Электроника включает в себя физику, технику, технологии и приложения, которые имеют дело с излучением, потоком и контролем электронов в вакууме и материи . [1] Он использует активные устройства для управления потоком электронов путем усиления и выпрямления , что отличает его от классической электротехники, которая использует пассивные эффекты, такие как сопротивление , емкость и индуктивность, для управления потоком тока .
Электроника оказала огромное влияние на развитие современного общества. Идентификация электрона в 1897 году, наряду с последующим изобретением вакуумной лампы, которая могла усиливать и исправлять слабые электрические сигналы, открыла сферу электроники и эру электронов. [2] Это различие началось примерно в 1906 году с изобретением Lee De Forest в триоде , который сделал электрическое усиление слабых сигналов радио и звуковых сигналы возможны с не-механическим устройством. До 1950 года это поле не называли «радиотехника» , потому что его основная заявка была разработка и теория радио передатчиков , приемников и вакуумных трубок .
Термин « твердотельная электроника » появился после того, как первый рабочий транзистор был изобретен Уильямом Шокли , Уолтером Хаузером Браттейном и Джоном Бардином в Bell Labs в 1947 году. MOSFET ( МОП- транзистор ) был позже изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs. в 1959 году. МОП-транзистор был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и массово производить для широкого круга применений, что произвело революцию в электронной промышленности и сыграло центральную роль в революции микроэлектроники и цифровой революции . С тех пор полевой МОП-транзистор стал основным элементом большинства современного электронного оборудования и является наиболее широко используемым электронным устройством в мире.
Электроника широко используется в обработке информации , телекоммуникациях и обработке сигналов . Способность электронных устройств действовать как переключатели делает возможной цифровую обработку информации. Технологии соединения, такие как печатные платы , технология упаковки электроники и другие разнообразные формы инфраструктуры связи, дополняют функциональность схемы и преобразуют смешанные электронные компоненты в обычную рабочую систему , называемую электронной системой ; примерами являются компьютеры или системы управления . Электронная система может быть компонентом другой спроектированной системы или автономным устройством. По состоянию на 2019 год в [Обновить]большинстве электронных устройств [3] для электронного управления используются полупроводниковые компоненты. Обычно электронные устройства содержат схемы, состоящие из активных полупроводников, дополненных пассивными элементами; такая схема описывается как электронная схема . Электроника имеет дело с электрическими схемами, которые включают активные электрические компоненты, такие как вакуумные лампы, транзисторы, диоды , интегральные схемы , оптоэлектроника и датчики , связанные с ними пассивные электрические компоненты и технологии соединения. Нелинейное поведение активных компонентов и их способность контролировать потоки электронов делает усиление слабых сигналов возможных.
Изучение полупроводниковых устройств и связанных с ними технологий считается отраслью твердотельной электроники .
Отрасли электроники
Электроника имеет следующие филиалы:
- Цифровая электроника
- Аналоговая электроника
- Микроэлектроника
- Схемотехника
- Интегральные схемы
- Силовая электроника
- Оптоэлектроника
- Полупроводниковые приборы
- Встроенные системы
- Аудио электроника
- Телекоммуникации
- Наноэлектроника
- Биоэлектроника
Электронные устройства и компоненты
Электронный компонент - это любой физический объект в электронной системе, используемый для воздействия на электроны или связанные с ними поля в соответствии с предполагаемой функцией электронной системы. Компоненты обычно предназначены для соединения друг с другом, обычно путем пайки к печатной плате (PCB), для создания электронной схемы с определенной функцией (например, усилителя , радиоприемника или генератора ). Компоненты могут быть упакованы по отдельности или в более сложных группах в виде интегральных схем . Некоторыми распространенными электронными компонентами являются конденсаторы , катушки индуктивности , резисторы , диоды , транзисторы и т. Д. Компоненты часто подразделяются на активные (например, транзисторы и тиристоры ) или пассивные (например, резисторы, диоды, катушки индуктивности и конденсаторы). [4]
История электронных компонентов
Вакуумные лампы (термоэмиссионные клапаны) были одними из первых электронных компонентов. [5] Они несли почти единоличную ответственность за революцию в электронике первой половины двадцатого века. [6] [7] Они позволили использовать гораздо более сложные системы и дали нам радио, телевидение, фонографы, радары, междугородную телефонию и многое другое. Они играли ведущую роль в области микроволнового излучения и передачи высокой мощности, а также телевизионных приемников до середины 1980-х годов. [8] С тех пор твердотельные устройства почти полностью взяли верх. Вакуумные лампы до сих пор используются в некоторых специализированных приложениях, таких как мощные радиочастотные усилители , электронно-лучевые трубки , специальное звуковое оборудование, гитарные усилители и некоторые микроволновые устройства .
Первый рабочий транзистор с точечным контактом был изобретен Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном в Bell Labs в 1947 году. [9] В апреле 1955 года IBM 608 был первым продуктом IBM, в котором использовались транзисторные схемы без каких-либо электронных ламп, и считается, что он первый полностью транзисторный вычислитель, выпускаемый для коммерческого рынка. [10] [11] Модель 608 содержала более 3000 германиевых транзисторов. Томас Дж. Уотсон-младший приказал, чтобы во всех будущих продуктах IBM использовались транзисторы. С того времени транзисторы использовались почти исключительно для компьютерной логики и периферийных устройств. Однако первые переходные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить в серийном производстве , что ограничивало их ряд специализированных приложений. [12]
МОП - транзистор (МОП - транзистор) был изобретен Mohamed Atalla и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году [13] [14] [15] [16] МОП - транзистор был первым по- настоящему компактный транзистор , который может быть уменьшен и массового производства для а широкий спектр использования. [12] Его преимущества включают высокую масштабируемость , [17] доступность, [18] низкое энергопотребление и высокую плотность . [19] Он произвел революцию в электронной промышленности , [20] [21] став самым широко используемым электронным устройством в мире. [15] [22] МОП-транзистор является основным элементом большинства современного электронного оборудования [23] [24] и играет центральную роль в революции электроники [25], революции в микроэлектронике [26] и цифровой революции . [16] [27] [28] Таким образом, полевой МОП-транзистор считается рождением современной электроники, [29] [30] и, возможно, самым важным изобретением в электронике. [31]
Типы схем
Схемы и компоненты можно разделить на две группы: аналоговые и цифровые. Конкретное устройство может состоять из схем, которые имеют один или другой или смесь двух типов. Важный электронный метод как в аналоговой, так и в цифровой электронике включает использование обратной связи . Среди прочего, это позволяет создавать очень линейные усилители с высоким коэффициентом усиления и цифровые схемы, такие как регистры, компьютеры и генераторы.
Аналоговые схемы
Большинство аналоговых электронные приборы, такие как радио приемники, построены из комбинации нескольких видов основных схем. Аналоговые схемы используют непрерывный диапазон напряжения или тока в отличие от дискретных уровней, как в цифровых схемах.
К настоящему времени разработано огромное количество различных аналоговых схем, особенно потому, что «схему» можно определить как что угодно, от одного компонента до систем, содержащих тысячи компонентов.
Аналоговые схемы иногда называют линейными, хотя многие нелинейные эффекты используются в аналоговых схемах, таких как смесители, модуляторы и т. Д. Хорошими примерами аналоговых схем являются вакуумные ламповые и транзисторные усилители, операционные усилители и генераторы.
Редко можно найти современные схемы, полностью аналоговые. В наши дни аналоговые схемы могут использовать цифровые или даже микропроцессорные технологии для повышения производительности. Этот тип схемы обычно называют «смешанным сигналом», а не аналоговым или цифровым.
Иногда бывает трудно различить аналоговые и цифровые схемы, поскольку они имеют элементы как линейной, так и нелинейной работы. Примером может служить компаратор, который принимает постоянный диапазон напряжения, но выводит только один из двух уровней, как в цифровой схеме. Точно так же транзисторный усилитель с перегрузкой может иметь характеристики управляемого переключателя, имеющего по существу два уровня выходного сигнала. Фактически, многие цифровые схемы фактически реализованы как вариации аналоговых схем, подобных этому примеру - в конце концов, все аспекты реального физического мира по сути аналоговые, поэтому цифровые эффекты реализуются только путем ограничения аналогового поведения.
Цифровые схемы
Цифровые схемы - это электрические схемы, основанные на нескольких дискретных уровнях напряжения. Цифровые схемы являются наиболее распространенным физическим представлением булевой алгебры и являются основой всех цифровых компьютеров. Для большинства инженеров термины «цифровая схема», «цифровая система» и «логика» взаимозаменяемы в контексте цифровых схем. В большинстве цифровых схем используется двоичная система с двумя уровнями напряжения, обозначенными «0» и «1». Часто логический «0» представляет собой более низкое напряжение и обозначается как «низкий», тогда как логическая «1» обозначается как «высокий». Однако в некоторых системах используется обратное определение («0» - «высокий») или текущие. Довольно часто разработчик логики может менять эти определения от одной схемы к другой, если он считает нужным облегчить свой дизайн. Определение уровней как «0» или «1» произвольно.
Изучена троичная (с тремя состояниями) логика и созданы прототипы компьютеров.
Компьютеры , электронные часы и программируемые логические контроллеры (используемые для управления производственными процессами) состоят из цифровых схем. Другой пример - цифровые сигнальные процессоры .
Строительные блоки:
- Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET)
- Логические ворота
- Сумматоры
- Шлепки
- Счетчики
- Регистры
- Мультиплексоры
- Триггеры Шмитта
Высокоинтегрированные устройства:
- Чип памяти
- Микропроцессоры
- Микроконтроллеры
- Специализированная интегральная схема (ASIC)
- Цифровой сигнальный процессор (DSP)
- Программируемая вентильная матрица (FPGA)
Отвод тепла и терморегулирование
Тепло, выделяемое электронными схемами, должно рассеиваться, чтобы предотвратить немедленный отказ и повысить долговременную надежность. Отвод тепла в основном достигается за счет пассивной теплопроводности / конвекции. Средства для достижения большего рассеивания включают радиаторы и вентиляторы для воздушного охлаждения, а также другие формы охлаждения компьютера, такие как водяное охлаждение . Эти методы используют конвекцию , теплопроводность и излучение тепловой энергии.
Шум
Электронный шум определяется [32] как нежелательные помехи, накладываемые на полезный сигнал, которые имеют тенденцию затемнять его информационное содержание. Шум - это не то же самое, что искажение сигнала, вызванное цепью. Шум связан со всеми электронными цепями. Шум может быть вызван электромагнитным или тепловым воздействием, что можно уменьшить, снизив рабочую температуру цепи. Другие типы шума, такие как дробовой шум , удалить нельзя, так как они связаны с ограничениями физических свойств.
Теория электроники
Математические методы являются неотъемлемой частью изучения электроники. Чтобы стать специалистом в области электроники, необходимо также хорошо разбираться в математике анализа цепей.
Анализ цепи является изучением методов решения линейных систем , как правило для неизвестных переменных , таких как напряжение на определенный узле или ток через определенные ветви в виде сети . Распространенным аналитическим инструментом для этого является симулятор схем SPICE .
Также для электроники важно изучение и понимание теории электромагнитного поля .
Лаборатория электроники
Из-за сложной природы теории электроники лабораторные эксперименты являются важной частью разработки электронных устройств. Эти эксперименты используются для тестирования или проверки конструкции инженера и обнаружения ошибок. Исторически лаборатории электроники состояли из электронных устройств и оборудования , находящегося в физическом пространстве, хотя и в более поздние годы наблюдается тенденция к программному обеспечению для моделирования электроники лаборатории, такие как CircuitLogix , Multisim и PSpice .
Компьютерное проектирование (САПР)
Сегодняшние инженеры-электронщики имеют возможность разрабатывать схемы с использованием предварительно изготовленных строительных блоков, таких как источники питания , полупроводники (то есть полупроводниковые устройства, такие как транзисторы ) и интегральные схемы . Программы автоматизации проектирования электроники включают в себя программы захвата схем и программы проектирования печатных плат . Популярными именами в мире программного обеспечения EDA являются NI Multisim, Cadence ( ORCAD ), EAGLE PCB and Schematic, Mentor (PADS PCB и LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad и многие другие.
Способы упаковки
На протяжении многих лет использовалось множество различных методов соединения компонентов. Например, ранняя электроника часто использовала двухточечную проводку с компонентами, прикрепленными к деревянным макетам, для построения схем. Другими методами использовались конструкция из брусчатки и проволочная обмотка . В большинстве современной электроники сейчас используются печатные платы, изготовленные из таких материалов, как FR4 или более дешевая (и менее износостойкая) бумага, склеенная на основе синтетической смолы ( SRBP , также известная как Paxoline / Paxolin (торговые марки) и FR2), характеризующаяся коричневый цвет. Проблемы здоровья и окружающей среды, связанные со сборкой электроники, привлекли повышенное внимание в последние годы, особенно в отношении продуктов, предназначенных для Европы.
Проектирование электронных систем
Проектирование электронных систем касается междисциплинарных вопросов проектирования сложных электронных устройств и систем, таких как мобильные телефоны и компьютеры . Предмет охватывает широкий спектр, от проектирования и разработки электронной системы ( разработка нового продукта ) до обеспечения ее надлежащего функционирования, срока службы и утилизации . [33] Таким образом, проектирование электронных систем - это процесс определения и разработки сложных электронных устройств для удовлетворения определенных требований пользователя.
Варианты монтажа
Электрические компоненты обычно монтируются следующим образом:
- Сквозное отверстие (иногда называемое «сквозным отверстием»)
- Поверхностное крепление
- Крепление на шасси
- Монтаж в стойку
- Разъем LGA / BGA / PGA
Электронная промышленность
Электронная промышленность состоит из различных отраслей. Центральной движущей силой всей электронной промышленности является сектор полупроводниковой промышленности [34] , годовой объем продаж которого по состоянию на 2018 год превысил 481 миллиард долларов [35] . Крупнейшим отраслевым сектором является электронная коммерция , объем продаж которой в 2017 году превысил 29 триллионов долларов . [36] наиболее широко изготовлен электронное устройство представляет собой металл-оксид-полупроводник полевой транзистор (МОП - транзистор) с , по оценкам , 13 секстиллионов МОП - транзисторы будучи изготовлен между 1960 и 2018. [37] в 1960 - х годах, американские производители не смогли конкурировать с японскими компаниями, такими как Sony и Hitachi, которые могут производить высококачественные товары по более низким ценам. Однако к 1980-м годам производители из США стали мировыми лидерами в разработке и сборке полупроводников. [38]
Смотрите также
- Очертание электроники
- Атомтроника
- Аудио инженерия
- Биоразлагаемая электроника
- Радиовещание
- Компьютерная инженерия
- Бытовая электроника
- Электронная инженерия
- Электронная инженерная техника
- Нечеткая электроника
- Указатель статей по электронике
- Морская электроника
- Робототехника
- Полупроводниковая промышленность
- Кремний
Рекомендации
- ^ "Электроника | Устройства, факты и история" . Британская энциклопедия . Проверено 19 сентября 2018 года .
- ^ «Октябрь 1897 года: открытие электрона» . Проверено 19 сентября 2018 года .
- ^ Флойд, Томас Л. (2017). Основы электроники: схемы, устройства и приложения . ISBN 978-1-292-23880-7. OCLC 1016966297 .
- ^ Бозе, Бимал К., изд. (1996). Силовая электроника и частотно-регулируемые приводы: технология и применение . Интернет-библиотека Wiley. DOI : 10.1002 / 9780470547113 . ISBN 978-0-470-54711-3. S2CID 107126716 .
- ^ Гварньери, М. (2012). «Эпоха электронных ламп: первые устройства и рост радиосвязи». IEEE Ind. Electron. M . 6 (1): 41–43. DOI : 10.1109 / MIE.2012.2182822 .
- ^ Гварньери, М. (2012). «Эпоха электронных ламп: покорение аналоговой связи». IEEE Ind. Electron. M . 6 (2): 52–54. DOI : 10.1109 / MIE.2012.2193274 .
- ^ Гварньери, М. (2012). «Эпоха вакуумных трубок: слияние с цифровыми вычислениями». IEEE Ind. Electron. M . 6 (3): 52–55. DOI : 10.1109 / MIE.2012.2207830 .
- ^ Сого Окамура (1994). История электронных ламп . IOS Press. п. 5. ISBN 978-90-5199-145-1. Архивировано 31 декабря 2013 года . Проверено 5 декабря 2012 года .
- ^ «1947: изобретение точечного транзистора» . Музей истории компьютеров . Проверено 10 августа 2019 .
- ^ Баше, Чарльз Дж .; и другие. (1986). Ранние компьютеры IBM . Массачусетский технологический институт. п. 386 .
- ^ Пью, Эмерсон У .; Джонсон, Лайл Р .; Палмер, Джон Х. (1991). Системы IBM 360 и ранние 370 . MIT Press. п. 34 . ISBN 978-0-262-16123-7.
- ^ а б Московиц, Сэнфорд Л. (2016). Передовые инновации в материалах: управление глобальными технологиями в 21 веке . Джон Вили и сыновья . п. 168. ISBN 978-0-470-50892-3.
- ^ «1960 - Показан металлооксидно-полупроводниковый (МОП) транзистор» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров .
- ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media . С. 321–3. ISBN 978-3-540-34258-8.
- ^ а б "Кто изобрел транзистор?" . Музей истории компьютеров . 4 декабря 2013 . Проверено 20 июля 2019 .
- ^ а б «Триумф МОП-транзистора» . YouTube . Музей истории компьютеров . 6 августа 2010 . Проверено 21 июля 2019 .
- ^ Мотоёси, М. (2009). «Сквозной кремниевый переходник (TSV)». Труды IEEE . 97 (1): 43–48. DOI : 10.1109 / JPROC.2008.2007462 . ISSN 0018-9219 . S2CID 29105721 .
- ^ "Черепаха транзисторов побеждает в гонке - революция CHM" . Музей истории компьютеров . Проверено 22 июля 2019 .
- ^ «Транзисторы поддерживают закон Мура» . EETimes . 12 декабря 2018 . Проверено 18 июля 2019 .
- ^ Чан, И-Джен (1992). Исследования гетероструктурных полевых транзисторов InAIA / InGaAs и GaInP / GaAs для высокоскоростных приложений . Мичиганский университет . п. 1.
Si MOSFET произвел революцию в электронной промышленности и в результате влияет на нашу повседневную жизнь почти всеми мыслимыми способами.
- ^ Грант, Дункан Эндрю; Говар, Джон (1989). Силовые МОП-транзисторы: теория и приложения . Вайли . п. 1. ISBN 978-0-471-82867-9.
Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) является наиболее часто используемым активным устройством в очень крупномасштабной интеграции цифровых интегральных схем (VLSI). В течение 1970-х годов эти компоненты произвели революцию в электронной обработке сигналов, системах управления и компьютерах.
- ^ Голио, Майк; Голио, Джанет (2018). ВЧ и СВЧ пассивные и активные технологии . CRC Press . С. 18–2. ISBN 978-1-4200-0672-8.
- ^ Дэниелс, Ли А. (28 мая 1992 г.). "Доктор Давон Канг, 61 год, изобретатель в области твердотельной электроники" . Нью-Йорк Таймс . Проверено 1 апреля 2017 года .
- ^ Колиндж, Жан-Пьер; Грир, Джеймс С. (2016). Нанопроволочные транзисторы: физика устройств и материалов в одном измерении . Издательство Кембриджского университета . п. 2. ISBN 978-1-107-05240-6.
- ^ Уильямс, Дж. Б. (2017). Революция в электронике: изобретение будущего . Springer. п. 75. ISBN 978-3-319-49088-5.
Хотя в то время эти устройства не вызывали особого интереса, именно эти металлооксидные полупроводниковые МОП-устройства должны были иметь огромное влияние в будущем.
- ^ Зимбовская, Наталья А. (2013). Транспортные свойства молекулярных переходов . Springer. п. 231. ISBN. 978-1-4614-8011-2.
- ^ Реймер, Майкл Г. (2009). Кремниевая паутина: физика для эпохи Интернета . CRC Press . п. 365. ISBN 978-1-4398-0312-7.
- ^ Вонг, Кит По (2009). Электротехника - Том II . Публикации EOLSS . п. 7. ISBN 978-1-905839-78-0.
- ^ Кубозоно, Ёсихиро; Он, Сюэся; Хамао, Шино; Уэсуги, Эри; Шимо, Юма; Миками, Такахиро; Гото, Хиденори; Камбэ, Такаши (2015). «Применение органических полупроводников к транзисторам» . Наноустройства для фотоники и электроники: достижения и приложения . CRC Press . п. 355. ISBN 978-981-4613-75-0.
- ^ Cerofolini, Джанфранко (2009). Наноразмерные устройства: изготовление, функционализация и доступность из макроскопического мира . Springer Science & Business Media . п. 9. ISBN 978-3-540-92732-7.
- ^ Томпсон, ЮВ; Чау, РС; Ghani, T .; Мистри, К .; Тяги, С .; Бор, М.Т. (2005). «В поисках« Forever »транзисторы продолжали масштабировать один новый материал за раз». IEEE Transactions по производству полупроводников . 18 (1): 26–36. DOI : 10.1109 / TSM.2004.841816 . ISSN 0894-6507 .
В области электроники планарный полевой транзистор Si металл – оксид – полупроводник (MOSFET), возможно, является наиболее важным изобретением.
- ^ Словарь терминов по электротехнике и электронике IEEE ISBN 978-0-471-42806-0
- ^ Дж. Лиениг; Х. Брюммер (2017). Основы проектирования электронных систем . Издательство Springer International. п. 1. DOI : 10.1007 / 978-3-319-55840-0 . ISBN 978-3-319-55839-4.
- ^ «Годовой рост продаж полупроводников на 21,6 процента, впервые в мире превысил 400 миллиардов долларов» . Ассоциация полупроводниковой промышленности . 5 февраля 2018 . Проверено 11 октября 2019 года .
- ^ «Полупроводники - следующая волна» (PDF) . Делойт . Апрель 2019 . Проверено 11 октября 2019 года .
- ^ «Мировые продажи электронной коммерции выросли до 29 триллионов долларов» . Конференция Организации Объединенных Наций по торговле и развитию . 29 марта 2019 . Проверено 13 октября 2019 .
- ^ «13 секстиллионов и подсчет: длинный и извилистый путь к самому часто производимому человеческому артефакту в истории» . Музей истории компьютеров . 2 апреля 2018 . Проверено 28 июля 2019 .
- ^ «Промышленность бытовой электроники в 1960-е годы» . NaTechnology . Проверено 2 февраля 2021 года .
дальнейшее чтение
- Искусство электроникиISBN 978-0-521-37095-0
Внешние ссылки
- Электроника в Curlie
- http://www.dictionary.com/browse/electronics
- Военно-морской флот 1998 Серия обучения электричеству и электронике военно-морского флота (NEETS)
- DOE 1998 г. Электротехника, Справочник по основам, 4 тома.
- Vol. 1, Основная теория электричества, Основная теория постоянного тока
- Vol. 2, цепи постоянного тока, батареи, генераторы, двигатели
- Vol. 3, Базовая теория переменного тока, Основные реактивные компоненты переменного тока, Базовая мощность переменного тока, Основные генераторы переменного тока
- Vol. 4, Двигатели переменного тока, Трансформаторы, Контрольно-измерительные приборы, Электрические Распределительные Системы