Elektroniikka ( kreikan sanasta Ηλεκτρόνιο " elektroni ") on tieteen ja teknologian ala , joka käsittelee erilaisten elektronisten laitteiden ja laitteiden luomista ja käyttöä [1] , jonka työ perustuu varautuneiden hiukkasten (elektronien) pitoisuuden ja liikkeen muuttamiseen. ) tyhjiössä , kaasussa tai kiinteissä kidekappaleissa ja muissa fysikaalisissa ilmiöissä (NBIC).
Myös - lyhennetty elektroniikkalaitteiden nimitys .
Elektroniikan syntyä edelsi sähkön, sähkömagnetismin ja sitten radion keksiminen ja tutkiminen . Koska radiolähettimet löysivät heti käyttökohteen (ensisijaisesti laivoilla ja sotilasasioissa ), vaativat ne elementtikannat, jonka luomisen ja tutkimisen otti elektroniikka. Ensimmäisen sukupolven elementtipohja perustui tyhjiöputkiin . Tämän mukaisesti tyhjiöelektroniikka kehittyi . Sen kehitystä helpotti myös television ja tutkan keksiminen , joita käytettiin laajalti toisen maailmansodan aikana [2] [3] .
Mutta tyhjiöputkilla oli merkittäviä haittoja. Ensinnäkin nämä ovat suuria kokoja ja suurta virrankulutusta (mikä oli kriittistä kannettaville laitteille). Siksi solid-state-elektroniikka alkoi kehittyä, ja diodeja ja transistoreita alettiin käyttää elementtipohjana .
Elektroniikan jatkokehitys liittyy tietokoneiden tuloon . Transistoripohjaisille tietokoneille oli ominaista suuri koko ja virrankulutus sekä alhainen luotettavuus (suuren osien määrän vuoksi). Näiden ongelmien ratkaisemiseksi alettiin käyttää mikrokokoonpanoja ja sitten mikropiirejä . Mikropiirielementtien määrä kasvoi vähitellen, mikroprosessoreja alkoi ilmestyä . Tällä hetkellä elektroniikan kehitystä helpottaa solukkoviestinnän sekä erilaisten langattomien laitteiden, navigaattorien , kommunikaattorien , tablettien jne.
Venäjällä A. S. Popovin tieteellinen toiminta ja langattomien lennätinlaitteiden käytön alkaminen, M. Bonch-Bruevitšin vuonna 1918 keksimä putkiliipaisu [4] , Losevin puolijohdeelementin käyttö vahvistamiseen ja synnyttämiseen. sähköiset signaalit [5] vaikuttivat elektroniikan syntymiseen ja kehitykseen. ] johtavien ja puolijohdeelementtien käyttö Ioffen teoksissa sekä GaAs/AlAs-puolijohdepohjan ja niiden kolmikomponenttisten ratkaisujen kehittäminen Alferovin laboratoriossa [6] .
Ennen elektronisten tietokoneiden tuloa loogisia toimintoja suoritettiin sähkömekaanisilla tai mekaanisilla releillä. Vuonna 1943 Mark-1 sähkömekaaninen tietokone suoritti yhden lisäystoimenpiteen 0,3 sekunnissa [7] . Mutta jo 1900-luvun puolivälissä he alkoivat käyttää Liebenin (1912) [8] ja Lee de Forestin (1906) keksimää sähkötyhjiölaitetta - triodia [4] , jonka virtaa voitiin ohjata verkon avulla. , joka mahdollisti signaalin ohjauksen [9] . Vuonna 1939 ilmestyi ensimmäinen tyhjiöputkitietokone ( J. Atanasov ), jossa laskelmia tehtiin loogisilla operaatioilla [10] . Vuonna 1946 ilmestyi sähköinen tyhjiötietokone Eniac , joka sisälsi 17 468 lamppua, jotka piti tarkistaa asennuksen aikana. Tämä kone pystyi suorittamaan 5 000 lisäystä sekunnissa [11] .
William Shockleyn , John Bardeenin ja Walter Brattainin luoman ensimmäisen transistorin ilmestyminen vuonna 1947 mahdollisti siirtymisen solid-state-logiikkaan [12] , ja sitä seuranneesta metallioksidi-puolijohderakenteen keksimisestä tuli tärkein. virstanpylväs elektroniikan kehityksessä [13] , joka johti integroitujen mikropiirien luomiseen ja myöhempään mikroelektroniikan kehittämiseen, joka on modernin elektroniikan pääala [14] [15] .
Seuraavat elektroniikan osa-alueet voidaan erottaa:
Elektroniikkalaite voi sisältää monenlaisia materiaaleja ja ympäristöjä, joissa sähköistä signaalinkäsittelyä tapahtuu erilaisilla fysikaalisilla prosesseilla. Mutta missä tahansa laitteessa on aina sähköpiiri .
Monet teknisten yliopistojen tieteenalat ovat omistettu elektroniikan eri näkökohtien tutkimukselle .
Termi puolijohdeelektroniikka ilmestyi kirjallisuudessa 1900- luvun puolivälissä viittaamaan puolijohdeelementteihin perustuviin laitteisiin: transistoreihin ja puolijohdediodeihin, jotka korvasivat tilaa vieviä matalatehoisia sähköisiä tyhjiölaitteita - radioputkia. Juuria "kiinteä" käytetään tässä, koska sähkövirran säätöprosessi tapahtuu puolijohteen kiinteässä kappaleessa, toisin kuin tyhjiössä, kuten tyhjiöputkessa. Myöhemmin, 1900-luvun lopulla, tämä termi menetti merkityksensä ja poistui vähitellen käytöstä, koska melkein kaikki sivilisaatiomme elektroniikka alkoi käyttää yksinomaan puolijohteista aktiivista elementtipohjaa.
Laitteen miniatyrisointiPuolijohdeelektroniikan syntyessä alkoi vallankumouksellinen nopea elektronisten laitteiden miniatyrisointiprosessi. Useiden vuosikymmenten ajan aktiiviset elementit ovat vähentyneet huomattavasti: jos lamppujen mitat olivat useita senttejä, puolijohdesirulle integroitujen nykyaikaisten transistorien mitat ovat kymmeniä nanometrejä. Nykyaikaiset integroidut piirit voivat sisältää useita miljardeja näitä transistoreita.
Solid-state-elektroniikan aktiiviset ja passiiviset elementit luodaan homogeeniselle ultrapuhtaalle puolijohdekiteelle, useimmiten piille, injektoimalla tai kerrostamalla uusia kerroksia kiderungon tiettyihin koordinaatteihin muiden kemiallisten alkuaineiden atomien, monimutkaisempien molekyylien, mukaan lukien orgaaniset aineet. Injektio muuttaa puolijohteen ominaisuuksia injektiokohdassa (doping) muuttamalla sen johtavuutta käänteiseksi, jolloin syntyy diodi tai transistori tai passiivinen elementti: vastus, johtime, kondensaattori tai induktori, eriste, jäähdytyselementti ja muut rakenteet. Viime vuosina teknologia valonlähteiden tuottamiseksi sirulle on yleistynyt. Valtava määrä löytöjä ja kehitettyjä tekniikoita solid-state-tekniikoiden käyttöön ovat edelleen patentinhaltijoiden kassakaapeissa ja odottavat siivillä.
Puolijohdekiteiden hankintatekniikkaa, jonka puhtaus mahdollistaa useiden nanometrien kokoisten elementtien luomisen, alettiin kutsua nanoteknologiaksi ja elektroniikan osaksi mikroelektroniikkaa.
1970 -luvulla puolijohdeelektroniikan miniatyrisointiprosessissa tapahtui jako analogiseen ja digitaaliseen mikroelektroniikkaan. Elementtipohjan valmistajien markkinoiden kilpailuolosuhteissa voittivat digitaalisen elektroniikan valmistajat. Ja 2000- luvulla analogisen elektroniikan tuotanto ja kehitys käytännössä lopetettiin. Koska todellisuudessa kaikki mikroelektroniikan kuluttajat tarvitsevat siltä pääsääntöisesti digitaalisia, vaan jatkuvia analogisia signaaleja tai toimintoja, digitaaliset laitteet on varustettu DAC :illa tuloissaan ja lähdöissään.
Elektronisten piirien pienentämiseen liittyi laitteiden nopeuden kasvu. Joten ensimmäiset TTL -teknologian digitaaliset laitteet vaativat mikrosekunteja siirtyäkseen tilasta toiseen ja kuluttivat suuren virran, mikä vaati erityisiä toimenpiteitä lämmön poistamiseksi.
2000-luvun alussa puolijohdeelektroniikan kehitys elementtien miniatyrisoinnin suuntaan pysähtyi vähitellen ja on nyt käytännössä pysähtynyt. Tämä pysähdys määräytyi ennalta mahdollisten transistoreiden, johtimien ja muiden elementtien vähimmäiskokojen saavuttamisesta puolijohdekiteellä, jotka edelleen pystyvät poistamaan virran kulun aikana vapautuvaa lämpöä, joka ei tuhoudu. Nämä koot ovat saavuttaneet nanometrin yksiköitä ja siksi mikrosirujen valmistustekniikkaa kutsutaan nanoteknologiaksi .
Elektroniikan evoluution seuraava vaihe on todennäköisesti optoelektroniikka, jossa kantajaelementti on fotoni, joka on paljon liikkuvampi, vähemmän inertia kuin elektroni / "reikä" puolijohteessa puolijohteessa.
Tärkeimmät elektronisissa laitteissa käytetyt solid-state-aktiiviset laitteet ovat:
Esimerkkejä puolijohdelaitteiden käytöstä elektroniikassa:
Koska analogiset ja digitaaliset piirit koodaavat tietoa eri tavalla, niillä on myös erilaiset signaalinkäsittelyprosessit. On huomattava, että kaikki toiminnot, jotka voidaan suorittaa analogiselle signaalille (erityisesti vahvistus, suodatus, alueen rajoitus jne.), voidaan suorittaa myös käyttämällä digitaalista elektroniikkaa ja ohjelmistosimulaatiomenetelmiä mikroprosessoreissa.
Suurin ero analogisen ja digitaalisen elektroniikan välillä löytyy tyypillisimmistä tavoista koodata tietoa tietylle elektroniikalle.
Analogisessa elektroniikassa käytetään yksinkertaisinta suhteellista yksiulotteista koodausta - informaatiolähteen fyysisten parametrien heijastusta samankaltaisiin sähkökentän tai jännitteen fysikaalisiin parametreihin (amplitudit amplitudeiksi, taajuudet taajuuksiksi, vaiheet vaiheiksi jne.).
Digitaalinen elektroniikka käyttää tietolähteen fyysisten parametrien n-ulotteista koodausta. Digitaalisessa elektroniikassa käytetään vähintään kaksiulotteista koodausta: jännite (virta) ja aikamomentit. Tämä redundanssi hyväksytään vain taattua tiedonsiirtoa varten, kun laitteeseen on lisätty alkuperäiseen signaaliin mikä tahansa ohjelmoitava kohina- ja särötaso. Monimutkaisemmissa digitaalisissa piireissä käytetään menetelmiä ohjelmiston mikroprosessoritietojen käsittelyyn. Digitaaliset tiedonsiirtomenetelmät mahdollistavat fyysisten tiedonsiirtokanavien luomisen täysin ilman häviötä (ei kohinan ja muiden vääristymien lisääntymistä)
Fyysisessä mielessä minkään digitaalisen elektroniikkapiirin ja koko laitteen käyttäytyminen ei eroa analogisen elektronisen laitteen tai piirin käyttäytymisestä, ja sitä voidaan kuvata teorialla ja säännöillä, jotka kuvaavat analogisten elektronisten laitteiden toimintaa.
Analogisissa piireissä informaation koodaustavan mukaisesti ne ovat paljon herkempiä kohinan vaikutuksille kuin digitaaliset piirit. Pieni signaalin muutos voi tehdä merkittäviä muutoksia lähetettyyn informaatioon ja lopulta johtaa sen katoamiseen; digitaaliset signaalit puolestaan saavat vain yhden kahdesta mahdollisesta arvosta, ja virheen aiheuttamiseksi kohinan on oltava noin puolet niiden kokonaisarvosta. Tätä digitaalisten piirien ominaisuutta voidaan käyttää lisäämään signaalien vastustuskykyä häiriöille. Lisäksi jokaisessa logiikkaportissa signaalinpalautuksen avulla tarjotaan kohinan vastatoimia, jotka vähentävät tai poistavat häiriöitä; tällainen mekanismi tulee mahdolliseksi digitaalisten signaalien kvantisoinnin ansiosta [16] . Niin kauan kuin signaali pysyy tietyllä arvoalueella, se liittyy samaan tietoon.
Kohina on yksi avaintekijöistä, jotka vaikuttavat signaalin tarkkuuteen ; se on pääasiassa alkuperäisessä signaalissa olevaa kohinaa ja sen lähetyksen aikana aiheutuvaa häiriötä (katso signaali-kohinasuhde ). Fyysiset perusrajoitukset - esimerkiksi ns. Komponenttien laukauskohina – asettaa rajoituksia analogisten signaalien resoluutiolle . Digitaalisessa elektroniikassa lisätarkkuutta tarjoaa signaalia luonnehtivien apubittien käyttö; niiden määrä riippuu analogia-digitaalimuuntimen (ADC) suorituskyvystä [17] .
Analogisia piirejä on vaikeampi suunnitella kuin vastaavia digitaalisia piirejä; tämä on yksi syy siihen, miksi digitaaliset järjestelmät ovat yleistyneet analogisia järjestelmiä. Analoginen piiri on suunniteltu käsin, ja sen luontiprosessi tarjoaa vähemmän tilaa automaatiolle . On kuitenkin huomattava, että voidakseen olla vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa tavalla tai toisella digitaalinen elektroninen laite tarvitsee analogisen liitännän [18] . Esimerkiksi digitaalisessa radiossa on analoginen esivahvistin, joka on ensimmäinen lenkki vastaanottoketjussa.
Elektroniset piirit ja niiden komponentit voidaan jakaa kahteen avaintyyppiin niiden yleisistä toimintaperiaatteista riippuen: analoginen (jatkuva) ja digitaalinen (diskreetti). Yksi ja sama laite voi koostua samantyyppisistä piireistä tai molempien tyyppien sekoituksesta vaihtelevissa suhteissa.
Periaatteessa analogiset elektroniset laitteet ja laitteet ( esimerkiksi radiovastaanottimet ) ovat rakenteellisesti yhdistelmä useista eri peruspiireistä. Analogiset piirit käyttävät jatkuvaa jännitealuetta , toisin kuin digitaalisissa piireissä esiintyvät diskreetit tasot. Tällä hetkellä on kehitetty huomattava määrä erilaisia analogisia piirejä - erityisesti niiden määrä on suuri johtuen siitä, että "piirillä" voidaan ymmärtää monia asioita: yhdestä komponentista kokonaiseen järjestelmään, joka koostuu tuhansista elementeistä . Analogisia piirejä kutsutaan joskus myös lineaariseksi (vaikka on huomattava, että joissakin niiden tyypeissä - esimerkiksi muuntimissa tai modulaattoreissa käytetään myös monia epälineaarisia efektejä). Tyypillisiä esimerkkejä analogisista piireistä ovat tyhjiöputket ja transistorivahvistimet, operaatiovahvistimet ja oskillaattorit .
Tällä hetkellä on vaikea löytää sellaista elektronista piiriä, joka olisi täysin analoginen. Nyt analogiset piirit käyttävät digitaalisia tai jopa mikroprosessoritekniikoita parantaakseen suorituskykyään . Tällaista piiriä ei yleensä kutsuta analogiseksi tai digitaaliseksi, vaan seokseksi. Joissakin tapauksissa on vaikea tehdä selkeää eroa jatkuvien ja diskreettien piirien välillä - johtuen siitä, että molemmat sisältävät sekä lineaarisia että epälineaarisia elementtejä. Esimerkki on esimerkiksi komparaattori : vastaanottaessaan jatkuvan jännitealueen sisääntulossa, se tuottaa samanaikaisesti vain toisen kahdesta mahdollisesta signaalitasosta lähdössä , kuten digitaalipiiri. Vastaavasti ylikuormitettu transistorivahvistin voi saada ohjatun kytkimen ominaisuudet, jolla on myös kaksi lähtötasoa.
Digitaaliset piirit sisältävät piirit, jotka perustuvat kahteen tai useampaan erilliseen jännitetasoon [19] . Ne edustavat Boolen algebran tyypillisintä fyysistä toteutusta ja muodostavat kaikkien digitaalisten tietokoneiden perusperustan. Termejä "digitaalinen piiri", "digitaalinen järjestelmä" ja "logiikkapiiri" pidetään usein synonyymeinä. Digitaalisille piireille on yleensä ominaista binäärijärjestelmä, jossa on kaksi jännitetasoa, jotka vastaavat loogista nollaa ja loogista ykköstä. Usein ensimmäinen vastaa matalaa jännitettä ja toinen korkeaa, vaikka on myös käänteisiä vaihtoehtoja. Lisäksi tutkittiin kolminkertaisia loogisia piirejä (eli kolme mahdollista tilaa) ja niiden pohjalta yritettiin rakentaa tietokoneita. Digitaaliset piirit muodostavat tietokoneiden lisäksi elektronisten kellojen ja ohjelmoitavien logiikkaohjaimien (käytetään ohjaamaan teollisia prosesseja) perustan; Toinen esimerkki on digitaaliset signaaliprosessorit .
Tämän tyyppisiä rakenteellisia peruselementtejä ovat:
Erittäin integroidut laitteet:
jne.
Elektroniikkalaitteiden luotettavuus koostuu itse laitteen luotettavuudesta ja virransyötön luotettavuudesta . Itse elektroniikkalaitteen luotettavuus koostuu elementtien luotettavuudesta, kytkentöjen luotettavuudesta, piirin luotettavuudesta jne. Elektroniikkalaitteiden luotettavuus esitetään graafisesti vikakäyrällä (vikojen lukumäärän riippuvuus toiminnasta). aika). Tyypillisessä vikakäyrässä on kolme segmenttiä, joilla on eri kaltevuus. Ensimmäisessä osassa vikojen määrä vähenee, toisessa osassa vikojen määrä tasaantuu ja on lähes vakio kolmanteen jaksoon asti, kolmannessa osassa vikojen määrä kasvaa jatkuvasti, kunnes laite on täysin käyttökelvoton.
Radioelektronisten laitteiden ja komponenttien kehitystyön ajan oli tarve objektiiviseen arviointiin sekä yksittäisten radiokomponenttien että valmiiden tuotteiden kunnosta ja parametreista. Tämä johti ja johtaa tarpeeseen hankkia mittauslaitteita. Niiden toiminnalliset ominaisuudet ovat hyvin erilaisia. Samalla mittalaitteet itsessään ovat myös erillinen elektroniikan alue. Mittauslaitteiden tarkkuus on tärkein tekijä, josta niiden avulla kehitetyn ja virheenkorjauksen tekemien radiolaitteiden laatu suoraan riippuu. Yhtä tärkeää on mittausmenetelmien noudattaminen (katso Metrologia ). Tarkimpia instrumentteja käytetään erikoissovelluksiin, eivätkä ne ole useimpien suunnittelijoiden saatavilla. Aloitustason laitteet ( yleismittari , laboratoriovirtalähde ) tekivät usein harrastajat itse.
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
|