Elektronika

Elektronika (z řeckého Ηλεκτρόνιο  „ elektron “) je obor vědy a techniky , který se zabývá tvorbou a praktickým využitím různých elektronických zařízení a zařízení [1] , jejichž práce je založena na změně koncentrace a pohybu nabitých částic (elektronů). ) ve vakuu , plynných nebo pevných krystalických tělesech a jiných fyzikálních jevech (NBIC).

Také - zkrácené pojmenování elektronického zařízení .

Historie

Vzniku elektroniky předcházel objev a studium elektřiny, elektromagnetismu a poté - vynález rádia . Protože rádiové vysílače okamžitě našly uplatnění (především na lodích a ve vojenských záležitostech ), vyžadovaly elementární základnu, jejíž vytvoření a studium převzala elektronika. Základem elementové základny první generace byly elektronky . V souladu s tím se vyvinula vakuová elektronika . Jeho vývoji napomohl i vynález televize a radaru , které byly hojně využívány během druhé světové války [2] [3] .

Ale elektronky měly značné nevýhody. Především se jedná o velké rozměry a vysokou spotřebu energie (která byla pro přenosná zařízení kritická). Proto se začala vyvíjet polovodičová elektronika a jako základna se začaly používat diody a tranzistory .

Další rozvoj elektroniky je spojen s nástupem počítačů . Tranzistorové počítače se vyznačovaly velkými rozměry a spotřebou energie a také nízkou spolehlivostí (kvůli velkému počtu dílů). K vyřešení těchto problémů se začaly používat mikrosestavy a poté mikroobvody . Postupně se zvyšoval počet mikroobvodových prvků, začaly se objevovat mikroprocesory . V současné době je vývoj elektroniky usnadněn vznikem celulárních komunikací , stejně jako různých bezdrátových zařízení, navigátorů , komunikátorů , tabletů atd.

V Rusku vědecká činnost A. S. Popova a počátek používání bezdrátového telegrafního zařízení, vynález elektronkové spouště M. Bonch-Bruevich v roce 1918 [4] , použití polovodičového prvku Losevem k zesílení a generování elektrické signály [5 ] přispěly ke vzniku a rozvoji elektroniky. ] , použití vodivých a polovodičových prvků v dílech Ioffe a vývoji polovodičové báze GaAs / AlAs a jejich ternárních řešení v Alferově laboratoři [6] .

Před příchodem elektronických počítačů se logické operace prováděly na elektromechanických nebo mechanických relé. V roce 1943 provedl elektromechanický počítač Mark-1 jednu operaci sčítání za 0,3 sekundy [7] . Ale již v polovině 20. století se začalo používat elektrovakuové zařízení vynalezené Liebenem (1912) [8] a Lee de Forest (1906)  - trioda [4] , jejíž proud bylo možné řídit pomocí mřížky , což umožnilo ovládat signál [9] . V roce 1939 se objevil první elektronkový počítač ( J. Atanasov ), kde se prováděly výpočty pomocí logických operací [10] . V roce 1946 se objevil elektrický vakuový počítač Eniac , který obsahoval 17 468 lamp, které bylo nutné při instalaci zkontrolovat. Tento stroj mohl provádět 5 000 přídavků za sekundu [11] .

Příchod prvního tranzistoru v roce 1947 , který vytvořili William Shockley , John Bardeen a Walter Brattain , umožnil přejít na polovodičovou logiku [12] a nejdůležitějším se stal následný vynález struktury kov-oxid-polovodič . milník ve vývoji elektroniky [13] , který vedl ke vzniku integrovaných mikroobvodů a následnému rozvoji mikroelektroniky, hlavního oboru moderní elektroniky [14] [15] .

Oblasti elektroniky

Lze rozlišit následující oblasti elektroniky:

Elektronické zařízení může zahrnovat širokou škálu materiálů a prostředí, kde dochází ke zpracování elektrického signálu pomocí různých fyzikálních procesů. Ale v každém zařízení je vždy elektrický obvod .

Mnoho vědních oborů technických univerzit se věnuje studiu různých aspektů elektroniky .

Solid State Electronics

Historie polovodičové elektroniky

Pojem polovodičová elektronika se v literatuře objevil v polovině 20. století pro označení zařízení na bázi polovodičových prvků: tranzistory a polovodičové diody, které nahradily objemná elektrická vakuová zařízení s nízkou účinností - radioelektronky. Kořen "pevné" je zde použit proto, že proces řízení elektrického proudu probíhá v pevném tělese polovodiče, na rozdíl od vakua, jako tomu bylo ve vakuové elektronce. Později, na konci 20. století, tento termín ztratil svůj význam a postupně se přestal používat, protože téměř veškerá elektronika naší civilizace začala používat výhradně polovodičovou polovodičovou bázi aktivních prvků.

Miniaturizace zařízení

Se zrodem polovodičové elektroniky začal revoluční rychlý proces miniaturizace elektronických zařízení. Aktivních prvků po několik desetiletí výrazně ubylo: pokud byly rozměry výbojek několik centimetrů, rozměry moderních tranzistorů integrovaných na polovodičovém čipu jsou desítky nanometrů. Moderní integrované obvody mohou obsahovat několik miliard těchto tranzistorů.

Technologie získávání prvků

Aktivní a pasivní prvky v elektronice v pevné fázi vznikají na homogenním ultračistém polovodičovém krystalu, nejčastěji křemíku, vstřikováním nebo depozicí nových vrstev v určitých souřadnicích krystalového těla atomů jiných chemických prvků, složitějších molekul vč. organické látky. Vstřikování mění vlastnosti polovodiče v místě vpichu (dopingu) změnou jeho vodivosti na reverzní, čímž vzniká dioda nebo tranzistor nebo pasivní prvek: rezistor, vodič, kondenzátor nebo induktor, izolátor, chladič a další struktury. V posledních letech se rozšířila technologie výroby světelných zdrojů na čipu. Obrovské množství objevů a vyvinutých technologií pro využití technologií v pevné fázi je stále v sejfech držitelů patentů a čeká v křídlech.

Technologie získávání polovodičových krystalů, jejichž čistota umožňuje vytvářet prvky o velikosti několika nanometrů, se začala nazývat nanotechnologie a sekce elektroniky - mikroelektronika.

V 70. letech 20. století došlo v procesu miniaturizace polovodičové elektroniky k rozdělení na analogovou a digitální mikroelektroniku. V podmínkách konkurence na trhu výrobců elementové základny zvítězili výrobci digitální elektroniky. A v 21. století byla výroba a evoluce analogové elektroniky prakticky zastavena. Protože ve skutečnosti všichni spotřebitelé mikroelektroniky od ní zpravidla nevyžadují digitální, ale kontinuální analogové signály nebo akce, jsou digitální zařízení na svých vstupech a výstupech vybavena DAC .

Miniaturizace elektronických obvodů byla doprovázena zvýšením rychlosti zařízení. Takže první digitální zařízení technologie TTL vyžadovala mikrosekundy k přepnutí z jednoho stavu do druhého a spotřebovávala velký proud, což vyžadovalo speciální opatření k odstranění tepla.

Na počátku 21. století se evoluce polovodičové elektroniky ve směru miniaturizace prvků postupně zastavila a dnes je prakticky zastavena. Tento doraz byl předurčen dosažením minimálních možných velikostí tranzistorů, vodičů a dalších prvků na polovodičovém krystalu, které jsou ještě schopné odvádět teplo uvolněné při toku proudu a neničit se. Tyto velikosti dosahují jednotek nanometrů a proto se technologie výroby mikročipů nazývá nanotechnologie .

Dalším stupněm evoluce elektroniky bude pravděpodobně optoelektronika, ve které bude nosným prvkem foton, který je mnohem pohyblivější, méně inerciální než elektron / „díra“ v polovodiči polovodičové elektroniky.

Základní polovodičová zařízení

Hlavní polovodičová aktivní zařízení používaná v elektronických zařízeních jsou:

  • Dioda  je vodič s jednostranným vedením od anody ke katodě. Odrůdy: tunelová dioda , lavinová dioda , Gunnova dioda , Schottkyho dioda atd.;
  • Bipolární tranzistory  - tranzistory se dvěma fyzickými pn přechody , jejichž proud kolektor-emitor je řízen proudem báze-emitor;
  • Tranzistor s efektem pole  - tranzistor, jehož proud Source-Drain je řízen Napětím na pn- nebo np-přechodu Gate-Drain nebo potenciálem na něm u tranzistorů bez fyzického přechodu - s hradlem galvanicky izolovaným od Kanál Drain-Source;
  • Diody s řízenou vodivostí dinistory a tyristory používané jako spínače, světelné diody a fotodiody používané jako převodníky e/m záření na elektrické signály nebo elektrickou energii nebo naopak;
  • Integrovaný obvod  je kombinace aktivních a pasivních polovodičových prvků na jednom nebo více krystalech v jednom pouzdře, používaný jako modul, elektronický obvod v analogové a digitální mikroelektronice.

Příklady použití

Příklady použití polovodičových součástek v elektronice:

  • Násobič napětí na usměrňovací diodě;
  • Frekvenční multiplikátor na nelineární diodě;
  • Emitorový sledovač (napětí) na bipolárním tranzistoru;
  • Kolektorový zesilovač (výkon) na bipolárním tranzistoru;
  • Emulátor indukčnosti na integrovaných obvodech, kondenzátorech a rezistorech;
  • Vstupní odporový převodník na polním nebo bipolárním tranzistoru, na integrovaném obvodu operačního zesilovače v analogové a digitální mikroelektronice;
  • Generátor elektrického signálu na budící diodě, Schottkyho diodě, tranzistoru nebo integrovaném obvodu v generátorech střídavého signálu;
  • Usměrňovač napětí na usměrňovací diodě v obvodech střídavého elektrického proudu v různých zařízeních;
  • Zdroj stabilního napětí na zenerově diodě ve stabilizátorech napětí;
  • Zdroj stabilního napětí na usměrňovací diodě v obvodech předpětí báze-emitor bipolárního tranzistoru;
  • Světlo emitující prvek v osvětlovacím zařízení na LED ;
  • Prvek vyzařující světlo v optoelektronice na bázi LED ;
  • Prvek pro příjem světla v optoelektronice na fotodiodě ;
  • Prvek pro příjem světla v solárních panelech solárních elektráren;
  • Výkonový zesilovač na bipolárním nebo polem řízeném tranzistoru, na integrovaném obvodu, Výkonový zesilovač v koncových stupních signálových výkonových zesilovačů, AC a DC;
  • Logický prvek na tranzistoru, diodách nebo na integrovaném obvodu číslicové elektroniky;
  • Paměťová buňka na jednom nebo více tranzistorech v paměťových čipech;
  • Vysokofrekvenční zesilovač na tranzistoru;
  • Digitální signálový procesor na integrovaném obvodu digitálního mikroprocesoru;
  • Analogový signálový procesor založený na tranzistorech, analogovém mikroprocesorovém integrovaném obvodu nebo operačních zesilovačích ;
  • Počítačové periferie založené na integrovaných obvodech nebo tranzistorech;
  • Vstupní stupeň operačního nebo diferenciálního zesilovače na tranzistoru;
  • Elektronický klíč v obvodech přepínání signálů na tranzistoru s efektem pole s izolovaným hradlem;
  • Elektronický klíč ve schématech s pamětí na Schottkyho diodě.

Hlavní rozdíly mezi analogovou a digitální elektronikou

Protože analogové a digitální obvody kódují informace odlišně, mají také odlišné procesy zpracování signálu. Je třeba poznamenat, že všechny operace, které lze provádět s analogovým signálem (zejména zesílení, filtrování, omezení rozsahu atd.), lze také provádět pomocí digitální elektroniky a softwarových simulačních metod v mikroprocesorech.

Hlavní rozdíl mezi analogovou a digitální elektronikou lze nalézt v nejcharakterističtějších způsobech kódování informací pro konkrétní elektroniku.

Analogová elektronika používá nejjednodušší proporcionální jednorozměrné kódování - odraz fyzikálních parametrů informačního zdroje do podobných fyzikálních parametrů elektrického pole nebo napětí (amplitudy na amplitudy, frekvence na frekvence, fáze na fáze atd.).

Digitální elektronika využívá n-rozměrné kódování fyzických parametrů zdroje dat. Minimum v digitální elektronice se používá dvourozměrné kódování: napětí (proud) a časové okamžiky. Tato redundance je akceptována pouze pro garantovaný přenos dat s jakoukoli programovatelnou úrovní šumu a zkreslení přidanou v zařízení k původnímu signálu. Ve složitějších číslicových obvodech se používají metody softwarového mikroprocesorového zpracování informace. Metody digitálního přenosu dat umožňují skutečně vytvářet kanály pro přenos fyzických dat naprosto beze ztrát (bez zvýšení šumu a jiných zkreslení)

Ve fyzickém smyslu se chování jakéhokoli digitálního elektronického obvodu a celého zařízení neliší od chování analogového elektronického zařízení nebo obvodu a může být popsáno teorií a pravidly, které popisují fungování analogových elektronických zařízení.

Hluk

V souladu se způsobem kódování informací v analogových obvodech jsou tyto obvody mnohem zranitelnější vůči účinkům šumu než digitální obvody. Malá změna signálu může způsobit významné úpravy přenášené informace a v konečném důsledku vést k její ztrátě; digitální signály zase nabývají pouze jedné ze dvou možných hodnot, a aby došlo k chybě, musí být šum přibližně poloviční jejich celkové hodnoty. Tuto vlastnost digitálních obvodů lze využít ke zvýšení odolnosti signálů proti rušení. Kromě toho jsou pomocí obnovy signálu na každém logickém hradlu zajištěna opatření proti šumu, která snižují nebo eliminují rušení; takový mechanismus je možný díky kvantování digitálních signálů [16] . Dokud signál zůstává v určitém rozsahu hodnot, je spojen se stejnou informací.

Šum je jedním z klíčových faktorů ovlivňujících přesnost signálu ; jde především o šum přítomný v původním signálu a rušení vnesené při jeho přenosu (viz odstup signálu od šumu ). Zásadní fyzická omezení – např. tzv. Šum výstřelu v komponentách – nastavuje limity rozlišení analogových signálů . V digitální elektronice je další přesnost zajištěna použitím pomocných bitů, které charakterizují signál; jejich počet závisí na výkonu analogově-digitálního převodníku (ADC) [17] .

Složitost vývoje

Analogové obvody se navrhují obtížněji než srovnatelné digitální obvody; to je jeden z důvodů, proč se digitální systémy rozšířily více než analogové. Analogový obvod je navržen ručně a proces jeho vytváření poskytuje menší prostor pro automatizaci . Je však třeba poznamenat, že pro interakci s prostředím v té či oné formě potřebuje digitální elektronické zařízení analogové rozhraní [18] . Například digitální rádio má analogový předzesilovač, který je prvním článkem v přijímacím řetězci.

Typologie schémat

Elektronické obvody a jejich součásti lze rozdělit do dvou klíčových typů v závislosti na obecných principech jejich činnosti: analogové (kontinuální) a digitální (diskrétní). Jedno a totéž zařízení se může skládat z obvodů stejného typu nebo ze směsi obou typů v různých poměrech.

Analogové obvody

V zásadě jsou analogová elektronická zařízení a zařízení ( například rádiové přijímače ) konstrukčně kombinací několika druhů základních obvodů. Analogové obvody používají spojitý rozsah napětí , na rozdíl od diskrétních úrovní nalezených v digitálních obvodech. V současné době bylo vyvinuto značné množství různých analogových obvodů - zejména jejich počet je velký kvůli skutečnosti, že „obvodem“ lze pochopit mnoho věcí: od jedné komponenty po celý systém sestávající z tisíců prvků . Analogové obvody se někdy také nazývají lineární (i když je třeba poznamenat, že u některých jejich typů - například převodníků nebo modulátorů , se používá také mnoho nelineárních efektů). Mezi typické příklady analogových obvodů patří elektronky a tranzistorové zesilovače, operační zesilovače a oscilátory .

V současné době je obtížné najít takový elektronický obvod, který by byl zcela analogový. Nyní analogové obvody používají digitální nebo dokonce mikroprocesorové technologie ke zvýšení jejich výkonu . Takový obvod se obvykle nazývá ne analogový nebo digitální, ale smíšený. V některých případech je obtížné jasně rozlišit spojité a diskrétní obvody - vzhledem k tomu, že oba obsahují prvky lineární i nelineární povahy. Příkladem je, řekněme, komparátor : přijímá na vstupu spojitý rozsah napětí a současně produkuje pouze jednu ze dvou možných úrovní signálu na výstupu , jako digitální obvod. Podobně může přetížený tranzistorový zesilovač nabýt vlastností řízeného spínače, který má rovněž dvě výstupní úrovně.

Digitální obvody

Digitální obvody zahrnují obvody založené na dvou nebo více diskrétních napěťových úrovních [19] . Představují nejtypičtější fyzickou implementaci Booleovy algebry a tvoří elementární základ všech digitálních počítačů. Termíny "digitální obvod", "digitální systém" a "logický obvod" jsou často považovány za synonyma. Pro číslicové obvody je zpravidla charakteristická binární soustava se dvěma napěťovými úrovněmi, které odpovídají logické nule, respektive logické jedničce. První často odpovídá nízkému napětí a druhý vysokému napětí, i když existují i ​​opačné možnosti. Byly také studovány ternární logické obvody (tj. se třemi možnými stavy) a byly činěny pokusy postavit na jejich základě počítače. Kromě počítačů tvoří digitální obvody základ elektronických hodin a programovatelných logických automatů (používaných k řízení průmyslových procesů); Dalším příkladem jsou digitální signálové procesory .

Mezi základní konstrukční prvky tohoto typu patří:

Vysoce integrovaná zařízení:

atd.

Spolehlivost elektronických zařízení

Spolehlivost elektronických zařízení se skládá ze spolehlivosti samotného zařízení a spolehlivosti napájení . Spolehlivost samotného elektronického zařízení se skládá ze spolehlivosti prvků, spolehlivosti spojů, spolehlivosti obvodu atd. Graficky je spolehlivost elektronických zařízení zobrazena poruchovou křivkou (závislost počtu poruch na provozním čas). Typická křivka porušení má tři segmenty s různými sklony. V první sekci klesá počet poruch, ve druhé se počet poruch stabilizuje a je téměř konstantní až do třetí sekce, ve třetí sekci počet poruch neustále roste, až je zařízení zcela nepoužitelné.

Měřicí technika

V průběhu vývoje radioelektronických zařízení a komponent byla potřeba objektivního posouzení zdravotního stavu a parametrů jak jednotlivých rádiových komponent, tak hotových výrobků. To vedlo a vede k potřebě mít flotilu měřicích přístrojů. Jejich funkční vlastnosti jsou velmi rozmanité. Samostatnou oblastí elektroniky jsou přitom i samotné měřicí přístroje. Přesnost měřicího zařízení je nejdůležitějším faktorem, na kterém přímo závisí kvalita rádiového zařízení vyvinutého a odladěného s jejich pomocí. Neméně důležité je dodržování metodiky měření (viz Metrologie ). Nejpřesnější přístroje se používají pro speciální aplikace a nejsou dostupné většině konstruktérů. Zařízení základní úrovně ( multimetr , laboratorní napájecí zdroj ) si nadšenci často vyráběli sami.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Velká sovětská encyklopedie .
  2. ↑ Elektronika a obvody. Poznámky k přednášce pomocí počítačové simulace v prostředí "Tina TI". Etapy vzniku a vývoje elektroniky a obvodů . bstudy.net . Vědeckotechnické nakladatelství "Hot Line - Telecom" (2017). Staženo: 23. srpna 2021.
  3. ↑ Igor Zacharov. Stručná historie elektroniky: Od žárovky ke kvantovému počítači . postnauka.ru _ Nakladatelství PostNauka (6. listopadu 2019). Staženo: 23. srpna 2021.
  4. ↑ 1 2 Kazakova, 2011 , str. 77.
  5. ↑ Egon E. Loebner. Podhistorie světelných diod. — IEEE transakční elektronová zařízení. - 1976. - Sv. ED-23, č. 7, červenec.
  6. ↑ Aseev A.L. et al. Na památku Zhores Ivanovič Alferov  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Ruská akademie věd , 2019. - T. 189 . - S. 899-900 . - doi : 10.3367/UFNr.2019.07.038603 .
  7. ↑ Kazakova, 2011 , str. 74.
  8. ↑ Linde, R. Sestavte si vlastní Af ventilové zesilovače: Obvody pro Hi-Fi a hudební  nástroje . - Elektor International Media, 1995. - 252 s. — ISBN 9780905705392 .
  9. ↑ Igor Zacharov .
  10. ↑ Kazakova, 2011 , str. 80.
  11. ↑ Kazakova, 2011 , str. 88.
  12. ↑ 1947: Vynález bodového kontaktního tranzistoru . Muzeum počítačové historie . Staženo: 10. srpna 2019.
  13. ↑ Thompson, SE; Chau, RS; Ghani, T.; Mistry, K.; Tyagi, S.; Bohr, M. T. (2005). "Při hledání "Forever" pokračoval tranzistor ve škálování jednoho nového materiálu po druhém." IEEE transakce při výrobě polovodičů . 18 (1): 26-36. DOI : 10.1109/TSM.2004.841816 . ISSN  0894-6507 . V oblasti elektroniky je pravděpodobně nejdůležitějším vynálezem planární Si metal-oxid-semiconductor field-effect tranzistor (MOSFET).
  14. ↑ Raymer, Michael G. Silicon Web: Physics for the Internet Age . - CRC Press , 2009. - S. 365. - ISBN 978-1-4398-0312-7 .
  15. ↑ Wong, Kit Po. Elektrotechnika - Svazek II . - EOLSS Publications , 2009. - S. 7. - ISBN 978-1-905839-78-0 .
  16. ↑ Chen, Wai-Kai. Elektrotechnická příručka . - Academic Press , 2005. - S. 101. - ISBN 0-12-170960-4 . . - "Šum z pohledu analogového (nebo malého signálu) ...".
  17. ↑ Scherz, Paul. Praktická elektronika pro vynálezce . - McGraw-Hill Education , 2006. - S. 730. - ISBN 0-07-145281-8 . . - “Aby analogová zařízení... komunikovala s digitálními obvody...”.
  18. ↑ Williams, Jim. Návrh analogového obvodu . - Newnes, 1991. - S. 238. - ISBN 0-7506-9640-0 . . — „Dokonce i ve společnostech vyrábějících analogové i digitální produkty…“.
  19. ↑ Wilkinson B. Základy návrhu číslicových obvodů. - Kyjev: Williams Publishing House, 2014. - 320 s.

Literatura

  • Kazakova I. A. Historie výpočetní techniky . - Penza: PGU Publishing House, 2011. - 232 s.
  • Elektronika / A. I. Shokin // Velká sovětská encyklopedie  : [ve 30 svazcích]  / kap. vyd. A. M. Prochorov . - 3. vyd. - M  .: Sovětská encyklopedie, 1969-1978.
  • Malyutin A. E., Filippov I. V. Historie elektroniky . - Moskva: Elektronická učebnice - RGRTA, 2006.
  • Titze U., Shenk K. Polovodičové obvody. Za. s ním. - Moskva: Mir, 1982. - 512 s. - ISBN 5-222-00417-1 .
  • Titze U., Shenk K. Polovodičové obvody. 12. vyd. Ve 2 svazcích. Učebnice-odkaz-encyklopedie. Za. s ním. - Moskva: DMK Press, 2008.
  • Gates ED Úvod do elektroniky. - Rostov na Donu: Phoenix, 1998. - 396 s. - ISBN 5-222-00417-1 .
  • Gorbačov G. N. Chaplygin E. E. Průmyslová elektronika / Ed. prof. V. A. Labuntsová. - Moskva: Energoatomizdat , 1988. - 320 s. — ISBN 5-283-00517-8 .
  • Grabowski B. Příručka elektroniky. 2. vydání, rev. - Moskva: DMK Press, 2009. - 416 s. — ISBN 978-5-94074-472-6 .
  • Zherebtsov IP Základy elektroniky. 5. vyd. - L . : Energoatomizdat, 1989. - 352 s. — ISBN 5-283-04448-3 .
  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie