Электроника - Википедия - Electronics

Эта статья посвящена технической области электроники. Информацию о личных / домашних электронных устройствах см. бытовая электроника. Для научного журнала см. Электроника (журнал).
Поверхностный монтаж электронные компоненты

Электроника включает в себя физику, технику, технологии и приложения, которые имеют дело с выбросами, потоками и контролем электроны в вакуум и иметь значение.[1] Он использует активные устройства для управления потоком электронов с помощью усиление и исправление, что отличает его от классического электротехника который использует пассивные эффекты, такие как сопротивление, емкость и индуктивность для управления текущим потоком.

Электроника оказала большое влияние на развитие современного общества. Идентификация электрона в 1897 году, наряду с последующим изобретением вакуумная труба которые могли усиливать и исправлять слабые электрические сигналы, открыли область электроники и электронный век.[2] Это различие началось примерно в 1906 году с изобретением Ли Де Форест из триод, который сделал электрические усиление слабых радиосигналы и звуковые сигналы возможны с немеханическим устройством. До 1950 года эта область называлась «радиотехникой», потому что ее основным приложением было проектирование и теория радио. передатчики, приемники, и вакуумные трубки.

Период, термин "твердотельная электроника "возникла после первой работы транзистор был изобретен Уильям Шокли, Уолтер Хаузер Браттейн и Джон Бардин в Bell Labs в 1947 году. МОП-транзистор (МОП-транзистор) был позже изобретен Мохамед Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году. MOSFET был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и выпускать серийно для широкого круга применений, что произвело революцию в электронная промышленность, и играет центральную роль в микроэлектроника революция и Цифровая революция. С тех пор полевой МОП-транзистор стал основным элементом в большинстве современного электронного оборудования и является наиболее широко используемым электронным устройством в мире.

Электроника широко применяется в обработка информации, телекоммуникации, и обработка 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 обычный рабочий система, называется электронная система; примеры компьютеры или же Системы управления. Электронная система может быть составной частью другого инженерная система или автономное устройство. По состоянию на 2019 год большинство электронных устройств[3] использовать полупроводник компоненты для выполнения электронного управления. Обычно электронные устройства содержат схемы, состоящие из активных полупроводники дополнены пассивными элементами; такая схема описывается как Электронная схема. Электроника занимается электрические схемы которые включают активные электрические компоненты такие как вакуумные лампы, транзисторы, диоды, интегральные схемы, оптоэлектроника, и датчики, связанный пассивные электрические компоненты, и технологии межсетевого взаимодействия. В нелинейный поведение активных компонентов и их способность управлять электронными потоками делает возможным усиление слабых сигналов.

Изучение полупроводниковые приборы и сопутствующие технологии считаются отраслью физика твердого тела, а дизайн и конструкция электронные схемы для решения практических задач подпадают под электронная инженерия. Эта статья посвящена инженерное дело аспекты электроники.

Отрасли электроники

Электроника имеет следующие филиалы:

  1. Цифровая электроника
  2. Аналоговая электроника
  3. Микроэлектроника
  4. Схемотехника
  5. Интегральные схемы
  6. Силовая электроника
  7. Оптоэлектроника
  8. Полупроводниковые приборы
  9. Встроенные системы
  10. Аудио электроника
  11. Телекоммуникации
  12. Наноэлектроника
  13. Биоэлектроника

Электронные устройства и компоненты

Один из самых ранних Audion радиоприемники, построенные Де Форестом в 1914 году.
Техник по электронике проверка напряжения на плате силовой цепи в помещении аэронавигационного оборудования на борту авианосца USS Абрахам Линкольн (CVN-72).
Основная статья: Электронный компонент

Электронный компонент - это любой физический объект в электронная система используется для воздействия на электроны или связанные с ними поля в соответствии с предполагаемой функцией электронной системы. Компоненты обычно предназначены для соединения вместе, обычно путем пайки к печатная плата (PCB), чтобы создать электронную схему с определенной функцией (например, усилитель мощности, радиоприемник, или же осциллятор ). Компоненты могут быть упакованы по отдельности или в более сложных группах, как интегральные схемы. Некоторые общие электронные компоненты конденсаторы, индукторы, резисторы, диоды, транзисторы и т. д. Компоненты часто классифицируются как активные (например, транзисторы и тиристоры ) или же пассивный (например, резисторы, диоды, катушки индуктивности и конденсаторы).[4]

История электронных компонентов

Смотрите также: История электронной техники и Хронология развития электротехники и электроники

Вакуумные трубки (Термоэмиссионные клапаны) были одними из первых электронных компонентов.[5] Они почти единолично ответственны за революцию в электронике первой половины двадцатого века.[6][7] Они позволили использовать гораздо более сложные системы и дали нам радио, телевидение, фонографы, радары, междугороднюю 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 этого момента, твердое состояние устройства почти полностью взяли на себя. Вакуумные лампы все еще используются в некоторых специализированных приложениях, таких как усилители RF высокой мощности, электронно-лучевые трубки, специальное звуковое оборудование, гитарные усилители и немного микроволновые устройства.

Первый рабочий точечный транзистор был изобретен Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн в Bell Labs в 1947 году.[9] В апреле 1955 г. IBM 608 был первым IBM продукт для использования транзистор схемы без каких-либо электронных ламп и считается первым полностью транзисторным калькулятор производиться для коммерческого рынка.[10][11] 608-й содержал более 3000 германий транзисторы. Томас Дж. Уотсон мл. приказал, чтобы все будущие продукты IBM использовали в своей конструкции транзисторы. С тех пор транзисторы использовались почти исключительно для компьютерной логики и периферийных устройств. Однако рано переходные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно изготовить на массовое производство основы, что ограничило их ряд специализированных приложений.[12]

В МОП-транзистор (МОП-транзистор) был изобретен Мохамед Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году.[13][14][15][16] MOSFET был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и выпускать серийно для широкого спектра применений.[12] К его достоинствам можно отнести высокая масштабируемость,[17] доступность,[18] низкое энергопотребление и высокая плотность.[19] Это произвело революцию в электронная промышленность,[20][21] становится самым широко используемым электронным устройством в мире.[15][22] MOSFET является основным элементом большинства современного электронного оборудования,[23][24] и сыграл центральную роль в революции в электронике,[25] то микроэлектроника революция,[26] и Цифровая революция.[16][27][28] Таким образом, MOSFET считается рождением современной электроники.[29][30] и, возможно, самое важное изобретение в электронике.[31]

Типы схем

Схемы и компоненты можно разделить на две группы: аналоговые и цифровые. Конкретное устройство может состоять из схемы, которая имеет один или другой или смесь двух типов. Важная электронная техника как в аналоговой, так и в цифровой электронике включает использование Обратная связь. Среди прочего, это позволяет создавать очень линейные усилители с высоким коэффициентом усиления и цифровые схемы, такие как регистры, компьютеры и генераторы.

Аналоговые схемы

Основная статья: Аналоговая электроника
Шасси преобразователя частоты Hitachi J100

Наиболее аналог электронные приборы, такие как радио приемники, состоят из комбинации нескольких типов основных схем. Аналоговые схемы используйте непрерывный диапазон напряжения или тока, а не дискретные уровни, 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 линейные цепи хотя многие нелинейные эффекты используются в аналоговых схемах, таких как смесители, модуляторы и т. д. Хорошими примерами аналоговых схем являются 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 выдает только один из двух уровней, как в цифровой схеме. Точно так же транзисторный усилитель с перегрузкой может иметь характеристики управляемого выключатель Имея по существу два уровня вывода. 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

Основная статья: Цифровая электроника

Цифровые схемы - это электрические схемы, основанные на нескольких дискретных уровнях напряжения. Цифровые схемы являются наиболее распространенным физическим представлением Булева алгебра, 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», в то время 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 упростить разработку. Определение уровней как «0» или «1» произвольно.

Троичный (с тремя состояниями) была изучена логика и изготовлены прототипы компьютеров.

Компьютеры, электронный часы, и программируемые логические контроллеры (используются для управления производственными процессами) состоят из цифровой схемы. Цифровые сигнальные процессоры еще один пример.

Строительные блоки:

Высокоинтегрированные устройства:

Отвод тепла и управление температурой

Основная статья: Температурный менеджмент электронных устройств и систем

Высокая температура генерируемые электронными схемами должны рассеиваться, чтобы предотвратить немедленный отказ и повысить надежность в долгосрочной перспективе. Отвод тепла в основном достигается за счет пассивной теплопроводности / конвекции. Средства для достижения большего рассеивания включают: радиаторы и поклонники для воздушного охлаждения и других форм компьютерное охлаждение Такие как Водяное охлаждение. Эти методы используют конвекция, проводимость, и радиация тепловой энергии.

Шум

Основная статья: Электронный 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 термическим воздействием, что можно уменьшить, снизив Рабочая Температура схемы. Другие типы шума, например дробовой шум не могут быть удалены из-за ограничений физических свойств.

Теория электроники

Основная статья: Математические методы в электронике

Математические методы являются неотъемлемой частью изучения электроники. Чтобы стать специалистом в области электроники, необходимо также хорошо разбираться в математике анализа цепей.

Анализ схем - это изучение методов решения в целом линейных систем для неизвестных переменных, таких как напряжение при определенной узел или ток через определенный ответвляться из сеть. Обычным аналитическим инструментом для этого является СПЕЦИЯ схемотехнический симулятор.

Также для электроники важно изучение и понимание электромагнитное поле теория.

Лаборатория электроники

Основная статья: Моделирование электронной схемы

Из-за сложной природы теории электроники лабораторные эксперименты являются важной частью разработки электронных устройств. Эти эксперименты используются для проверки или проверки конструкции инженера и обнаружения ошибок. Исторически лаборатории электроники состояли из электронных устройств и оборудования, расположенных в физическом пространстве, хотя в последние годы наблюдается тенденция к использованию программного обеспечения для моделирования лабораторий электроники, такого как CircuitLogix, Multisim, и PSpice.

Компьютерное проектирование (САПР)

Основная статья: Автоматизация электронного проектирования

Сегодняшние инженеры-электронщики могут дизайн схемы с использованием готовых строительных блоков, таких как Источники питания, полупроводники (т.е. полупроводниковые устройства, такие как транзисторы ), и интегральные схемы. Автоматизация электронного проектирования программное обеспечение включает схематический захват программы и печатная плата дизайн-программы. Популярные имена в мире программного обеспечения EDA - NI Multisim, Cadence (ORCAD ), ОРЕЛ PCB and Schematic, Mentor (PADS PCB и LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad и многие другие.

Способы упаковки

Основная статья: Электронная упаковка

На протяжении многих лет использовалось множество различных методов соединения компонентов. Например, ранняя электроника часто использовалась точка-точка проводка с компонентами, прикрепленными к деревянным макетам для построения схем. Деревянное строительство и проволока были использованы другие методы. В большинстве современных электронных устройств используются печатные платы, изготовленные из таких материалов, как FR4, или более дешевую (и менее износостойкую) бумагу на синтетической смоле (SRBP, также известный как Паксолин / Паксолин (торговые марки) и FR2) - характеризуется коричневым цветом. Проблемы здоровья и окружающей среды, связанные со сборкой электроники, привлекли к себе повышенное внимание в последние годы, особенно в отношении продуктов, предназначенных для Европейского Союза, с его Директива об ограничении использования опасных веществ (RoHS) и Директива об отходах электрического и электронного оборудования (WEEE), который вступил в силу в июле 2006 г.

Проектирование электронных систем

Основная статья: Системная инженерия

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 ) для обеспечения его надлежащего функционирования, срока службы и утилизация.[33] Таким образом, проектирование электронных систем - это процесс определения и разработки сложных электронных устройств для удовлетворения заданных требований. требования пользователя.

Варианты монтажа

Электрические компоненты обычно устанавливаются следующим образом:

Электронная промышленность

Основная статья: Электронная промышленность
Дальнейшая информация: Бытовая электроника, Список самых продаваемых электронных устройств, и Полупроводниковая промышленность

В электронная промышленность состоит из различных секторов. Центральной движущей силой всей электронной промышленности является полупроводниковая промышленность сектор[34] который имеет годовой объем продаж более 481 миллиард долларов по состоянию на 2018 год.[35] Самый крупный отраслевой сектор - это электронная коммерция, который сформировался за 29 триллионов долларов в 2017 году.[36] В наиболее широко производимое электронное устройство это Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), примерно 13 секстиллион Полевые МОП-транзисторы производились с 1960 по 2018 год.[37]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Электроника | Устройства, факты и история". Энциклопедия Британника. Получено 19 сентября 2018.
  2. ^ «Октябрь 1897 года: открытие электрона». Получено 19 сентября 2018.
  3. ^ Флойд, Томас Л. (2017). Основы электроники: схемы, устройства и приложения. ISBN  978-1-292-23880-7. OCLC  1016966297.
  4. ^ Бозе, Бимал К., изд. (1996). Силовая электроника и частотно-регулируемые приводы: технологии и приложения. Интернет-библиотека Wiley. Дои:10.1002/9780470547113. ISBN  978-0-470-54711-3. S2CID  107126716.
  5. ^ Гварниери, М. (2012). «Эра электронных ламп: первые устройства и рост радиосвязи». IEEE Ind. Electron. M. 6 (1): 41–43. Дои:10.1109 / MIE.2012.2182822.CS1 maint: ref = harv (связь)
  6. ^ Гварниери, М. (2012). «Эпоха электронных ламп: покорение аналоговой связи». IEEE Ind. Electron. M. 6 (2): 52–54. Дои:10.1109 / MIE.2012.2193274.CS1 maint: ref = harv (связь)
  7. ^ Гварньери, М. (2012). «Эпоха вакуумных трубок: слияние с цифровыми вычислениями». IEEE Ind. Electron. M. 6 (3): 52–55. Дои:10.1109 / MIE.2012.2207830.CS1 maint: ref = harv (связь)
  8. ^ Сого Окамура (1994). История электронных ламп. IOS Press. п. 5. ISBN  978-90-5199-145-1. В архиве с оригинала 31 декабря 2013 г.. Получено 5 декабря 2012.
  9. ^ «1947: изобретение точечного транзистора». Музей истории компьютеров. Получено 10 августа 2019.
  10. ^ Баше, Чарльз Дж .; и другие. (1986). Ранние компьютеры IBM. Массачусетский технологический институт. п.386.CS1 maint: ref = harv (связь)
  11. ^ 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.CS1 maint: ref = harv (связь)
  12. ^ а б Московиц, Сэнфорд Л. (2016). Передовые инновации в материалах: управление глобальными технологиями в 21 веке. Джон Уайли и сыновья. п. 168. ISBN  978-0-470-50892-3.
  13. ^ «1960 - Демонстрация металлооксидного полупроводникового (МОП) транзистора». Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров.
  14. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники. Springer Science & Business Media. С. 321–3. ISBN  978-3-540-34258-8.
  15. ^ а б "Кто изобрел транзистор?". Музей истории компьютеров. 4 декабря 2013 г.. Получено 20 июля 2019.
  16. ^ а б «Триумф МОП-транзистора». YouTube. Музей истории компьютеров. 6 августа 2010 г.. Получено 21 июля 2019.
  17. ^ Мотоёси, М. (2009). «Сквозное кремниевое соединение (TSV)». Труды IEEE. 97 (1): 43–48. Дои:10.1109 / JPROC.2008.2007462. ISSN  0018-9219. S2CID  29105721.
  18. ^ «Черепаха транзисторов побеждает в гонке - революция CHM». Музей истории компьютеров. Получено 22 июля 2019.
  19. ^ «Транзисторы поддерживают закон Мура». EETimes. 12 декабря 2018 г.. Получено 18 июля 2019.
  20. ^ Чан, Йи-Джен (1992). Исследования гетероструктурных полевых транзисторов InAIA / InGaAs и GaInP / GaAs для высокоскоростных приложений. университет Мичигана. п. 1. Si MOSFET произвел революцию в электронной промышленности и в результате влияет на нашу повседневную жизнь почти всеми мыслимыми способами.
  21. ^ Грант, Дункан Эндрю; Говар, Джон (1989). Силовые МОП-транзисторы: теория и приложения. Wiley. 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.
  22. ^ Голио, Майк; Голио, Джанет (2018). ВЧ и СВЧ пассивные и активные технологии. CRC Press. С. 18–2. ISBN  978-1-4200-0672-8.
  23. ^ Дэниелс, Ли А. (28 мая 1992 г.). "Доктор Давон Кан, 61 год, изобретатель в области твердотельной электроники". Нью-Йорк Таймс. Получено 1 апреля 2017.
  24. ^ 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.
  25. ^ Уильямс, Дж. Б. (2017). Революция в электронике: изобретая будущее. Springer. п. 75. ISBN  978-3-319-49088-5. Хотя в то время эти устройства не вызывали особого интереса, именно эти устройства Metal Oxide Semiconductor MOS должны были иметь огромное влияние в будущем.
  26. ^ Зимбовская, Наталья А. (2013). Транспортные свойства молекулярных переходов.. Springer. п. 231. ISBN  978-1-4614-8011-2.
  27. ^ Реймер, Майкл Г. (2009). Кремниевая паутина: физика для эпохи Интернета. CRC Press. п. 365. ISBN  978-1-4398-0312-7.
  28. ^ Вонг, Кит По (2009). Электротехника - Том II. Публикации EOLSS. п. 7. ISBN  978-1-905839-78-0.
  29. ^ Кубозоно, Йошихиро; 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.
  30. ^ Cerofolini, Джанфранко (2009). Наноразмерные устройства: изготовление, функционализация и доступность из макроскопического мира. Springer Science & Business Media. п. 9. ISBN  978-3-540-92732-7.
  31. ^ Thompson, S.E .; Chau, R. S .; Ghani, T .; Mistry, K .; 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. Дои:10.1109 / TSM.2004.841816. ISSN  0894-6507. В области электроники планарный полевой транзистор Si металл – оксид – полупроводник (MOSFET), пожалуй, является наиболее важным изобретением.
  32. ^ Словарь терминов по электротехнике и электронике IEEE ISBN  978-0-471-42806-0
  33. ^ Дж. Лиениг; Х. Брюммер (2017). Основы проектирования электронных систем. Издательство Springer International. п. 1. Дои:10.1007/978-3-319-55840-0. ISBN  978-3-319-55839-4.
  34. ^ «Ежегодный рост продаж полупроводников на 21,6%, впервые в мире превысил $ 400 млрд». Ассоциация полупроводниковой промышленности. 5 февраля 2018 г.. Получено 11 октября 2019.
  35. ^ «Полупроводники - следующая волна» (PDF). Делойт. Апрель 2019. Получено 11 октября 2019.
  36. ^ «Мировые продажи электронной коммерции выросли до 29 триллионов долларов». Конференция Организации Объединенных Наций по торговле и развитию. 29 марта 2019 г.. Получено 13 октября 2019.
  37. ^ "13 секстиллионов и счет: длинный и извилистый путь к самому часто производимому человеческому артефакту в истории". Музей истории компьютеров. 2 апреля 2018 г.. Получено 28 июля 2019.

дальнейшее чтение

  • Искусство электроники ISBN  978-0-521-37095-0

внешняя ссылка