Электроника

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Различные электронные компоненты

Электро́ника (от греч. Ηλεκτρόνιο — электрон) — наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств для преобразования электромагнитной энергии, в основном для приёма, передачи, обработки и хранения информации[1].

История[править | править вики-текст]

Возникновению электроники предшествовало изобретение радио. Поскольку радиопередатчики сразу же нашли применение (в первую очередь на кораблях и в военном деле), для них потребовалась элементная база, созданием и изучением которой и занялась электроника. Элементная база первого поколения была основана на электронных лампах. Соответственно получила развитие вакуумная электроника. Её развитию способствовало также изобретение телевидения и радаров, которые нашли широкое применение во время Второй мировой войны.

Но электронные лампы обладали существенными недостатками. Это прежде всего большие размеры и высокая потребляемая мощность (что было критичным для переносных устройств). Поэтому начала развиваться твердотельная электроника, а в качестве элементной базы стали применять диоды и транзисторы.

Дальнейшее развитие электроники связано с появлением компьютеров. Компьютеры, основанные на транзисторах, отличались большими размерами и потребляемой мощностью, а также низкой надежностью (из-за большого количества деталей). Для решения этих проблем начали применяться микросборки, а затем и микросхемы. Число элементов микросхем постепенно увеличивалось, стали появляться микропроцессоры. В настоящее время развитию электроники способствует появление сотовой связи, а также различных беспроводных устройств, навигаторов, коммуникаторов, планшетов и т. п.

Основными вехами в развитии электроники можно считать:

Области электроники[править | править вики-текст]

Можно различать следующие области электроники:

Электронное устройство может включать в себя самые разные материалы и среды, где происходит обработка электрического сигнала с использованием разных физических процессов. Но в любом устройстве обязательно имеется электрическая цепь.

Изучению различных аспектов электроники посвящены многие научные дисциплины технических вузов.

Твердотельная электроника[править | править вики-текст]

История твердотельной электроники[править | править вики-текст]

Термин твердотельная электроника появился в литературе в середине XX века для обозначения устройств на полупроводниковой элементной базе: транзисторах и полупроводниковых диодах, заменивших громоздкие низкоэффективные электровакуумные приборы — радиолампы. Корень «тверд» использован здесь, потому что процесс управления электрическим током происходит в твёрдом теле полупроводника в отличие от вакуума, как это происходило в электронной радиолампе. Позднее, в конце XX века этот термин потерял своё значение и постепенно вышел из употребления, поскольку практически вся электроника нашей цивилизации начала использовать исключительно полупроводниковую твердотельную активную элементную базу.

Миниатюризация устройств[править | править вики-текст]

С рождением твердотельной электроники начался революционно быстрый процесс миниатюризации электронных приборов. За несколько десятков лет активные элементы уменьшились в десять миллиардов раз — с нескольких сантиметров электронной радиолампы до нескольких нанометров интегрированного на полупроводниковом чипе транзистора.

Технология получения элементов[править | править вики-текст]

Активные и пассивные элементы в твердотельной электронике создаются на однородном сверхчистом кристалле полупроводника, чаще всего кремния, методом инжекции или напыления новых слоев в определённых координатах тела кристалла атомов иных химических элементов, молекул более сложных, в том числе и органических веществ. Инжекция меняет свойства полупроводника в месте инжекции (легирования) меняя его проводимость на обратную, создавая таким образом диод или транзистор или пассивный элемент: резистор, проводник, конденсатор или катушку индуктивности, изолятор, теплоотводящий элемент и другие структуры. В последние годы широко распространилась технология производства источников света на кристалле. Огромное количество открытий и разработанных технологий использования твердотельных технологий ещё лежат в сейфах патентообладателей и ждут своего часа. Технологию получения полупроводниковых кристаллов, чистота которых позволяет создавать элементы размером в несколько нанометров, стали называть нанотехнологией, а раздел электроники — микроэлектроникой.

В 1970-е годы в процессе миниатюризации твердотельной электроники в ней наметился раскол на аналоговую и цифровую микроэлектронику. В условиях конкуренции на рынке производителей элементной базы победу одержали производители цифровой электроники. И в XXI веке производство и эволюция аналоговой электроники практически были остановлены. Так как в реальности все потребители микроэлектроники требуют от неё, как правило не цифровые, а непрерывные аналоговые сигналы или действия, цифровые устройства снабжены ЦАП-ами на своих входах и выходах. Миниатюризация электронных схем сопровождалась ростом быстродействия устройств. Так первые цифровые устройства ТТЛ технологии требовали микросекунды на переключение из одного состояния в другое и потребляли большой ток, требовавший специальных мер для отвода тепла.

В начале XXI века эволюция твердотельной электроники в направлении миниатюризации элементов постепенно приостановилась и в настоящее время практически остановлена. Эта остановка была предопределена достижением минимально возможных размеров транзисторов, проводников и других элементов на кристалле полупроводника ещё способных отводить выделяемое при протекании тока тепло и не разрушаться. Эти размеры достигли единиц нанометров и поэтому технология изготовления микрочипов называется нанотехнологией. Следующим этапом в эволюции электроники возможно станет оптоэлектроника, в которой несущим элементом выступит фотон, значительно более подвижный, менее инерционный чем электрон/«дырка» в полупроводнике твердотельной электроники.

Основные твердотельные активные приборы, используемые в электронных устройствах:

  • Диод — проводник с односторонней проводимостью от анода к катоду. Разновидности: туннельный диод, лавинно-пролётный диод, диод Ганна, диод Шоттки и др.;
  • Биполярные транзисторы — транзисторы с двумя физическими p-n-переходами, ток Коллектор-Эмиттер которого управляется током База-Эмиттер;
  • Полевой транзистор — транзистор, ток Исток-Сток которого управляется Напряжением на p-n- или n-p-переходе Затвор-Сток или потенциалом на нём в транзисторах без физического перехода — с затвором, гальванически изолированным от канала Сток-Исток;
  • Диоды с управляемой проводимостью динисторы и тиристоры, используемые как переключатели, светодиоды и фотодиоды используемые как преобразователи э/м излучения в электрические сигналы или электрическую энергию или обратно;
  • Интегральная микросхема — комбинация активных и пассивных твердотельных элементов на одном или нескольких кристаллах в одном корпусе, используемые как модуль, электронная схема в аналоговой и цифровой микроэлектронике.

Примеры использования твердотельных приборов в электронике:

Основные различия аналоговой и цифровой электроники[править | править вики-текст]

Поскольку в аналоговых и цифровых схемах информация кодируется по-разному, у них отличаются и процессы обработки сигналов. Следует при этом заметить, что все операции, которые могут быть совершены над аналоговым сигналом (в частности, усиление, фильтрация, ограничение диапазона и т. п.) могут быть продублированы и в области цифровой электроники. Поведение всякой цифровой схемы может быть объяснено и с использованием правил, описывающих функционирование аналоговых электронных контуров.

Шум[править | править вики-текст]

В соответствии со способом кодирования информации в аналоговых схемах они в существенно большей степени уязвимы к воздействию шума, нежели цифровые цепи. Малое изменение сигнала может внести значительные модификации в передаваемую информацию и в конечном счёте привести к её утрате; в свою очередь, цифровые сигналы принимают лишь одно из двух возможных значений, и для того, чтобы вызвать ошибку, помеха должна составлять примерно половину их общей величины. Это свойство цифровых схем может быть использовано для повышения устойчивости сигналов к помехам. Кроме того, противодействие шуму обеспечивается средствами восстановления сигналов на каждом логическом вентиле, которые уменьшают или ликвидируют помехи; такой механизм становится возможным благодаря квантованию цифровых сигналов[2]. До тех пор, пока сигнал остаётся в пределах определённого диапазона значений, он ассоциируется с одной и той же информацией.

Шум является одним из ключевых факторов, влияющих на точность сигнала; в основном это шум, присутствующий в исходном сигнале, и помехи, вносимые при его передаче (см. Отношение сигнал-шум). Фундаментальные физические ограничения — к примеру, т. н. «дробовой» шум в компонентах — устанавливают пределы разрешения аналоговых сигналов. В цифровой электронике дополнительная точность обеспечивается использованием вспомогательных разрядов, характеризующих сигнал; их количество зависит от производительности аналого-цифрового преобразователя (АЦП)[3].

Сложность разработки[править | править вики-текст]

Аналоговые схемы сложнее разрабатывать, нежели сравнимые с ними цифровые; это одна из причин, по которым цифровые системы приобрели большее распространение, нежели аналоговые. Аналоговая схема разрабатывается вручную, и процесс её создания обеспечивает меньше возможностей для автоматизации. Следует, впрочем, заметить, что для взаимодействия с окружающей средой в той или иной форме цифровое электронное устройство нуждается в аналоговом интерфейсе[4]. К примеру, у цифрового радиоприёмника имеется аналоговый предусилитель, который является первым звеном приёмной цепи.

Типология схем[править | править вики-текст]

Электронные схемы и их составляющие могут быть разделены на два ключевых типа в зависимости от общих принципов их функционирования: аналоговые (непрерывные) и цифровые (дискретные). Одно и то же устройство может состоять как из схем одного типа, так и из смешения обоих типов в той или иной пропорции.

Аналоговые схемы[править | править вики-текст]

В основном аналоговые электронные приборы и устройства (радиоприёмники, например) конструктивно представляют собой сочетание нескольких разновидностей базовых схем. В аналоговых цепях используется непрерывный диапазон напряжения, в противоположность дискретным уровням, которые применяются в цифровых схемах. На данный момент разработано существенное количество разнообразных аналоговых контуров — в особенности их число велико в силу того, что под «схемой» можно понимать многое: от единственного компонента до целой системы, состоящей из тысяч элементов. Аналоговые схемы ещё называют иногда линейными (хотя необходимо заметить, что в некоторых их видах — преобразователях, к примеру, или модуляторах, — используются и многие нелинейные эффекты). В качестве характерных примеров аналоговых контуров можно назвать электронные лампы и транзисторные усилители, операционные усилители и осцилляторы.

В настоящее время сложно найти такую электронную схему, которая была бы полностью аналоговой. Сейчас в аналоговых цепях используются цифровые или даже микропроцессорные технологии, позволяющие увеличить их производительность. Такая схема обычно называется не аналоговой или цифровой, а смешанной. В некоторых случаях провести чёткое разграничение между непрерывными и дискретными схемами сложно — в силу того, что как те, так и другие включают в свой состав элементы и линейного, и нелинейного характера. Примером может послужить, допустим, компаратор: получая на входе непрерывный диапазон напряжения, он в то же время выдает на выходе лишь один из двух возможных уровней сигнала, подобно цифровой схеме. Похожим образом перегруженный транзисторный усилитель может приобрести свойства контролируемого переключателя, также имеющего два уровня выходного сигнала.

Цифровые схемы[править | править вики-текст]

К цифровым относятся схемы, основанные на некотором количестве дискретных уровней напряжения. Они представляют собой наиболее типичную физическую реализацию булевой алгебры и составляют элементную основу всех цифровых компьютеров. Термины «цифровая схема», «цифровая система» и «логическая схема» часто при этом рассматриваются как синонимичные. Для цифровых схем характерна, как правило, двоичная система с двумя уровнями напряжения, которые соответствуют логическому нулю и логической единице соответственно. Часто первый соотносится с низким напряжением, а вторая — с высоким, хотя встречаются и обратные варианты. Изучались также и тернарные логические схемы (то есть с тремя возможными состояниями), предпринимались попытки построения компьютеров на их основе. Помимо вычислительных машин, цифровые схемы составляют основу электронных часов и программируемых логических контроллеров (используемых для управления промышленными процессами); ещё одним примером могут служить цифровые сигнальные процессоры.

К числу базовых конструктивных элементов этого типа относятся:

Устройства с высокой степенью интеграции:

  • Микропроцессоры
  • Микроконтроллеры
  • Интегральные схемы для специфического применения (ASIC)
  • Цифровые сигнальные процессоры (DSP)
  • Программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA)

и др.

Надёжность электронных устройств[править | править вики-текст]

Надёжность электронных устройств складывается из надёжности самого устройства и надёжности электроснабжения. Надёжность самого электронного устройства складывается из надёжности элементов, надёжности соединений, надёжности схемы и др. Графически надёжность электронных устройств отображается кривой отказов (зависимость числа отказов от времени эксплуатации). Типовая кривая отказов имеет три участка с разным наклоном. На первом участке число отказов уменьшается, на втором участке число отказов стабилизируется и почти постоянно до третьего участка, на третьем участке число отказов постоянно растёт до полной непригодности эксплуатации устройства.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Электроника — статья из Большой советской энциклопедии
  2. Chen Wai-Kai The electrical engineering handbook. — Academic Press, 2005. — P. 101. — ISBN 0-12-170960-4.
  3. Scherz Paul Practical electronics for inventors. — McGraw-Hill Professional, 2006. — P. 730. — ISBN 0-07-145281-8.
  4. Williams Jim Analog circuit design. — Newnes, 1991. — P. 238. — ISBN 0-7506-9640-0.

Литература[править | править вики-текст]

  • Малютин А. Е., Филиппов И. В. История электроники М.: Электронный учебник — РГРТА, 2006.
  • Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — М.: Мир, 1982
  • Гейтс Э. Д. Введение в электронику — 1998
  • Горбачёв Г. Н. Чаплыгин Е. Е. Промышленная электроника / Под ред. проф. В. А. Лабунцова. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
  • Грабовски Б. Краткий справочник по электронике — 2004.
  • Жеребцов И. П. Основы электроники. — 1989