域），工程师需要设计相应的设备，这样的设备需要更多的晶体管。然而，晶体管数量的增加会使设备体积更大，而且使得连线变得困难。
    迈进数字时代关键的下一步是把完成日益复杂任务的众多晶体管集中到一个小器件之上。 1958年，杰克·基尔比在“德州仪器公司”（TI）时发明了“集成电路”（IC），他完成了此项举世瞩目的创举。
    2000年，杰克·基尔比因此获得诺贝尔物理学奖。这项开创性发明称作“集成电路”的原因是——它巧妙地将许多元件（一般是晶体管）集成到一个小小封装之内。
    随着集成电路的发明，工程师能够进行更复杂的设计——因为他们已经拥有了现代的数字器件来对数字化了的真实模拟世界进行更复杂的数学处理了。重要的是，集成电路的使用已经非常普及，从计算机到汽车“防锁刹车系统”中都可以找到它。今天，在现代科技中很难找到单个的晶体管——它们都在集成电路之中。

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