Electronica (din grecescul Ηλεκτρόνιο „ electron ”) este un domeniu al științei și tehnologiei care se ocupă cu crearea și utilizarea practică a diferitelor dispozitive și dispozitive electronice [1] , a căror activitate se bazează pe modificarea concentrației și mișcării particulelor încărcate (electroni). ) în vid , în corpuri cristaline gazoase sau solide și în alte fenomene fizice (NBIC).
De asemenea, denumirea abreviată a echipamentelor electronice .
Apariția electronicii a fost precedată de descoperirea și studiul electricității, electromagnetismului și apoi - invenția radioului . Deoarece transmițătoarele radio și-au găsit imediat aplicație (în primul rând pe nave și în afaceri militare ), au avut nevoie de o bază de elemente, a cărei creare și studiu a fost preluată de electronică. Elementul de bază din prima generație a fost bazat pe tuburi vidate . În consecință, electronica de vid a dezvoltat . Dezvoltarea sa a fost facilitată și de inventarea televiziunii și a radarului , care au fost utilizate pe scară largă în timpul celui de -al Doilea Război Mondial [2] [3] .
Dar tuburile cu vid aveau dezavantaje semnificative. În primul rând, acestea sunt dimensiuni mari și consum mare de energie (care a fost critic pentru dispozitivele portabile). Prin urmare, electronica cu stare solidă a început să se dezvolte, iar diodele și tranzistoarele au început să fie folosite ca bază a elementului .
Dezvoltarea în continuare a electronicii este asociată cu apariția computerelor . Calculatoarele bazate pe tranzistori s-au caracterizat prin dimensiuni mari și consum de energie, precum și fiabilitate scăzută (datorită numărului mare de piese). Pentru a rezolva aceste probleme, au început să fie folosite microansambluri și apoi microcircuite . Numărul de elemente de microcircuit a crescut treptat, au început să apară microprocesoare . În prezent, dezvoltarea electronicii este facilitată de apariția comunicațiilor celulare , precum și a diferitelor dispozitive fără fir, navigatoare , comunicatoare , tablete etc.
În Rusia, activitatea științifică a lui A. S. Popov și începutul utilizării echipamentelor telegrafice fără fir, invenția declanșatorului tubului de către M. Bonch-Bruevich în 1918 [4] , utilizarea unui element semiconductor de către Losev pentru a amplifica și genera semnalele electrice [5 ] au contribuit la apariția și dezvoltarea electronicii. ] , utilizarea elementelor conductoare și semiconductoare în lucrările lui Ioffe și dezvoltarea bazei semiconductoare GaAs / AlAs și a soluțiilor lor ternare în laboratorul lui Alferov [6] .
Înainte de apariția calculatoarelor electronice se executau operații logice pe relee electromecanice sau mecanice. În 1943, computerul electromecanic Mark-1 a efectuat o operație de adăugare în 0,3 secunde [7] . Dar deja la mijlocul secolului al XX-lea, au început să folosească dispozitivul de electrovacuum inventat de Lieben (1912) [8] și Lee de Forest (1906) - o triodă [4] , al cărei curent putea fi controlat folosind o rețea. , care a făcut posibilă controlul semnalului [9] . În 1939, a apărut primul calculator cu tub vid ( J. Atanasov ), unde se făceau calcule folosind operații logice [10] . În 1946, a apărut calculatorul electric cu vid Eniac, care conținea 17.468 de lămpi care trebuiau verificate în timpul instalării. Această mașină ar putea efectua 5.000 de adăugiri pe secundă [11] .
Apariția primului tranzistor în 1947 , creat de William Shockley , John Bardeen și Walter Brattain , a făcut posibilă trecerea la logica în stare solidă [12] , iar invenția ulterioară a structurii metal-oxid-semiconductor a devenit cea mai importantă. piatră de hotar în dezvoltarea electronicii [13] , care a dus la crearea unui microcircuit integrat și la dezvoltarea ulterioară a microelectronicii, principalul domeniu al electronicii moderne [14] [15] .
Se pot distinge următoarele domenii ale electronicii:
Un dispozitiv electronic poate include o mare varietate de materiale și medii în care are loc procesarea semnalului electric folosind diferite procese fizice. Dar în orice dispozitiv există întotdeauna un circuit electric .
Multe discipline științifice ale universităților tehnice sunt dedicate studiului diferitelor aspecte ale electronicii .
Termenul de electronică solidă a apărut în literatura de specialitate la mijlocul secolului al XX-lea pentru a se referi la dispozitive bazate pe o bază de element semiconductor: tranzistori și diode semiconductoare, care au înlocuit dispozitivele voluminoase cu vid electric cu eficiență scăzută - tuburi radio. Rădăcina „solid” este folosită aici deoarece procesul de control al curentului electric are loc într-un corp solid al unui semiconductor, spre deosebire de un vid, așa cum a făcut într-un tub vidat. Mai târziu, la sfârșitul secolului al XX-lea, acest termen și-a pierdut sensul și a căzut treptat din uz, deoarece aproape toată electronica civilizației noastre a început să folosească exclusiv baza elementului activ semiconductor în stare solidă.
Miniaturizare dispozitivOdată cu nașterea electronicii cu stare solidă, a început un proces rapid revoluționar de miniaturizare a dispozitivelor electronice. De câteva decenii, elementele active au scăzut foarte mult: dacă dimensiunile lămpilor au fost de câțiva centimetri, dimensiunile tranzistoarelor moderne integrate pe un cip semiconductor sunt de zeci de nanometri. Circuitele integrate moderne pot conține câteva miliarde dintre acești tranzistori.
Elementele active și pasive din electronica solidă sunt create pe un cristal semiconductor omogen ultra-pur, cel mai adesea siliciu, prin injectarea sau depunerea de noi straturi în anumite coordonate ale corpului cristalin al atomilor altor elemente chimice, molecule mai complexe, inclusiv substanțe organice. Injecția modifică proprietățile semiconductorului la locul injectării (dopajul) modificându-i conductivitatea în sens invers, creând astfel o diodă sau un tranzistor sau un element pasiv: rezistor, conductor, condensator sau inductor, izolator, radiator și alte structuri. În ultimii ani, tehnologia de producere a surselor de lumină pe un cip a devenit larg răspândită. Un număr mare de descoperiri și tehnologii dezvoltate pentru utilizarea tehnologiilor în stare solidă se află încă în seifurile deținătorilor de brevete și așteaptă în aripi.
Tehnologia de obținere a cristalelor semiconductoare, a căror puritate vă permite să creați elemente cu o dimensiune de câțiva nanometri, a început să fie numită nanotehnologie , iar secțiunea de electronică - microelectronica.
În anii 1970, în procesul de miniaturizare a electronicii cu stare solidă, a avut loc o scindare în microelectronica analogică și digitală . În condițiile concurenței pe piața producătorilor de bază de elemente, producătorii de electronice digitale au câștigat. Și în secolul 21 , producția și evoluția electronicii analogice au fost practic oprite. Deoarece, în realitate, toți consumatorii de microelectronică solicită de la aceasta, de regulă, semnale sau acțiuni analogice nu digitale, ci continue, dispozitivele digitale sunt echipate cu DAC -uri la intrările și ieșirile lor.
Miniaturizarea circuitelor electronice a fost însoțită de o creștere a vitezei dispozitivelor. Așadar, primele dispozitive digitale cu tehnologie TTL au necesitat microsecunde pentru a trece de la o stare la alta și au consumat un curent mare, ceea ce a necesitat măsuri speciale pentru îndepărtarea căldurii.
La începutul secolului al XXI-lea, evoluția electronicii solid-state în direcția miniaturizării elementelor s-a oprit treptat și acum este practic oprită. Această oprire a fost predeterminată de atingerea dimensiunilor minime posibile de tranzistori, conductori și alte elemente pe un cristal semiconductor care sunt încă capabile să elimine căldura degajată în timpul fluxului de curent și să nu fie distruse. Aceste dimensiuni au atins unitățile de nanometri și de aceea tehnologia de fabricare a microcipurilor se numește nanotehnologie .
Următoarea etapă în evoluția electronicii va fi probabil optoelectronica, în care elementul purtător va fi un foton, care este mult mai mobil, mai puțin inerțial decât un electron / „găură” dintr-un semiconductor de electronică solidă.
Principalele dispozitive active în stare solidă utilizate în dispozitivele electronice sunt:
Exemple de utilizare a dispozitivelor cu stare solidă în electronică:
Deoarece circuitele analogice și digitale codifică informații în mod diferit, ele au, de asemenea, procese diferite de procesare a semnalului. Trebuie remarcat faptul că toate operațiunile care pot fi efectuate pe un semnal analogic (în special, amplificare, filtrare, limitare a intervalului etc.) pot fi efectuate și folosind electronică digitală și metode de simulare software în microprocesoare.
Principala diferență dintre electronicele analogice și digitale poate fi găsită în cele mai caracteristice moduri de codificare a informațiilor pentru o anumită electronică.
Electronica analogică folosește cea mai simplă codare proporțională unidimensională - reflectarea parametrilor fizici ai sursei de informații în parametri fizici similari ai câmpului electric sau tensiunii (amplitudini în amplitudini, frecvențe în frecvențe, faze în faze etc.).
Electronica digitală utilizează codificarea n-dimensională a parametrilor fizici ai sursei de date. Minim in electronica digitala se foloseste codarea bidimensionala: tensiune (curent) si momente de timp. Această redundanță este acceptată numai pentru transmisia de date garantată cu orice nivel programabil de zgomot și distorsiune adăugat în dispozitiv la semnalul original. În circuitele digitale mai complexe, sunt utilizate metode de procesare a informațiilor prin microprocesor software. Metodele digitale de transmisie a datelor fac posibilă crearea efectivă a canalelor fizice de transmisie a datelor fără nicio pierdere (fără creștere a zgomotului și a altor distorsiuni)
În sens fizic, comportamentul oricărui circuit electronic digital și al întregului dispozitiv nu este diferit de comportamentul unui dispozitiv sau circuit electronic analogic și poate fi descris de teoria și regulile care descriu funcționarea dispozitivelor electronice analogice.
În conformitate cu modul în care informațiile sunt codificate în circuitele analogice, acestea sunt mult mai vulnerabile la efectele zgomotului decât circuitele digitale. O mică modificare a semnalului poate aduce modificări semnificative informațiilor transmise și, în cele din urmă, poate duce la pierderea acesteia; la rândul lor, semnalele digitale iau doar una dintre cele două valori posibile, iar pentru a provoca o eroare, zgomotul trebuie să fie aproximativ jumătate din valoarea lor totală. Această proprietate a circuitelor digitale poate fi utilizată pentru a crește rezistența semnalelor la interferențe. În plus, sunt asigurate contramăsuri de zgomot prin intermediul recuperării semnalului la fiecare poartă logică, care reduc sau elimină interferența; un astfel de mecanism devine posibil datorită cuantizării semnalelor digitale [16] . Atâta timp cât semnalul rămâne într-un anumit interval de valori, acesta este asociat cu aceeași informație.
Zgomotul este unul dintre factorii cheie care afectează acuratețea semnalului ; este în principal zgomotul prezent în semnalul original și interferența introdusă în timpul transmisiei acestuia (vezi raportul semnal-zgomot ). Limitări fizice fundamentale - de exemplu, așa-numitele. Zgomotul de fotografiere în componente - stabilește limite pentru rezoluția semnalelor analogice . În electronica digitală, o precizie suplimentară este oferită prin utilizarea biților auxiliari care caracterizează semnalul; numărul acestora depinde de performanța convertorului analog-digital (ADC) [17] .
Circuitele analogice sunt mai dificil de proiectat decât circuitele digitale comparabile; acesta este unul dintre motivele pentru care sistemele digitale au devenit mai răspândite decât sistemele analogice. Circuitul analogic este proiectat manual, iar procesul de creare a acestuia oferă mai puține posibilități de automatizare . Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că pentru a interacționa cu mediul într-o formă sau alta, un dispozitiv electronic digital are nevoie de o interfață analogică [18] . De exemplu, un radio digital are un preamplificator analogic, care este prima verigă din lanțul de recepție.
Circuitele electronice și componentele lor pot fi împărțite în două tipuri cheie în funcție de principiile generale de funcționare a acestora: analog (continuu) și digital (discret). Unul și același dispozitiv poate consta din circuite de același tip sau dintr-un amestec de ambele tipuri în proporții diferite.
Practic, dispozitivele și dispozitivele electronice analogice ( receptoare radio , de exemplu) sunt structural o combinație de mai multe varietăți de circuite de bază. Circuitele analogice folosesc un domeniu continuu de tensiune , spre deosebire de nivelurile discrete găsite în circuitele digitale. În prezent, a fost dezvoltat un număr semnificativ de diverse circuite analogice - în special, numărul lor este mare datorită faptului că prin „circuit” se pot înțelege multe lucruri: de la o singură componentă la un întreg sistem format din mii de elemente. . Circuitele analogice sunt uneori numite și liniare (deși trebuie remarcat că în unele dintre tipurile lor - convertoare , de exemplu, sau modulatoare , sunt utilizate și multe efecte neliniare). Exemplele tipice de circuite analogice includ tuburi cu vid și amplificatoare cu tranzistori, amplificatoare operaționale și oscilatoare .
În prezent, este dificil să găsești un astfel de circuit electronic care să fie complet analogic. Acum circuitele analogice folosesc tehnologii digitale sau chiar microprocesoare pentru a-și crește performanța . Un astfel de circuit este de obicei numit nu analog sau digital, ci mixt. În unele cazuri, este dificil să se facă o distincție clară între circuitele continue și discrete - datorită faptului că ambele includ elemente atât de natură liniară, cât și neliniară. Un exemplu este, să zicem, un comparator : primind un domeniu continuu de tensiune la intrare, acesta produce în același timp doar unul dintre cele două niveluri de semnal posibile la ieșire , ca un circuit digital. În mod similar, un amplificator cu tranzistor supraîncărcat poate prelua proprietățile unui comutator controlat care are și două niveluri de ieșire.
Circuitele digitale includ circuite bazate pe două sau mai multe niveluri de tensiune discrete [19] . Ele reprezintă cea mai tipică implementare fizică a algebrei booleene și formează baza elementară a tuturor calculatoarelor digitale. Termenii „circuit digital”, „sistem digital” și „circuit logic” sunt adesea considerați sinonimi. Pentru circuitele digitale, de regulă, este caracteristic un sistem binar cu două niveluri de tensiune, care corespund unui zero logic și, respectiv, unuia logic. Adesea, primul corespunde cu tensiune joasă, iar al doilea cu înaltă, deși există și opțiuni inverse. Au fost studiate și circuitele logice ternare (adică cu trei stări posibile) și s-au încercat să construiască calculatoare pe baza acestora. Pe lângă calculatoare, circuitele digitale formează baza ceasurilor electronice și controlerelor logice programabile (utilizate pentru controlul proceselor industriale); Un alt exemplu sunt procesoarele digitale de semnal .
Elementele structurale de bază de acest tip includ:
Dispozitive foarte integrate:
si etc.
Fiabilitatea dispozitivelor electronice constă în fiabilitatea dispozitivului în sine și fiabilitatea sursei de alimentare . Fiabilitatea dispozitivului electronic în sine constă în fiabilitatea elementelor, fiabilitatea conexiunilor, fiabilitatea circuitului etc. Grafic, fiabilitatea dispozitivelor electronice este afișată de curba de defecțiuni (dependența numărului de defecțiuni de funcționare). timp). O curbă tipică de defecțiune are trei segmente cu pante diferite. În prima secțiune, numărul defecțiunilor scade, în a doua secțiune, numărul defecțiunilor se stabilizează și este aproape constant până la a treia secțiune, în a treia secțiune, numărul defecțiunilor crește constant până când dispozitivul este complet inutilizabil.
Pe parcursul dezvoltării dispozitivelor și componentelor electronice radio, a fost nevoie de o evaluare obiectivă a stării de sănătate și a parametrilor atât a componentelor radio individuale, cât și a produselor finite. Acest lucru a condus și duce la necesitatea de a avea o flotă de instrumente de măsură. Caracteristicile lor funcționale sunt foarte diverse. În același timp, instrumentele de măsurare în sine sunt, de asemenea, o zonă separată a electronicii. Precizia echipamentelor de măsurare este cel mai important factor de care depinde direct calitatea echipamentelor radio dezvoltate și depanate cu ajutorul lor. La fel de importantă este respectarea metodologiei de măsurare (vezi Metrologie ). Cele mai precise instrumente sunt folosite pentru aplicații speciale și nu sunt disponibile pentru majoritatea designerilor. Dispozitivele entry-level ( multimetru , sursa de alimentare de laborator ) au fost adesea realizate de entuziaști pe cont propriu.
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
|