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納米世界裏的微型工廠──集成電路 (IC)

IC與我們的日常生活息息相關。IC英文全名是Integrated Circuit,我們又稱它為集成電路,相信讀過物理或科學的同學對電路會有一點認知。不同電路有不同功能,有些電路用於放大訊號,有些電路則用於穩定電壓。根據最近調查,現今香港平均每人至少擁有一部智能電話,而智能電話正是由多個不同功能的IC連結而成。試想像這些IC全部都不能運作的話,會對我們的生活有甚麼影響?我們將不能使用智能電話、電腦、電視等電子產品,許多人或會因而產生焦慮症吧,皆因這些電子產品已經與我們的生活有千絲萬縷的關係。假若IC於這世上消失,我們將難以與家人和朋友聯絡,亦不能享受iPad和電腦等產品為我們帶來的娛樂,所以IC在我們日常生活是不可或缺的。現在讓我們介紹一下IC如何應用在日常生活裏,以增加我們對它的認識。

太陽能板在這個世代是一個多人談論的議題。由於傳統所用的非再生能源 (例如: 石油、煤) 都會排放大量溫室氣體,加劇溫室效應。這逼使各國加快發展可再生能源,其中之一就是太陽能。隨著時間的變動太陽照射到地球表面的陽光強度會有所不同,因此太陽能板所輸出的電壓亦不穩定。為穩定太陽能板輸出的電壓,我們需要使用高效能的穩壓器IC (Regulator) 。另外,假若輸出電壓太低的話,我們亦可利用直流對直流變換器 (DC-DC Converter IC) 將電壓提升,供不同電子產品使用。

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其次,IC亦可應用在生活保健的範疇之中。以心血管疾病為例,它是一種較為常見的疾病,隨着生活節奏的加快,人的壓力會變得很大,再加上現代人生活水平和對健康意識的提高,人們開始關注心臟健康。一般心電訊號是依靠安置在手腕的電極來取得的,也有些電極是吸附在胸前。由於電極與皮膚之間有接觸電阻,這會令心電訊號下降,而且會帶來干擾 (Noise)。為準確處理我們的心電訊號,我們可利用放大電路 (Amplifier Circuit) 來將訊號放大,以便我們得知身體的健康狀況。

大家又有否想過為何手提電話能在從前只提供通話功能,發展成帶有多功能的微型電腦?智能電話在經過十多年的發展,其功能已變得相當全面及方便,回想起剛推出時,要轉換另一個畫面的速度非常緩慢;到現在,即使一台價值一千元的智能電話的畫面轉換速度都提高了不少。其中一個原因是運用了多個IC組件,例如高速的微處理器 (Microprocessor)、容量大的記憶體、圖像處理器、數位鏡頭和無線電收發器等電子零件。因此,IC的出現及其日趨成熟的製造技術,對電腦和智能電話的發展佔了一大席位。

除此以外,IC亦可應用在射頻 (Radio Frequency)、感應器與訊號處理 (Sensors and Signal Processing) 和光通訊 (Optical Communication) 等範疇之上。總結而言,IC在我們日常生活上皆有其用途,在現代社會已經有其不可取代的地位。

在課堂之上同學可學習與基本IC電路相關的數理運算技巧,但由於這些運算大多都是基於數學上的假設,若要更加準確及深入地了解IC電路的運作原理,同學便需要利用電腦的模擬程式 (Simulation) 來協助我們理解IC的內部運作。在與IC有關的科目內同學都有機會利用以往學過的知識來設計電路。在這些專題研習中,同學需要在一些固定的參數下設計電路,以達到一定的規格。由於並沒有規限同學利用哪一種電路結構,因此同學可以自由選用任何電路,以取得符合規格的性能。同學更可以使用並沒有在課堂裡教授過的電路,這一部份就要看同學有沒有在空餘時間自發研究IC電路。

在IC的設計上,除了要運用到電子工程學的知識外,經驗以及創意亦是十分重要的元素。在設計IC時,我們必需要清楚我們想要達到的目標,透過實驗驗證我們的想法,並嘗試以創新的方法令IC有更佳的效能和更低的造價。現今大多的電子產品皆會利用IC來組成整個電路,就算看似簡單的智能電話充電線亦有機會加入穩壓器IC以提供穩定的電壓及電流。若果同學有興趣設計和研究電子產品,或是研發嶄新的IC電路以應用在日常生活及在學術上取得突破,便需要學習與IC相關的知識。

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撰文:梁加能教授 (香港中文大學電子工程學系副教授)



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