Elektronik

Elektronik (fra græsk Ηλεκτρόνιο  " elektron ") er et videnskabs- og teknologiområde , der beskæftiger sig med skabelse og praktisk brug af forskellige elektroniske enheder og enheder [1] , hvis arbejde er baseret på at ændre koncentrationen og bevægelsen af ​​ladede partikler (elektroner) ) i vakuum , gas eller faste krystallinske legemer og andre fysiske fænomener (NBIC).

Også forkortet navngivning af elektronisk udstyr .

Historie

Fremkomsten af ​​elektronik blev forudgået af opdagelsen og undersøgelsen af ​​elektricitet, elektromagnetisme og derefter - opfindelsen af ​​radio . Da radiosendere straks fandt anvendelse (primært på skibe og i militære anliggender ), krævede de en elementbase, hvis oprettelse og undersøgelse blev taget op af elektronik. Grundlaget for den første generation var baseret på vakuumrør . Derfor udviklede vakuumelektronik . Dens udvikling blev også lettet af opfindelsen af ​​fjernsyn og radar , som blev meget brugt under Anden Verdenskrig [2] [3] .

Men vakuumrør havde betydelige ulemper. Først og fremmest er disse store størrelser og højt strømforbrug (hvilket var afgørende for bærbare enheder). Derfor begyndte solid-state elektronik at udvikle sig, og dioder og transistorer begyndte at blive brugt som grundstofbasen .

Den videre udvikling af elektronik er forbundet med computernes fremkomst . Transistorbaserede computere var kendetegnet ved stor størrelse og strømforbrug samt lav pålidelighed (på grund af det store antal dele). For at løse disse problemer begyndte man at bruge mikrosamlinger og derefter mikrokredsløb . Antallet af mikrokredsløbselementer steg gradvist, mikroprocessorer begyndte at dukke op . I øjeblikket er udviklingen af ​​elektronik lettet af fremkomsten af ​​cellulær kommunikation såvel som forskellige trådløse enheder, navigatorer , kommunikatorer , tablets osv.

I Rusland, den videnskabelige aktivitet af A. S. Popov og begyndelsen af ​​brugen af ​​trådløst telegrafudstyr, opfindelsen af ​​rørudløseren af ​​M. Bonch-Bruevich i 1918 [4] , brugen af ​​et halvlederelement af Losev til at forstærke og generere elektriske signaler [5] bidrog til fremkomsten og udviklingen af ​​elektronik.] , brugen af ​​ledende og halvlederelementer i Ioffes værker og udviklingen af ​​GaAs/AlAs halvlederbasen og deres ternære løsninger i Alferovs laboratorium [6] .

Før fremkomsten af ​​elektroniske computere blev logiske operationer udført på elektromekaniske eller mekaniske relæer. I 1943 udførte den elektromekaniske Mark-1- computer en additionsoperation på 0,3 sekunder [7] . Men allerede i midten af ​​det 20. århundrede begyndte man at bruge elektrovakuumapparatet opfundet af Lieben (1912) [8] og Lee de Forest (1906)  - en triode [4] , hvis strøm kunne styres ved hjælp af et gitter , hvilket gjorde det muligt at styre signalet [9] . I 1939 dukkede den første vakuumrørcomputer op ( J. Atanasov ), hvor der blev foretaget beregninger ved hjælp af logiske operationer [10] . I 1946 dukkede den elektriske støvsugercomputer Eniac op , som indeholdt 17.468 lamper, der skulle kontrolleres under installationen. Denne maskine kunne udføre 5.000 tilføjelser i sekundet [11] .

Fremkomsten af ​​den første transistor i 1947 , skabt af William Shockley , John Bardeen og Walter Brattain , gjorde det muligt at skifte til solid-state logik [12] , og den efterfølgende opfindelse af metal-oxid-halvlederstrukturen blev den vigtigste milepæl i udviklingen af ​​elektronik [13] , som førte til skabelsen af ​​et integreret mikrokredsløb og den efterfølgende udvikling af mikroelektronik, hovedområdet for moderne elektronik [14] [15] .

Områder inden for elektronik

Følgende områder inden for elektronik kan skelnes:

En elektronisk enhed kan omfatte en lang række materialer og miljøer, hvor elektrisk signalbehandling finder sted ved hjælp af forskellige fysiske processer. Men i enhver enhed er der altid et elektrisk kredsløb .

Mange videnskabelige discipliner af tekniske universiteter er afsat til studiet af forskellige aspekter af elektronik .

Solid State Electronics

Historien om solid state elektronik

Udtrykket solid-state elektronik dukkede op i litteraturen i midten af ​​det 20. århundrede for at henvise til enheder baseret på en halvlederelementbase: transistorer og halvlederdioder, som erstattede voluminøse laveffektive elektriske vakuumenheder - radiorør. Roden "fast" bruges her, fordi processen med at styre den elektriske strøm foregår i et fast legeme af en halvleder, i modsætning til et vakuum, som det gjorde i et vakuumrør. Senere, i slutningen af ​​det 20. århundrede, mistede dette udtryk sin betydning og faldt gradvist ud af brug, da næsten al elektronikken i vores civilisation begyndte at bruge udelukkende halvleder solid-state aktive element base.

Enhedsminiaturisering

Med fødslen af ​​solid-state elektronik begyndte en revolutionerende hurtig proces med miniaturisering af elektroniske enheder. I flere årtier er aktive elementer faldet kraftigt: Hvis lampernes dimensioner var flere centimeter, er dimensionerne af moderne transistorer integreret på en halvlederchip snesevis af nanometer. Moderne integrerede kredsløb kan indeholde flere milliarder af disse transistorer.

Teknologi til at opnå elementer

Aktive og passive elementer i faststofelektronik skabes på en homogen ultraren halvlederkrystal, oftest silicium, ved indsprøjtning eller aflejring af nye lag i bestemte koordinater af krystallegemet af atomer af andre kemiske grundstoffer, mere komplekse molekyler, bl.a. organiske stoffer. Injektion ændrer egenskaberne af halvlederen på injektionsstedet (doping) ved at ændre dens ledningsevne til at vende, og dermed skabe en diode eller transistor eller passivt element: modstand, leder, kondensator eller induktor, isolator, køleplade og andre strukturer. I de senere år er teknologien til at producere lyskilder på en chip blevet udbredt. Et stort antal opdagelser og udviklede teknologier til brug af solid state-teknologier er stadig i pengeskabe hos patenthavere og venter i kulissen.

Teknologien til opnåelse af halvlederkrystaller, hvis renhed giver dig mulighed for at skabe elementer med en størrelse på flere nanometer, begyndte at blive kaldt nanoteknologi , og sektionen af ​​elektronik - mikroelektronik.

I 1970'erne, i processen med miniaturisering af solid-state elektronik, skete der en opdeling i analog og digital mikroelektronik. I konkurrencevilkårene på markedet for producenter af elementbasen vandt producenterne af digital elektronik. Og i det 21. århundrede blev produktionen og udviklingen af ​​analog elektronik praktisk talt stoppet. Da i virkeligheden alle forbrugere af mikroelektronik kræver af det, som regel ikke digitale, men kontinuerlige analoge signaler eller handlinger, er digitale enheder udstyret med DAC'er ved deres ind- og udgange.

Miniaturiseringen af ​​elektroniske kredsløb blev ledsaget af en stigning i enhedernes hastighed. Så de første digitale TTL -teknologienheder krævede mikrosekunder for at skifte fra en tilstand til en anden og forbrugte en stor strøm, hvilket krævede særlige foranstaltninger for at fjerne varme.

I begyndelsen af ​​det 21. århundrede stoppede udviklingen af ​​faststofelektronik i retning af miniaturisering af elementer gradvist og er nu praktisk talt stoppet. Dette stop blev forudbestemt af opnåelsen af ​​de mindst mulige størrelser af transistorer, ledere og andre elementer på en halvlederkrystal, der stadig er i stand til at fjerne den varme, der frigives under strømmen og ikke bliver ødelagt. Disse størrelser har nået enheder på nanometer, og derfor kaldes teknologien til fremstilling af mikrochips nanoteknologi .

Det næste trin i udviklingen af ​​elektronik vil sandsynligvis være optoelektronik, hvor bæreelementet vil være en foton, som er meget mere mobil, mindre inerti end en elektron / "hul" i en halvleder af solid state elektronik.

Grundlæggende solid state-enheder

De vigtigste solid-state aktive enheder, der bruges i elektroniske enheder, er:

  • En diode  er en leder med ensidig ledning fra anoden til katoden. Sorter: tunneldiode , lavine-span-diode , Gunn -diode , Schottky-diode osv.;
  • Bipolære transistorer  - transistorer med to fysiske pn-forbindelser , hvis kollektor-emitter-strøm styres af basis-emitter-strømmen;
  • Felteffekttransistor  - en transistor, hvis Source-Drain-strøm styres af spændingen ved pn- eller np-forbindelsen Gate-Drain eller potentialet på den i transistorer uden fysisk overgang - med en gate galvanisk isoleret fra Afløb-kilde kanal;
  • Dioder med kontrolleret ledningsevne dinistorer og tyristorer , der anvendes som afbrydere, lysdioder og fotodioder, der anvendes som omformere af e/m-stråling til elektriske signaler eller elektrisk energi eller omvendt;
  • Et integreret kredsløb  er en kombination af aktive og passive solid state-elementer på en eller flere krystaller i én pakke, brugt som et modul, et elektronisk kredsløb i analog og digital mikroelektronik.

Eksempler på brug

Eksempler på brugen af ​​solid state-enheder i elektronik:

  • Spændingsmultiplikator på en ensretterdiode;
  • Frekvensmultiplikator på en ikke-lineær diode;
  • Emitterfølger (spænding) på en bipolær transistor;
  • Samlerforstærker (effekt) på en bipolær transistor;
  • Induktansemulator på integrerede kredsløb, kondensatorer og modstande;
  • Indgangsmodstandskonverter på en felt- eller bipolær transistor, på et integreret kredsløb af en operationsforstærker i analog og digital mikroelektronik;
  • Elektrisk signalgenerator på en feltdiode, Schottky-diode, transistor eller integreret kredsløb i AC-signalgeneratorer;
  • Spændings ensretter på en ensretterdiode i vekselstrømkredsløb i en række forskellige enheder;
  • En kilde til stabil spænding på en zenerdiode i spændingsstabilisatorer;
  • En kilde til stabil spænding på en ensretterdiode i base-emitterspændingsforspændingskredsløbene i en bipolær transistor;
  • Lysemitterende element i en belysningsenhed på en LED ;
  • Lysemitterende element i optoelektronik baseret på LED ;
  • Lysmodtagende element i optoelektronik på en fotodiode ;
  • Lysmodtagende element i solpaneler på solenergianlæg;
  • Effektforstærker på en bipolær eller felteffekttransistor, på et integreret kredsløb, Effektforstærker i udgangstrinene for signaleffektforstærkere, AC og DC;
  • Logisk element på en transistor, dioder eller på et integreret kredsløb af digital elektronik;
  • Hukommelsescelle på en eller flere transistorer i hukommelseschips;
  • Højfrekvent forstærker på en transistor;
  • Digital signalprocessor på et integreret kredsløb af en digital mikroprocessor;
  • Analog signalprocessor baseret på transistorer, analog mikroprocessor integreret kredsløb eller operationsforstærkere ;
  • Computerudstyr baseret på integrerede kredsløb eller transistorer;
  • Indgangstrinnet for en operations- eller differentialforstærker på en transistor;
  • Elektronisk nøgle i signalomskifterkredsløb på en felteffekttransistor med en isoleret port;
  • Elektronisk nøgle i skemaer med hukommelse på Schottky-dioden.

Vigtigste forskelle mellem analog og digital elektronik

Da analoge og digitale kredsløb koder information forskelligt, har de også forskellige signalbehandlingsprocesser. Det skal bemærkes, at alle operationer, der kan udføres på et analogt signal (især forstærkning, filtrering, rækkeviddebegrænsning osv.) også kan udføres ved hjælp af digital elektronik og softwaresimuleringsmetoder i mikroprocessorer.

Hovedforskellen mellem analog og digital elektronik kan findes i de mest karakteristiske måder at indkode information for en bestemt elektronik på.

Analog elektronik bruger den enkleste proportionelle endimensionelle kodning - afspejlingen af ​​informationskildens fysiske parametre til lignende fysiske parametre for det elektriske felt eller spænding (amplituder til amplituder, frekvenser til frekvenser, faser i faser osv.).

Digital elektronik anvender n-dimensionel kodning af datakildens fysiske parametre. Minimum i digital elektronik anvendes todimensionel kodning: spænding (strøm) og tidspunkter. Denne redundans accepteres udelukkende til garanteret datatransmission med et hvilket som helst programmerbart niveau af støj og forvrængning tilføjet i enheden til det originale signal. I mere komplekse digitale kredsløb anvendes metoder til softwaremikroprocessorbehandling af information. Digitale datatransmissionsmetoder gør det muligt rent faktisk at skabe fysiske datatransmissionskanaler uden tab (ingen stigning i støj og andre forvrængninger)

I fysisk forstand er adfærden af ​​ethvert digitalt elektronisk kredsløb og hele enheden ikke forskellig fra adfærden for en analog elektronisk enhed eller kredsløb og kan beskrives ved teorien og reglerne, der beskriver funktionen af ​​analoge elektroniske enheder.

Støj

I overensstemmelse med den måde, information kodes på i analoge kredsløb, er de meget mere sårbare over for virkningerne af støj end digitale kredsløb. En lille signalændring kan foretage væsentlige ændringer af den transmitterede information og i sidste ende føre til dens tab; til gengæld antager digitale signaler kun én af to mulige værdier, og for at forårsage en fejl skal støjen være omkring halvdelen af ​​deres samlede værdi. Denne egenskab ved digitale kredsløb kan bruges til at øge modstanden af ​​signaler over for interferens. Derudover er der tilvejebragt støjmodforanstaltninger ved hjælp af signalgendannelse ved hver logisk gate, som reducerer eller eliminerer interferens; en sådan mekanisme bliver mulig på grund af kvantiseringen af ​​digitale signaler [16] . Så længe signalet forbliver inden for et bestemt værdiområde, er det forbundet med den samme information.

Støj er en af ​​de vigtigste faktorer, der påvirker signalets nøjagtighed ; det er hovedsageligt den støj, der er til stede i det originale signal, og den interferens, der indføres under dets transmission (se signal-til-støj-forhold ). Grundlæggende fysiske begrænsninger – for eksempel de såkaldte. Skudstøj i komponenter - sætter grænser for opløsningen af ​​analoge signaler . I digital elektronik tilvejebringes yderligere nøjagtighed ved brug af hjælpebits, der karakteriserer signalet; deres antal afhænger af ydeevnen af ​​analog-til-digital-konverteren (ADC) [17] .

Udviklingens kompleksitet

Analoge kredsløb er sværere at designe end sammenlignelige digitale kredsløb; dette er en af ​​grundene til, at digitale systemer er blevet mere udbredte end analoge systemer. Det analoge kredsløb er designet i hånden, og processen med at skabe det giver mindre muligheder for automatisering . Det skal dog bemærkes, at for at kunne interagere med miljøet i en eller anden form, har en digital elektronisk enhed brug for en analog grænseflade [18] . For eksempel har en digital radio en analog forforstærker, som er det første led i modtagekæden.

Typologi af skemaer

Elektroniske kredsløb og deres komponenter kan opdeles i to nøgletyper afhængigt af de generelle principper for deres drift: analog (kontinuerlig) og digital (diskret). En og samme enhed kan bestå af kredsløb af samme type, eller en blanding af begge typer i varierende proportioner.

Analoge kredsløb

Grundlæggende er analoge elektroniske enheder og enheder ( f.eks. radiomodtagere ) strukturelt en kombination af flere varianter af grundlæggende kredsløb. Analoge kredsløb bruger et kontinuerligt spændingsområde i modsætning til de diskrete niveauer, der findes i digitale kredsløb. I øjeblikket er der udviklet et betydeligt antal forskellige analoge kredsløb - især deres antal er stort på grund af det faktum, at man ved "kredsløb" kan forstå mange ting: fra en enkelt komponent til et helt system bestående af tusindvis af elementer . Analoge kredsløb kaldes nogle gange også lineære (selvom det skal bemærkes, at i nogle af deres typer - for eksempel konvertere eller modulatorer , bruges mange ikke-lineære effekter også). Typiske eksempler på analoge kredsløb omfatter vakuumrør og transistorforstærkere, operationsforstærkere og oscillatorer .

På nuværende tidspunkt er det svært at finde et sådant elektronisk kredsløb, der ville være fuldstændig analogt. Nu bruger analoge kredsløb digitale eller endda mikroprocessorteknologier til at øge deres ydeevne . Et sådant kredsløb kaldes normalt ikke analogt eller digitalt, men blandet. I nogle tilfælde er det vanskeligt at skelne klart mellem kontinuerte og diskrete kredsløb - på grund af det faktum, at de begge indeholder elementer af både lineær og ikke-lineær karakter. Et eksempel er f.eks. en komparator : ved at modtage et kontinuerligt spændingsområde ved indgangen, producerer den samtidig kun et af to mulige signalniveauer ved udgangen , som et digitalt kredsløb. På samme måde kan en overbelastet transistorforstærker påtage sig egenskaberne fra en styret switch, der også har to udgangsniveauer.

Digitale kredsløb

Digitale kredsløb omfatter kredsløb baseret på to eller flere diskrete spændingsniveauer [19] . De repræsenterer den mest typiske fysiske implementering af boolsk algebra og danner det elementære grundlag for alle digitale computere. Udtrykkene "digitalt kredsløb", "digitalt system" og "logisk kredsløb" betragtes ofte som synonyme. For digitale kredsløb er som regel et binært system med to spændingsniveauer karakteristisk, som svarer til henholdsvis et logisk nul og et logisk. Ofte svarer den første til lav spænding og den anden til høj, selvom der også er omvendte muligheder. Ternære logiske kredsløb (det vil sige med tre mulige tilstande) blev også undersøgt, og der blev forsøgt at bygge computere baseret på dem. Ud over computere danner digitale kredsløb grundlaget for elektroniske ure og programmerbare logiske controllere (bruges til at styre industrielle processer); Et andet eksempel er digitale signalprocessorer .

De grundlæggende strukturelle elementer af denne type omfatter:

Meget integrerede enheder:

og osv.

Pålidelighed af elektroniske enheder

Elektroniske enheders pålidelighed består af selve enhedens pålidelighed og strømforsyningens pålidelighed . Pålideligheden af ​​den elektroniske enhed selv består af pålideligheden af ​​elementer, pålideligheden af ​​forbindelser, pålideligheden af ​​kredsløbet osv. Grafisk vises pålideligheden af ​​elektroniske enheder af fejlkurven (afhængig af antallet af fejl på driften tid). En typisk fejlkurve har tre segmenter med forskellige hældninger. I det første afsnit falder antallet af fejl, i det andet afsnit stabiliserer antallet af fejl og er næsten konstant indtil det tredje afsnit, i det tredje afsnit vokser antallet af fejl konstant, indtil enheden er helt ubrugelig.

Måleteknologi

Under hele udviklingen af ​​radioelektroniske apparater og komponenter var der behov for en objektiv vurdering af helbred og parametre for både individuelle radiokomponenter og færdige produkter. Dette førte og fører til behovet for at have en flåde af måleinstrumenter. Deres funktionelle funktioner er meget forskellige. Samtidig er selve måleinstrumenterne også et separat område af elektronik. Nøjagtigheden af ​​måleudstyr er den vigtigste faktor, som kvaliteten af ​​radioudstyret udviklet og fejlrettet med deres hjælp direkte afhænger af. Lige så vigtigt er overholdelse af målemetoden (se Metrologi ). De mest nøjagtige instrumenter bruges til specielle applikationer og er ikke tilgængelige for de fleste designere. Entry-level-enheder ( multimeter , laboratoriestrømforsyning ) blev ofte lavet af entusiaster på egen hånd.

Se også

Noter

  1. Store sovjetiske encyklopædi .
  2. Elektronik og kredsløb. Forelæsningsnoter ved hjælp af computersimulering i "Tina TI" miljøet. Stadier af fremkomst og udvikling af elektronik og kredsløb . bstudy.net . Videnskabeligt og teknisk forlag "Hot Line - Telecom" (2017). Hentet: 23. august 2021.
  3. Igor Zakharov. En kort historie om elektronik: Fra pæren til kvantecomputeren . postnauka.ru . PostNauka Publishing House (6. november 2019). Hentet: 23. august 2021.
  4. 1 2 Kazakova, 2011 , s. 77.
  5. Egon E. Loebner. Underhistorier af lysdioderne. — IEEE-transaktionselektronenheder. - 1976. - Bd. ED-23, nr. 7, juli.
  6. Aseev A.L. et al. Til minde om Zhores Ivanovich Alferov  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Det russiske videnskabsakademi , 2019. - T. 189 . - S. 899-900 . - doi : 10.3367/UFNr.2019.07.038603 .
  7. Kazakova, 2011 , s. 74.
  8. Linde, R. Byg dine egne af ventilforstærkere: Kredsløb til Hi-Fi og  musikinstrumenter . - Elektor International Media, 1995. - 252 s. — ISBN 9780905705392 .
  9. Igor Zakharov .
  10. Kazakova, 2011 , s. 80.
  11. Kazakova, 2011 , s. 88.
  12. 1947: Opfindelsen af ​​punktkontakttransistoren . Computerhistorisk Museum . Hentet: 10. august 2019.
  13. Thompson, SE; Chau, RS; Ghani, T.; Mistry, K.; Tyagi, S.; Bohr, M.T. (2005). "På jagt efter "For evigt" fortsatte transistorskalering af et nyt materiale ad gangen. IEEE-transaktioner på halvlederfremstilling . 18 (1): 26-36. DOI : 10.1109/TSM.2004.841816 . ISSN  0894-6507 . Inden for elektronikområdet er den plane Si metal-oxid-halvleder-felteffekttransistor (MOSFET) måske den vigtigste opfindelse.
  14. Raymer, Michael G. The Silicon Web: Physics for the Internet Age . - CRC Press , 2009. - S. 365. - ISBN 978-1-4398-0312-7 .
  15. Wong, Kit Po. Elektroteknik - bind II . - EOLSS Publications , 2009. - S. 7. - ISBN 978-1-905839-78-0 .
  16. Chen, Wai-Kai. Den elektrotekniske håndbog . - Academic Press , 2005. - S. 101. - ISBN 0-12-170960-4 . . - "Støj fra et analogt (eller lille signal) perspektiv ...".
  17. Scherz, Paul. Praktisk elektronik til opfindere . - McGraw-Hill Education , 2006. - S. 730. - ISBN 0-07-145281-8 . . - "For at analoge enheder... kan kommunikere med digitale kredsløb...".
  18. Williams, Jim. Analogt kredsløb design . - Newnes, 1991. - S. 238. - ISBN 0-7506-9640-0 . . — "Selv inden for virksomheder, der producerer både analoge og digitale produkter...".
  19. Wilkinson B. Fundamentals of digital circuit design. - Kyiv: Williams Publishing House, 2014. - 320 s.

Litteratur

  • Kazakova I. A. Computerteknologiens historie . - Penza: PGU Publishing House, 2011. - 232 s.
  • Elektronik / A. I. Shokin // Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 bind]  / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M .  : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
  • Malyutin A. E., Filippov I. V. Elektroniks historie . - Moskva: Elektronisk lærebog - RGRTA, 2006.
  • Titze U., Shenk K. Halvlederkredsløb. Om. med ham. - Moskva: Mir, 1982. - 512 s. - ISBN 5-222-00417-1 .
  • Titze U., Shenk K. Halvlederkredsløb. 12. udg. I 2 bind. Lærebog-reference-leksikon. Om. med ham. - Moskva: DMK Press, 2008.
  • Gates ED Introduktion til elektronik. - Rostov ved Don: Phoenix, 1998. - 396 s. - ISBN 5-222-00417-1 .
  • Gorbatjov G. N. Chaplygin E. E. Industriel elektronik / Ed. prof. V. A. Labuntsova. - Moskva: Energoatomizdat , 1988. - 320 s. — ISBN 5-283-00517-8 .
  • Grabowski B. Håndbog i elektronik. 2. udg., rev. - Moskva: DMK Press, 2009. - 416 s. — ISBN 978-5-94074-472-6 .
  • Zherebtsov IP Grundlæggende om elektronik. 5. udg. - L . : Energoatomizdat, 1989. - 352 s. — ISBN 5-283-04448-3 .