Elektronik (från grekiskan Ηλεκτρόνιο " elektron ") är ett vetenskaps- och teknikområde som handlar om skapande och praktisk användning av olika elektroniska enheter och enheter [1] , vars arbete bygger på att förändra koncentrationen och rörelsen av laddade partiklar (elektroner) ) i vakuum , gas eller fasta kristallina kroppar och andra fysikaliska fenomen (NBIC).
Även förkortad benämning av elektronisk utrustning .
Uppkomsten av elektronik föregicks av upptäckten och studien av elektricitet, elektromagnetism och sedan - uppfinningen av radio . Eftersom radiosändare omedelbart fann tillämpning (främst på fartyg och i militära angelägenheter ), krävde de en elementbas, vars skapelse och studie togs upp av elektronik. Den första generationens elementbas var baserad på vakuumrör . Följaktligen utvecklades vakuumelektronik . Dess utveckling underlättades också av uppfinningen av television och radar , som användes flitigt under andra världskriget [2] [3] .
Men vakuumrör hade betydande nackdelar. Först och främst är dessa stora storlekar och hög strömförbrukning (vilket var avgörande för bärbara enheter). Därför började halvledarelektronik att utvecklas, och dioder och transistorer började användas som elementbas .
Elektronikens vidareutveckling är förknippad med datorernas tillkomst . Transistorbaserade datorer kännetecknades av stor storlek och strömförbrukning, samt låg tillförlitlighet (på grund av det stora antalet delar). För att lösa dessa problem började mikroenheter användas och sedan mikrokretsar . Antalet mikrokretselement ökade gradvis, mikroprocessorer började dyka upp . För närvarande underlättas utvecklingen av elektronik av uppkomsten av cellulär kommunikation , såväl som olika trådlösa enheter, navigatorer , kommunikatörer , surfplattor , etc.
I Ryssland, A. S. Popovs vetenskapliga aktivitet och början av användningen av trådlös telegrafutrustning, uppfinningen av tubutlösaren av M. Bonch-Bruevich 1918 [4] , användningen av ett halvledarelement av Losev för att förstärka och generera elektriska signaler [5] bidrog till uppkomsten och utvecklingen av elektronik. ] , användningen av ledande och halvledarelement i Ioffes verk och utvecklingen av GaAs/AlAs-halvledarbasen och deras ternära lösningar i Alferovs laboratorium [6] .
Före tillkomsten av elektroniska datorer utfördes logiska operationer på elektromekaniska eller mekaniska reläer. 1943 utförde den elektromekaniska datorn Mark-1 en additionsoperation på 0,3 sekunder [7] . Men redan i mitten av 1900-talet började man använda elektrovakuumanordningen som uppfanns av Lieben (1912) [8] och Lee de Forest (1906) - en triod [4] , vars ström kunde styras med hjälp av ett rutnät , vilket gjorde det möjligt att styra signalen [9] . 1939 dök den första vakuumrörsdatorn upp ( J. Atanasov ), där beräkningar gjordes med hjälp av logiska operationer [10] . 1946 dök den elektriska vakuumdatorn Eniac upp , innehållande 17 468 lampor som måste kontrolleras under installationen. Denna maskin kunde utföra 5 000 tillägg per sekund [11] .
Tillkomsten av den första transistorn 1947 , skapad av William Shockley , John Bardeen och Walter Brattain , gjorde det möjligt att byta till solid-state logik [12] , och den efterföljande uppfinningen av metall-oxid-halvledarstrukturen blev den viktigaste milstolpe i utvecklingen av elektronik [13] , vilket ledde till skapandet av en integrerad mikrokretsar och den efterföljande utvecklingen av mikroelektronik, huvudområdet för modern elektronik [14] [15] .
Följande områden inom elektronik kan särskiljas:
En elektronisk anordning kan inkludera en mängd olika material och miljöer där elektrisk signalbehandling sker med hjälp av olika fysiska processer. Men i alla enheter finns det alltid en elektrisk krets .
Många vetenskapliga discipliner vid tekniska universitet ägnas åt studier av olika aspekter av elektronik .
Termen halvledarelektronik dök upp i litteraturen i mitten av 1900-talet för att hänvisa till enheter baserade på en halvledarelementbas: transistorer och halvledardioder, som ersatte skrymmande lågeffektiva elektriska vakuumenheter - radiorör. Roten "fast" används här eftersom processen att styra den elektriska strömmen sker i en solid kropp av en halvledare, till skillnad från ett vakuum, som det gjorde i ett vakuumrör. Senare, i slutet av 1900-talet, förlorade denna term sin betydelse och föll gradvis ur bruk, eftersom nästan all elektronik i vår civilisation började använda uteslutande halvledarbas för aktiva element i fast tillstånd.
EnhetsminiatyriseringMed födelsen av solid state-elektronik började en revolutionerande snabb process för miniatyrisering av elektroniska enheter. Under flera decennier har aktiva element minskat kraftigt: om lampornas dimensioner var flera centimeter, är dimensionerna på moderna transistorer integrerade på ett halvledarchip tiotals nanometer. Moderna integrerade kretsar kan innehålla flera miljarder av dessa transistorer.
Aktiva och passiva element i solid state elektronik skapas på en homogen ultraren halvledarkristall, oftast kisel, genom injektion eller avsättning av nya lager i vissa koordinater av kristallkroppen av atomer av andra kemiska grundämnen, mer komplexa molekyler, bl.a. organiska ämnen. Injektion ändrar egenskaperna hos halvledaren på injektionsstället (dopning) genom att ändra dess ledningsförmåga till omvänd, vilket skapar en diod eller transistor eller ett passivt element: motstånd, ledare, kondensator eller induktor, isolator, kylfläns och andra strukturer. På senare år har tekniken att producera ljuskällor på ett chip blivit utbredd. Ett stort antal upptäckter och utvecklade tekniker för användning av solid state-teknologier finns fortfarande i kassaskåpen hos patentinnehavare och väntar i kulisserna.
Tekniken för att erhålla halvledarkristaller, vars renhet gör att du kan skapa element med en storlek på flera nanometer, började kallas nanoteknik , och sektionen av elektronik - mikroelektronik.
På 1970-talet, i processen för miniatyrisering av halvledarelektronik, skedde en uppdelning i analog och digital mikroelektronik. Under konkurrensförhållandena på marknaden för tillverkare av elementbasen vann tillverkarna av digital elektronik. Och på 2000-talet stoppades praktiskt taget produktionen och utvecklingen av analog elektronik. Eftersom i verkligheten alla konsumenter av mikroelektronik kräver av det, som regel, inte digitala, utan kontinuerliga analoga signaler eller åtgärder, är digitala enheter utrustade med DAC:er vid sina ingångar och utgångar.
Miniatyriseringen av elektroniska kretsar åtföljdes av en ökning av enhetens hastighet. Så de första digitala enheterna med TTL -teknik krävde mikrosekunder för att växla från ett tillstånd till ett annat och förbrukade en stor ström, vilket krävde speciella åtgärder för att avlägsna värme.
I början av 2000-talet stoppades gradvis utvecklingen av halvledarelektronik i riktning mot miniatyrisering av element och stoppas nu praktiskt taget. Detta stopp var förutbestämt av uppnåendet av minsta möjliga storlekar av transistorer, ledare och andra element på en halvledarkristall som fortfarande är kapabla att ta bort värmen som frigörs under strömflödet och inte förstörs. Dessa storlekar har nått enheter av nanometer och därför kallas tekniken för att tillverka mikrochips för nanoteknik .
Nästa steg i elektronikens utveckling kommer troligen att vara optoelektronik, där bärarelementet kommer att vara en foton, som är mycket mer rörlig, mindre tröghet än en elektron / "hål" i en halvledare av halvledarelektronik.
De huvudsakliga solid-state aktiva enheterna som används i elektroniska enheter är:
Exempel på användning av solid state-enheter inom elektronik:
Eftersom analoga och digitala kretsar kodar information olika, har de också olika signalbehandlingsprocesser. Det bör noteras att alla operationer som kan utföras på en analog signal (i synnerhet förstärkning, filtrering, räckviddsbegränsning, etc.) också kan utföras med hjälp av digital elektronik och mjukvarusimuleringsmetoder i mikroprocessorer.
Huvudskillnaden mellan analog och digital elektronik kan hittas i de mest karakteristiska sätten att koda information för en viss elektronik.
Analog elektronik använder den enklaste proportionella endimensionella kodningen - reflektionen av informationskällans fysiska parametrar till liknande fysiska parametrar för det elektriska fältet eller spänningen (amplituder till amplituder, frekvenser till frekvenser, faser i faser, etc.).
Digital elektronik använder n-dimensionell kodning av datakällans fysiska parametrar. Minimum inom digital elektronik används tvådimensionell kodning: spänning (ström) och tidsmoment. Denna redundans accepteras endast för garanterad dataöverföring med alla programmerbara nivåer av brus och distorsion läggs till i enheten till den ursprungliga signalen. I mer komplexa digitala kretsar används metoder för mjukvarumikroprocessorbehandling av information. Digitala dataöverföringsmetoder gör det möjligt att faktiskt skapa fysiska dataöverföringskanaler helt utan förlust (ingen ökning av brus och andra förvrängningar)
I fysisk mening skiljer sig beteendet hos alla digitala elektroniska kretsar och hela enheten inte från beteendet hos en analog elektronisk enhet eller krets och kan beskrivas av teorin och reglerna som beskriver hur analoga elektroniska enheter fungerar.
I enlighet med hur information kodas i analoga kretsar är de mycket mer sårbara för effekterna av brus än digitala kretsar. En liten signalförändring kan göra betydande modifieringar av den överförda informationen och i slutändan leda till att den försvinner; i sin tur antar digitala signaler bara ett av två möjliga värden, och för att orsaka ett fel måste bruset vara ungefär hälften av deras totala värde. Denna egenskap hos digitala kretsar kan användas för att öka motståndet hos signaler mot störningar. Dessutom tillhandahålls brusmotåtgärder med hjälp av signalåtervinning vid varje logisk grind, vilka reducerar eller eliminerar interferens; en sådan mekanism blir möjlig på grund av kvantiseringen av digitala signaler [16] . Så länge signalen förblir inom ett visst värdeintervall är den associerad med samma information.
Brus är en av nyckelfaktorerna som påverkar signalnoggrannheten ; det är främst bruset som finns i den ursprungliga signalen och störningarna som introduceras under dess överföring (se signal-brusförhållande ). Grundläggande fysiska begränsningar - till exempel den sk. Skottbrus i komponenter – sätter gränser för upplösningen av analoga signaler . I digital elektronik tillhandahålls ytterligare noggrannhet genom användningen av hjälpbitar som karakteriserar signalen; deras antal beror på prestandan hos analog-till-digital-omvandlaren (ADC) [17] .
Analoga kretsar är svårare att designa än jämförbara digitala kretsar; detta är en av anledningarna till att digitala system har blivit mer utbredda än analoga system. Den analoga kretsen är designad för hand, och processen att skapa den ger mindre utrymme för automatisering . Det bör dock noteras att för att kunna interagera med miljön i en eller annan form behöver en digital elektronisk enhet ett analogt gränssnitt [18] . Till exempel har en digital radio en analog förförstärkare, som är den första länken i mottagningskedjan.
Elektroniska kretsar och deras komponenter kan delas in i två nyckeltyper beroende på de allmänna principerna för deras funktion: analog (kontinuerlig) och digital (diskret). En och samma enhet kan bestå av kretsar av samma typ, eller en blandning av båda typerna i varierande proportioner.
I grund och botten är analoga elektroniska enheter och enheter ( till exempel radiomottagare ) strukturellt sett en kombination av flera olika baskretsar. Analoga kretsar använder ett kontinuerligt spänningsområde , i motsats till de diskreta nivåerna som finns i digitala kretsar. För närvarande har ett betydande antal olika analoga kretsar utvecklats - i synnerhet deras antal är stort på grund av det faktum att man med "krets" kan förstå många saker: från en enskild komponent till ett helt system som består av tusentals element . Analoga kretsar kallas ibland också linjära (även om det bör noteras att i vissa av deras typer - omvandlare , till exempel, eller modulatorer , används många icke-linjära effekter också). Typiska exempel på analoga kretsar inkluderar vakuumrör och transistorförstärkare, operationsförstärkare och oscillatorer .
I dagsläget är det svårt att hitta en sådan elektronisk krets som skulle vara helt analog. Nu använder analoga kretsar digital eller till och med mikroprocessorteknik för att öka sin prestanda . En sådan krets kallas vanligtvis inte analog eller digital, utan blandad. I vissa fall är det svårt att göra en tydlig skillnad mellan kontinuerliga och diskreta kretsar - på grund av att båda innehåller element av både linjär och icke-linjär karaktär. Ett exempel är, säg, en komparator : när den tar emot ett kontinuerligt spänningsområde vid ingången, producerar den samtidigt endast en av två möjliga signalnivåer vid utgången , som en digital krets. På liknande sätt kan en överbelastad transistorförstärkare anta egenskaperna hos en kontrollerad switch som också har två utgångsnivåer.
Digitala kretsar inkluderar kretsar baserade på två eller flera diskreta spänningsnivåer [19] . De representerar den mest typiska fysiska implementeringen av boolesk algebra och utgör grunden för alla digitala datorer. Termerna "digital krets", "digitalt system" och "logisk krets" anses ofta vara synonyma. För digitala kretsar är som regel ett binärt system med två spänningsnivåer karakteristiskt, vilket motsvarar en logisk nolla respektive en logisk. Ofta motsvarar den första lågspänningen och den andra till hög, även om det också finns omvända alternativ. Ternära logiska kretsar (det vill säga med tre möjliga tillstånd) studerades också, och försök gjordes att bygga datorer baserade på dem. Förutom datorer utgör digitala kretsar basen för elektroniska klockor och programmerbara logiska styrenheter (används för att styra industriella processer); Ett annat exempel är digitala signalprocessorer .
De grundläggande strukturella elementen av denna typ inkluderar:
Mycket integrerade enheter:
och så vidare.
Elektroniska enheters tillförlitlighet består av själva enhetens tillförlitlighet och strömförsörjningens tillförlitlighet . Tillförlitligheten hos den elektroniska enheten i sig består av tillförlitligheten hos element, anslutningarnas tillförlitlighet, kretsens tillförlitlighet, etc. Grafiskt visas elektroniska enheters tillförlitlighet av felkurvan (beroende av antalet fel på driften tid). En typisk brottkurva har tre segment med olika lutningar. I den första sektionen minskar antalet fel, i den andra sektionen stabiliserar sig antalet fel och är nästan konstant tills den tredje sektionen, i den tredje sektionen växer antalet fel konstant tills enheten är helt oanvändbar.
Under hela utvecklingen av radioelektronikapparater och komponenter fanns det ett behov av en objektiv bedömning av hälsan och parametrarna för både enskilda radiokomponenter och färdiga produkter. Detta ledde till och leder till behovet av att ha en flotta av mätinstrument. Deras funktionella egenskaper är mycket olika. Samtidigt är själva mätinstrumenten också ett separat område inom elektroniken. Noggrannheten hos mätutrustning är den viktigaste faktorn som kvaliteten på radioutrustningen som utvecklats och felsöks med deras hjälp direkt beror på. Lika viktigt är att mätmetoden följs (se Metrology ). De mest exakta instrumenten används för speciella tillämpningar och är inte tillgängliga för de flesta designers. Ingångsenheter ( multimeter , laboratorieströmförsörjning ) tillverkades ofta av entusiaster på egen hand.
Ordböcker och uppslagsverk | ||||
---|---|---|---|---|
|