按键跟开关不是一回事儿

数码相框vs.液晶显示器，有啥不一样？

数码相框（Digital PhotoFrame）是一种液晶显示器，但不同于普通意义上的液晶显示器，是液晶显示器的衍生品。

有啥不一样？

（1）尺寸较小。数码相框屏幕以3.5英寸、5.6英寸、7英寸、8英寸、10.4英寸为主流产品，其中7-9英寸的产品最为普遍。而电脑显示器的屏幕尺寸一般在17英寸以上。

（2）自带闪存。数码相框内一般有512MB以上的闪存，显示器里没有。

（3）自带解码器。数码相框利用解码器对存储于闪存中的图形文件进行解码，然后送至驱动电路。显示器中只有驱动电路，没有解码器。

（4）接口不同。数码相框带有USB接口或闪存卡接口，而显示器则为D-sub接口或DVI接口。

（5）数码相框要有嵌入式操作系统软件来管理硬件资源，显示器不需要操作系统。

说不一样，其实也一样！

（1）显示原理基本相同，显示屏后面都有光源。

（2）数码相框的显示屏有无源矩阵和有源矩阵两种。视频液晶显示器为了缩短响应时间而获得满意的动态性能，无一例外地采用TFT有源矩阵。

（3）交流供电。所不同的是，数码相框一般利用外置的稳压电源。

揭秘“插上就玩”

1995年，微软推出Windows 95，其最显著特点就是支持Plug & Play功能。电脑处于开机状态下，新硬件插入系统后，Windows立即告诉你发现新硬件、接着识别新硬件、然后自动安装硬件的驱动程序、最后报告硬件可以使用了，整个过程中系统像在和你交流一样。

发现新硬件的三个步骤

通报事件：新设备插入系统（冷插拔或热插拔）之后，首先被BIOS侦测到，并通过总线枚举程序向系统通报事件；

识别新设备：操作系统使用设备管理程序去识别外设，然后利用设备信息自动地装载相匹配的驱动程序；

分配资源：将系统资源分配给新设备，并构建设备资源数据库。

这样，硬件的身份由“新硬件”转变为“可用硬件”了。

BIOS与操作系统的分工与协作

一些新硬件插入后，BIOS能够赶在操作系统之前发现它，并进行合理配置，让其可用。不过，BIOS支持的硬件类型是有限的，它并不能发现所有的新硬件。BIOS不支持的硬件，必须等待Windows引导成功后，才能被操作系统发现，并且由操作系统进行相应配置，让其成为可用硬件。

获取微软数字签名是前提条件

主机、外部设备和操作系统三者必须同时支持即插即用，才能实现“插上就玩”。为了保证即插即用功能能够顺利实现，微软要对设备进行“数字签证”。通过微软硬件质量实验室（WHQL）测试的硬件设备，微软会返回设备制造商送检的驱动程序文件和一个.cat文件（catalog，目录），.cat文件含有微软数字签名（也叫“驱动程序签署”或“代码签署”）信息。这样，制造商便可将这个.cat文件包括进驱动程序包中提供给最终用户，用于硬件安装的数字签名审核。如果试图安装一个未经签署的驱动程序，Windows会发出警告信息，告知驱动程序数字签名的重要性。选择继续安装，就不能保证设备能否正常使用。

鼠标器的数据格式

鼠标数据通过PS/2端口以串行方式传送给，在设定的刷新率下，将鼠标内部DSP芯片生成的16进制数据不断送往主机端口。

鼠标数据共有四个字节，其中包括：初始化报告、移动方向、距离、按钮状态，如下表。
 

　　上述P1、P2、P3三个参数说明：

　　P1_D7D6固定值01；D1D0=11本次鼠标移动包含左右移动分量；D3D2=11本次鼠标移动包含上下移动分量；D4=1目前鼠标右键呈按下状态；D5=1目前鼠标左键呈按下状态（D4D5=00则键呈释放状态）。

　　P2_D7D6固定值00；其余六位表示一个有符号二进制数，反映左右移动量，大于0为向右移动，小于0为向左移动。

　　P3_D7D6固定值00；其余六位表示一个有符号二进制数，反映上下移动量，大于0为向下移动，小于0为向上移动。

　　例如：[6CH 02H 3AH]（P1=6CH,P2=02H,P3=3AH）反馈出鼠标向右移动了2个单位，向上移动了6个单位，目前左键按下。

芯片缘何“爆米花”？

爆米花效应

 爆米花效应（Popcorm Effect）特指因封装产生裂纹而导致芯片报废的现象，这种现象发生时，常伴有爆米花般的声响，故而得名。

典型案例

2005年，SONY公司的CCD质量事故给这家公司带来了数亿美元的损失，也把整个数码相机制造业搞得焦头烂额，狼狈不堪。最后查出的原因其实非常简单：CCD粘合剂性能不稳定，在高温环境下会发生气化，从而使CCD传感器的核心部分暴露在空气中受潮而受到腐蚀。

2008年7月，NVIDIA公司制造的G84系列和G86系列GPU芯片同样因为封装材料出了问题，一旦核心温度变化起伏较大，可能引发笔记本故障，导致出现影像重复、莫名字样、屏幕条纹或不显示影像等问题。

水汽爆裂是爆米花裂纹产生的主要原因

主要原因是塑封料中的水分在高温下迅速膨胀使塑封料与其附着的其他材料间发生分离。

爆米花效应最容易出现在以塑封BGA芯片上，因其芯片安装所用的银膏会吸水，一旦末加防范而径行封牢塑体后，在下游组装焊接遭遇高温时，其水分将因汽化压力而造成封体的爆裂。

近来十分盛行P-BGA的封装组件，不但其中银胶会吸水，且连载板之BT基材也会吸水，管理不良时也常出现爆米花现象。

防止芯片爆米花的措施

在IC 生产过程中，应从材料、制作工艺和制作环境三个方面加强管理。

封装体内的实际水汽含量是由密封材料、封装体本身、密封环境释放的水和通过密封处漏入的水汽组成的。为防止水汽侵入，良好的钝化覆盖层(使用磷玻璃或氮化硅)是必要的，减少包封料中的离子沾污物，在包封料中掺入杂质离子俘获剂或离子清除剂，提高塑封料与引线框架间的粘接强度，在塑封料中加入填充物延长水汽渗透路径，使用低吸水性包封料等。另外，封装时的环境气氛必须很干燥，封装前各部件应在真空和高温下长时间烘烤，以去除水汽。

【相关链接】

1   James Bryant，过冷或过热可能正合适，Analog Device,

2   塑封IC 常见失效及对策（pdf），半导体百事通

平板电视为何使用D类功放？

音频功放电路目前主要有AB类和D类两种类型，后者在平板电视和笔记本电脑、手机和MP3等移动产品中的市场份额逐年扩大。

全球D类放大器市场规模

D类功放早在1958年就提出来了，但直到近今年才获得了长足的发展。究其原因，主要是过去不太重视节能，而现在的平板电视和移动产品特别强调节能。

D类放大器的典型配置

D类放大器基于脉冲宽度调制 (PWM)技术，它的前级比较输入模拟信号和高频率三角波形（通常为250 kHz），以生成输出波形。该波形随后驱动由MOSFET组成的H形桥。随后形成的差动波形是PWM方波信号，其占空比与音频信号的振幅成正比。来自H桥的信号通过LC滤波器滤除高频载波，获得音频信号，驱动喇叭。

D类与AB类功放的效率比较

上图清晰地反映出，随着功率增加，D 类放大器迅速达到 85% 的效率，而线性放大器的效率随功率增长的速度则相当缓慢。大多数人听取电视音响的范围在 2～4W 之间，在这一层次上，当把 D 类与线性放大器进行比较时，我们会发现 D 类放大器的效率增长了4倍。

CPU引脚数为何不断增长？

        我们知道，信号地线能够起到隔离和屏蔽干扰信号、增强传输可靠性、提高传输速度的作用，因此工程上应用十分普遍。显示器接口的15根线中就有5根地线，每一根信号线都对应了一根信号地线。再譬如打印机数据线，这个25针的接口有8根信号线，也有8根信号地线，信号地线与信号线是一一对应的。

       除了信号地线，电脑里还有另外一种地线——电源地线。硬盘电源线中就有2根电源地线，它们分别为+5V和+12V提供电流的回路。有人可能会问：两根地线能否省去一根呢？回答是：No！如果省去一根，剩下的一根电线会因为负荷过重、温度过高而带来安全隐患——电线可能起火！

        使用多根地线的现象也出现在IC芯片上，特别是耗电量较大的IC，其接地引脚数甚至超过信号引脚数。例如LGA 775插座中就有250个供电引脚和273个接地脚，而数据引脚和地址引脚分别为64和32，两者之和差不多是接地引脚的三分之一。

        下图是耗电量较大的Intel Prescott处理器，这张图片清晰地反映了CPU引脚中众多地线的情况。在这里，靠近信号引脚的地线为信号地，靠近电源引脚的地线为电源地，电源地与电源在引脚数量差不多相等。
 

        当然，电源及电源地的引脚数是根据芯片功率及散热情况精确计算出来的。一个不争的事实是，CPU、GPU等超大规模集成电路的引脚数随着芯片频率和功耗的增加而同步攀升。芯片引脚数攀升还有一个必然的因素，那就是芯片供电电压的降低。我们知道，早期芯片的供电电压为5V，后来下降到3.3V，现在已经降到1V左右。在功耗维持不变的条件下，供电电压降低，势必造成电流升高，而电流升高又必然要求更多的引脚数来分担，否则难以保证安全性和可靠性。虽然这些年来芯片制造商不断引入新工艺、新材料来降低芯片功耗，仍然阻挡不住引脚数增长的步伐。 

        透过芯片引脚数量不断增长的现象，我们可以得出这样一个结论：引脚数增加是芯片性能提升的标志。通俗地讲就是：没有数量，便没有质量。

手机屏幕亮度调节电路实例

与液晶显示器、液晶电视等大屏幕采用的冷阴极荧光管（CCFL）背光源不同，手机、PDA和数码相机器的显示屏因为尺寸较小，采用LED作为背光源对降低屏幕厚度更为有利。

探长日记中一篇名为《LCD亮度及对比度调节功能的实现方法》的文章，介绍了一款CCFL背光源驱动电路，电子工程世界网上有一例LED驱动电路，正好可以补充前文的不足。具体电路如下。

在此电路中，XC9103D093MF是Torex公司研发的升压型DC/DC控制器，利用输入到CE引脚的PWM信号可控制MOSFET的开关时间长短，调整PWM信号的占空比（频率在60Hz到100Hz之间可控 ），即可达到调整显示亮度的目的。

图中LED两端并联了2只电容，它们的存在可使LED上的电压不再是方波，而是平滑的直流电。因此，改变输出脉冲占空比的实质也还是改变了输出电压。可见，无论CCFL背光还是LED背光，都是通过改变电压来调节屏幕亮度的。如果硬要比较两者有什么不同，那就是：CCFL为交流驱动型，LED为直流驱动型。

地磁场是怎样形成的？

陈忠民 整理

早在1940年代，物理学家就公认：任何行星要建立磁场都必须具备三个条件，地磁场页不例外。自那以后，所有相关的发现都是建立在这一共识之上。

第一个条件是：要有大量的导电流体──地球地心的外核是富含铁的流体。这个临界层包裹着一个几乎纯铁的固态地心内核，深埋在厚重的地幔和极薄地大陆、海洋地壳之下。距离地表的深度约2900千米。地壳和地幔重量带来的极大负荷，造成了地核内的平均压力是地表压力的200万倍。此外，地心的温度也同样极端──大约为摄氏5000度，和太阳表面的温度相近。 
     
这些极端的环境条件，构成了地球发电机的第二要件：驱动流体运动的能量来源。驱动地球发电机的能量，一部份是热能，一部份是化学能——两者都在地心深处造成浮力。就像一锅在火炉上熬着的汤一样，地心的底部比顶部热（地心的高温是地球形成时截留在地球中心的热能）。这意味着地心底部较热的、密度较低的铁趋向于上升，就像热汤里的水滴。当这些流体到达地心顶部时，会由于碰到上覆的地幔而丧失部份热量。于是液态铁会冷却、密度变得比周围的介质高，从而下沉。这个通过流体的上升和下降来自下而上传递热量的过程称为热对流。 

地球的构造

 
加州大学洛杉矶分校的Stanislav Braginsky在1960年代指出过，热量从地心上部的外核逸出也会导致地心固态内核体积的膨胀，产生浮力的另外浮力来自对流。当液体的铁在固态内核的外部凝固成晶体时，潜在的热量——结晶热会作为副产品被释放出来。这些热量有助于增强热浮力。此外，密度较低的化合物（如硫化铁和氧化铁）被内核的结晶体排出并穿过外核上升，也会加强对流。
    
地球要产生自维持的磁场，还需要第三个条件：旋转。地球的自转通过科里奥效应（Coriolis effect）使地心内上升的流体偏转，就像我们在气象卫星影像上看到的洋流和热带风暴被科里奥效应扭曲成熟悉的漩涡状一样。在地心中，科里奥力（Coriolis forces）使上涌的流体偏转，沿着螺旋形的轨迹上升，仿佛沿着松弛弹簧的螺旋状金属线运动。
    
地球有着一个富含铁的液态地心能够导电、有足够的能量驱动对流、有科里奥力使对流的流体偏转，这些是地球发电机能够维持它本身数十亿年的主要原因。

【相关链接】可否利用地磁场异常进行地震预报？

可否利用地磁场异常进行地震预报？

5.12汶川特大地震造成了巨大伤亡，大灾过后人们必然要反思，对于如此大的地震，我们的地震局为何未能做任何预报呢？有些网友已经提出了质疑，看来有关部门必须要向公众作出合理解释。探长不敢冒充内行，说三道四，但还是希望从探求知识的角度，从自己熟悉的知识领域里面提供一些资料供朋友们参考。

一般认为，地震引起磁场变化的原因有两个，一是地震前岩石在地应力作用下出现“压磁效应“，从而引起地磁场局部变化；二是地应力使岩石被压缩或拉伸，引起电阻率变化，使电磁场有相应的局部变化。岩石温度的改变也能使岩石电磁性质改变。

基于上述理由，应该可以利用电磁手段对地震进行预测、预报。先看几个利用地震前夕地磁场变化进行预报的例子（来源：广州市防震减灾信息网）。

1、1995年1月7日阪神大地震震后的分析：大地震之前，动物往往会骚动不安。为什么会发生这种现象呢？日本大阪大学研究小组近日通过对老鼠的实验发现，这原来是震前出现的特殊电磁脉冲刺激动物大脑所致。

2、1855年，在日本江户闹市区有一位开眼镜铺的商人，他用长3日尺(1日尺等于30.3厘米)的一个马蹄铁，在马蹄铁上面粘满铁钉，用此来招引顾客。但是，在1855年江户大地震发生的当天，吸到磁铁上的铁钉及其他铁制商品，突然掉落在地，使他大为惊愕。时过两小时，一次破坏性大地震发生了，震撼了整个市区。地震过后，发现那块磁铁又恢复了往日的吸铁功能。类似的事件，在我们国家也曾多次出现。

3、1970年1月5日，在云南通海发生7.8级大地震。震前，震中区有些人在收听中央人民广播电台的广播，忽然发现收音机音量减小，声音嘈杂不清，特别是在震前几分钟，播音干脆中断。再如，1973年2月6日四川炉霍7.9级地震之前，县广播站的人发现，在震前5-30分钟，收音机杂音很大，无法调试，接着发生了大地震。

4、唐山地震前两天，距唐山200多公里的延庆县测雨雷达站和空军雷达站，都连续收到来自京、津、唐上空的一种奇异的电磁波。

可见，利用地磁场变化进行地震的预测和预报是完全可能的，有关部门应该加强这方面的研究。虽然也有很多研究表明，地震前后地磁场变化相当微弱，地震巨大的能量预释放前也不见得一定会有电磁波发射到空间。但考虑到汶川大地震主震已经发生，但大地震后在一年之内都会发生余震。再说，理论上成立的东西，想要进行实际应用也未必可行，或者说困难很大。不管怎样，我还是希望这点知识能够对灾区的朋友有所帮助，因为此时时刻地震灾区仍然余震不断。

【相关链接】地磁场是怎样形成的？

让我握住你的手——计算机接口基础知识（3）

通过（1）和（2）两个部分的介绍我们已经知道，传统的串行口、并行口通过握手信号进行通信，这些接口通常通过握手信号来联络主机和外设。我们也已经知道，通信双方可以同步或异步两种方式进行通信，两者最大的区别是，同步通信接口中有时钟信号线。

近几年来，USB接口十分流行，应用很广。可是，USB接口中既没有握手信号，也没有时钟信号，它是怎样在主机与外设之间建立联系的呢？又是如何交换数据的呢？为了深入理解USB接口的通信过程，先介绍USB的硬件和软件结构。

从物理结构上，USB系统是一个星形结构。USB系统包含三类硬件设备: USB主机(USB HOST)、 USB设备(USB DEVICE)和USB集线器(USB HUB)。USB总线上的物理连接是一个分层的星形拓扑，处于每个星形拓扑中央的是HUB集线器，在主机与HUB之间，HUB与HUB之间，HUB与设备之间都是点对点的连接。

图5  USB拓扑结构

让我握住你的手——计算机接口基础知识（2）

上次谈到，握手信号是联系主机与外设的纽带，主机通过握手信号获得外设必要信息，为数据传输做好准备。那么，握手信号是不是在所有的计算机接口中都是必须的呢？回答是否定的。在鼠标和键盘使用PS/2接口中，就没有握手信号。键盘和鼠标也需要跟主机之间进行数据传输，没有握手信号，这些设备又是怎样与主机建立联系的呢？

我们先考察一下PS/2鼠标端口（图3）。PS/2端口用作鼠标接口时，只用6个插针中的4个，Pin1用于传送数据，Pin3接地，Pin4向鼠标供电，Pin5为鼠标提供时钟信号。与串行口、并行口相比，PS/2接口没有握手信号，但是有时钟信号，两者的差别就在这里。

图3  PS/2鼠标接口

让我握住你的手——计算机接口基础知识（1）

1972年2月21日至28日，美国总统尼克松正式访华，中美两国发表了指导两国关系的《中美联合公报》，中美交往的大门终于被打开，为两国正式建立外交关系打下了坚实的基础。当时人们并不清楚，早在1970年10月25日，尼克松在白宫会见巴基斯坦总统叶海亚·汗时就发出了要同中国和好的信号，此后通过巴基斯坦积极从中联络，以及美国总统特使基辛格博士秘密访华，终于让中美两国最高领导人坐在了一起。 

正如处理国际关系需要建立一个会晤与协调机制一样，在控制领域,想要对一个相对复杂的系统进行有效控制，也要在设备之间建立一个相互联络和沟通的机制，计算机科学里称这种联络机制为“接口(Interface)”。譬如,当我们需要打印一份文件时，首先主机需要与打印机之间要建立联系，然后才能向打印机发送数据。那么，这是怎样一个过程呢？ 

握手信号，联系主机与外设的纽带

计算机接口的主要功能就是使数据通过接口使之能够在不同模块或系统间自由流动，达到数据共享的目的。在过去很长一个时期内，主机与打印机之间是通过并行口连接起来的，现在针式打印机仍然使用并行口，激光打印机和一部分喷墨打印机已经采用USB接口了。先来看看并行口是怎样进行数据交换的。 

图1  并行口连接器

所谓并行口，是指数据在多条信号线上同时进行传送。标准的并行口为8位，也就是说只有8条数据线。那么，标准的并行口为何定义了25个针脚呢？原来，除了8根数据线，还有一系列的命令线、状态信号线和接地线（图1）。其中的命令线由主机发往打印机，而状态信号线则由打印机反馈给主机。命令线与状态线之间往往是成对出现的——一条命令线对应一条状态线，彼此接头的两个信号则被形象地称作握手（Handshaking）信号。

表1  SPP模式下并行口信号定义

通过握手信号，主控端可获得被控端的状态信息，从而决定下一步做什么了。譬如，当用户需要打印文件时，会向打印机发出nSELECT命令，如果打印机电源已经打开，则通过SELECT信号线传回“在线”状态信号。接下来，主机向打印机传输nSTORBE信号，同时将存放数据的发送到数据线上，一旦BUSY信号为低电平，则执行数据传输。此时，打印机输出nACK信号，表示完成了一个字节的数据传输任务，告诉主机可以开始传输下一个字节了（图2）。

图2  并行口数据传输时序图

如果在打印过程中纸张用完，打印机发出缺纸信号，主机收到这个信号后，会在显示屏上显示出对应的信息，以通知用户放入纸张。有了这样一个机制，机器之间便可以自动地进行各种工作。 

握手信号的另一用途是对被控设备进行故障诊断。譬如电脑在启动过程中会向打印机发出控制命令nINT让打印机复位，如果应答信号nERROR为高电平，则说明打印机功能正常，否则意味着打印机出错了。

握手信号是联系主机与外设的纽带，通过握手信号你来我往的过程，主机便可获得外设必要信息，从而为数据传输做好准备。与并行口一样，标准串行口RS-232C也提供了握手信号。

高不成低不就，二氧化硅从CPU中黯然消失

前几日，探长曾撰文介绍过CMOS在降低芯片功耗方面所起的关键作用，本文继续围绕芯片这个话题展开讨论，并就芯片材料这个中心议题进行深入探讨。

我们知道，二氧化硅在MOS器件内用于栅极隔离和硅基层材料，在器件与器件之间、器件与导线之间、导线与导线之间用作绝缘材料（填充材料）。40年以来，二氧化硅一直在芯片中担当着重任，但是，随着集成度的提高，二氧化硅已经力不从心了。

1． 栅极氧化物被高k材料取代

CPU功耗与供电电压的平方成正比，降低核心电压可以大大降低CPU功耗。从Intel 8086到Intel 80486，CPU的供电电压一直为5V，从Pentium开始，电压值一路下滑，直至今天的1V以下。即便这样，由于晶体管数量持续增加，CPU的总体功耗始终是制造商面临的一个严重问题，居高不下的功耗已经成为限制晶体管数量和提升频率的一道难关。

工艺尺寸缩小了，泄漏功耗增加了

MOS管作为组成IC的基本单元，也是电力的主要消耗场所。近年来，随着工艺尺寸的持续缩小，就必须尽可能把栅极做得尽可能的薄，以维持栅极氧化层有足够大的电容量，维持MOS管正常的导通和关闭功能。但是，栅极太薄了又容易出现电流泄漏。特别是在90nm技术节点，栅极氧化层（也称隔离层）的厚度只有0.9～1.4nm，导致Prescott核心功耗猛增，发热严重，提升CPU频率的努力遭遇到前所未有的困难。到了65nm这个工艺节点，隔离层厚度仅有5个氧原子的厚度了，二氧化硅已经难以担当此任了。

MOS管的构造，栅极氧化层的作用相当于电容

从一般意义上来说，二氧化硅是一种良好的绝缘体。但是，这种已经使用了近40年材料，在厚度减少到一定程度以后，电子就能够穿透隔离层，漏电流显著升高。这样，作为阻隔栅极与通道的绝缘体，栅极氧化层的厚度已经无法进一步缩小了。

新旧两种MOS管在结构上的差异

使用高k值氧化物是为了在隔离层面积缩小的情况下厚度并不降低，栅极与通道之间的电容量也不减少。因为在同样尺寸（面积和厚度）下，电介质的k值越高，电容量越大。至于具体的高k材料，过去曾经使用过ZrO₂、SiON以及Si₃N₄等，Intel在45nm工艺节点中采用铪(Hafnium)氧化物作为隔离层，因为这种材料与多晶硅之间兼容性不好，最终用金属门取代了多晶硅门才解决了问题。据说经过这样处理，可使电力消耗降低30％，性能提高20%。

2． 填充材料被低K电介质取代

虽然电流泄露途径主要是“门泄漏”，但“电介质泄漏”问题也同样不可忽视。芯片衬底材料以及芯片层间的绝缘材料通常采用SiO₂，但因SiO₂的K值较高（介电系数约为3.9~4.5）而产生较大寄生电容，带来信号串扰和感应漏电，因此，新微处理器中广泛采用CDO（碳掺杂的氧化硅）等低k材料取代SiO₂。

众所周知，所有材料从导电特性上可分为导体和绝缘体两种类型，导电性能良好的材料称为电的良导体或直接称为导体，导电性能差的材料称为电的不良导体或者称作绝缘体。导体中含有许多可以自由移动的电子，而绝缘体中电子被束缚在自身所属的原子核周围或夹在原子核中间，这些电子可以相互交换位置，但是无法随处移动。绝缘体不能导电，但电场可以在其中存在，并且在电学中起着重要的作用。因此，从电场的角度，通常也称绝缘体为电介质（dielectric）。

正如导体一样，电介质在电子工程领域有着广泛应用，电容器内的储电材料以及芯片内的绝缘材料等都是电介质。为了定量分析电介质的电气特性，用介电常数k（permittivity或dielectric constant）来描述电介质的储电能力。

绝缘体自身因具备储电能力，材料内部有寄生电容产生。我们知道，电容C定义为储存的电量Q与电压E的比值，在相同电压下，储存的电量越多，则说明电容器的容量越大。电容的容量与电容器的结构尺寸及电介质的k值有关，其中作为储电材料的电介质的k值对电容容量的大小起着关键性作用，制造大容量的电容器时通常是通过选择高k值的电介质来实现的。

芯片内部连线之间的寄生电容

不同材料的电介质的介电常数k相差很大，真空的k值为1，在所有材料中最低；空气的k值为1.0006；橡胶的k值为2.5~3.5；纯净水的k值为81。工程上根据k值的不同，把电介质分为高k电介质和低k电介质两类。介电常数k>3.9时，称这种电介质为high-k；而通常把k≤3.9的电介质称作low-k电介质。IBM将low-k标准规定为k≤2.8，目前业界大多以2.8作为low-k电介质的k值上限。

在集成电路内部，由于ILD（Inter Layer Dielectrics，层间电介质）的存在，导线之间就不可避免地存在分布电容，或者称之为寄生电容。分布电容不仅影响芯片的速度，也对工作可靠性构成严重威胁。

从电容器容量计算公式中我们可以看出，在结构不变的情况下，减少电介质的k值，可以减小电容的容量。因此，使用低k电介质取代二氧化硅，可以有效地降低互连线之间的分布电容，从而有效提升芯片性能。

目前90/65nm采用的绝缘材料k值均在2.4以上，k值还不够低。IBM开发出所谓的Airgap技术，就是将导线之间的介电材料完全镂空。据IBM说，与目前最先进的芯片比较，采用Airgap技术能使信号传输速度提高35%，耗电量降低15%。IBM计划将这项技术整合到未来的32nm工艺中。

【小结】SiO₂的k值约为3.9~4.5，用作栅极隔离层时k值有点儿低了，用作填充材料又嫌它有点儿高了。在对芯片材料要求越来越苛刻的情况下，低的要更低，高的要更高，而SiO₂高不成低不就，不再适应时代的需要了。SiO₂从芯片中消失以后，我们经常挂在嘴边“硅芯片”这个词汇也就有其名而无其事了。

LCD亮度及对比度调节功能的实现方法

在液晶显示器和电视机中，TFT（薄膜晶体管）工作在开关状态，属于数字电路的类型。那么，你想过没有，在数字控制型的液晶显示器中，亮度和对比度控制是如何实现的呢？

为深入了解平板显示器的控制技术，我们先来复习一下CRT显示器的知识。在CRT显示器中，通过调整阴极和控制极之间的电压（实际上就是控制流过帘栅极的电子数目）来调节亮度的，而对比度控制则在视频驱动电路上——调整视放管的反馈深度，或者在视频控制IC相关管脚的交流信号电压，无论在什么地方调节，目的只有一个：调节视频输出信号的幅度，幅度越大，对比度则越高。

现在，让我们回到液晶显示器的亮度、对比度调节这个话题上来。LCD的亮度调节原理与CRT相似，但因为液晶面板自身并不主动发光，所以屏幕亮度由背光源的亮度决定。下图中，从Enable Voltage端输入的脉冲信号驱动由Q1和Q2组成的推挽放大器，再经开关变压器T1转换成脉冲电压，从T1副边输出，作为灯管驱动电压。输入信号的占空比越高，输出电压幅值越高，屏幕亮度也就越高。

CCFL驱动电路，PWM控制信号从Enable Voltage端输入

那么，对比度是如何调节的呢？在液晶显示器内部，电路通常由数颗芯片构成，其中包括源极驱动器芯片、门级驱动器芯片、时序控制器芯片等。源极驱动器也称作数据驱动器，而门级驱动器则称作扫瞄驱动器。

液晶显示器电路实例

源极驱动信号的幅值直接决定了各像素的亮度高低，幅值越高，液晶分子的扭曲角度越小，该像素的亮度也就随着越高。来自显示卡的视频信号被转换为脉冲信号，作为TFT的源极驱动信号。当我们通过按键调节屏幕的对比度时，本质是调整了芯片输出电压的动态范围。动态范围越大，亮的地方越亮，暗的地方越暗。这与CRT显示器对比度调节原理可谓如出一辙。

【相关链接】手机屏幕亮度调节电路实例