Az elektronika (a görögül Ηλεκτρόνιο " elektron ") a tudomány és a technológia olyan területe, amely különféle elektronikus eszközök és eszközök létrehozásával és gyakorlati felhasználásával foglalkozik [1] , amelynek munkája a töltött részecskék (elektronok) koncentrációjának és mozgásának megváltoztatásán alapul. ) vákuumban , gázban vagy szilárd kristályos testekben és más fizikai jelenségekben (NBIC).
Szintén - az elektronikus berendezések rövidített elnevezése .
Az elektronika megjelenését megelőzte az elektromosság, az elektromágnesesség felfedezése és tanulmányozása, majd - a rádió feltalálása . Mivel a rádióadók azonnal alkalmazásra találtak (elsősorban a hajókon és a katonai ügyekben ), szükség volt egy elembázisra, amelynek létrehozását és tanulmányozását az elektronika vette át. Az első generáció elemalapja vákuumcsövekre épült . Ennek megfelelően fejlődött ki a vákuumelektronika . Kifejlődését elősegítette a televízió és a radar feltalálása is , amelyeket a második világháború idején széles körben használtak [2] [3] .
De a vákuumcsöveknek jelentős hátrányai voltak. Először is, ezek nagy méretek és nagy energiafogyasztás (ami kritikus volt a hordozható eszközök esetében). Ezért kezdett fejlődni a szilárdtest-elektronika , és diódákat és tranzisztorokat kezdtek használni elemalapként .
Az elektronika továbbfejlődése a számítógépek megjelenésével függ össze . A tranzisztor alapú számítógépeket nagy méret és fogyasztás, valamint alacsony megbízhatóság jellemezte (a nagy alkatrészszám miatt). E problémák megoldására mikroösszeállításokat , majd mikroáramköröket kezdtek használni . A mikroáramköri elemek száma fokozatosan nőtt, elkezdtek megjelenni a mikroprocesszorok . Jelenleg az elektronika fejlődését elősegíti a cellás kommunikáció megjelenése , valamint a különféle vezeték nélküli eszközök, navigátorok , kommunikátorok , táblagépek stb.
Oroszországban A. S. Popov tudományos tevékenysége és a vezeték nélküli távíró berendezések használatának kezdete, M. Bonch-Bruevich 1918 -ban feltalált csöves trigger [4] , Losev félvezető elem használata az erősítésre és generálásra. elektromos jelek [5] hozzájárultak az elektronika megjelenéséhez és fejlődéséhez. ] , vezető- és félvezető elemek felhasználása Ioffe munkáiban, valamint a GaAs/AlAs félvezető bázis és ezek háromkomponensű megoldásainak kifejlesztése Alferov laboratóriumában [6] .
Az elektronikus számítógépek megjelenése előtt a logikai műveleteket elektromechanikus vagy mechanikus reléken hajtották végre. 1943-ban a Mark-1 elektromechanikus számítógép 0,3 másodperc alatt végzett egy összeadási műveletet [7] . De már a 20. század közepén elkezdték használni a Lieben (1912) [8] és Lee de Forest (1906) által feltalált elektrovákuumos készüléket - egy triódát [4] , amelynek áramát rács segítségével lehetett szabályozni. , amely lehetővé tette a jel vezérlését [9] . 1939-ben jelent meg az első vákuumcsöves számítógép ( J. Atanasov ), ahol logikai műveletekkel végeztek számításokat [10] . 1946-ban jelent meg az Eniac elektromos vákuumszámítógép , amely 17 468 lámpát tartalmazott, amelyeket a telepítés során ellenőrizni kellett. Ez a gép másodpercenként 5000 hozzáadást tudott végrehajtani [11] .
Az első tranzisztor megjelenése 1947 -ben , amelyet William Shockley , John Bardeen és Walter Brattain alkotott meg, lehetővé tette a szilárdtest-logikára való átállást [12] , és a fém-oxid-félvezető szerkezet ezt követő feltalálása lett a legfontosabb. mérföldkő az elektronika fejlődésében [13] , amely egy integrált mikroáramkörök létrehozásához, majd a mikroelektronika, a modern elektronika fő területe [14] [15] kifejlesztéséhez vezetett .
Az elektronika következő területei különböztethetők meg:
Egy elektronikus eszköz sokféle anyagot és környezetet tartalmazhat, ahol az elektromos jelfeldolgozás különféle fizikai folyamatok segítségével történik. De minden eszközben mindig van elektromos áramkör .
A műszaki egyetemek számos tudományága foglalkozik az elektronika különféle aspektusainak tanulmányozásával .
A szilárdtest-elektronika kifejezés a 20. század közepén jelent meg a szakirodalomban a félvezető elem alapú eszközökre: tranzisztorokra és félvezető diódákra, amelyek a terjedelmes kis hatásfokú elektromos vákuumeszközöket - rádiócsöveket - váltották fel. A "szilárd" gyökér itt azért használatos, mert az elektromos áram szabályozásának folyamata egy félvezető szilárd testében megy végbe, ellentétben a vákuummal, mint a vákuumcsőben. Később, a 20. század végén ez a kifejezés értelmét vesztette, és fokozatosan kikerült a használatból, mivel civilizációnk szinte minden elektronikája kizárólag félvezető szilárdtest aktív elembázist kezdett használni.
Eszköz miniatürizálásaA szilárdtest-elektronika megszületésével forradalmian gyors folyamat indult el az elektronikus eszközök miniatürizálásában. Évtizedek óta az aktív elemek nagymértékben csökkentek: ha a lámpák mérete több centiméter volt, akkor a félvezető chipbe integrált modern tranzisztorok mérete több tíz nanométer. A modern integrált áramkörök több milliárd ilyen tranzisztort tartalmazhatnak.
A szilárdtest-elektronikában az aktív és passzív elemeket homogén ultratiszta félvezető kristályon, leggyakrabban szilíciumon hozzák létre más kémiai elemek, összetettebb molekulák atomjainak a kristálytest bizonyos koordinátáiba történő befecskendezésével vagy új rétegek lerakásával. szerves anyagok. Az injektálás megváltoztatja a félvezető tulajdonságait a befecskendezés helyén (adagolás) azáltal, hogy a vezetőképességét fordítottra változtatja, így diódát vagy tranzisztort vagy passzív elemet hoz létre: ellenállást, vezetőt, kondenzátort vagy induktort, szigetelőt, hűtőbordát és egyéb szerkezeteket. Az utóbbi években széles körben elterjedt a fényforrások chipen történő előállításának technológiája. A szilárdtest-technológiák használatára vonatkozó felfedezések és kifejlesztett technológiák hatalmas száma még mindig a szabadalom birtokosainak széfjében van, és a szárnyakon vár.
A félvezető kristályok megszerzésének technológiáját, amelynek tisztasága lehetővé teszi több nanométer méretű elemek létrehozását, nanotechnológiának , az elektronika részlegét pedig mikroelektronikának nevezték.
Az 1970-es években a szilárdtest-elektronika miniatürizálása során analóg és digitális mikroelektronikára szakadtak. Az elembázis gyártóinak piacán a verseny feltételei között a digitális elektronika gyártói nyertek. És a 21. században az analóg elektronika gyártása és fejlődése gyakorlatilag leállt. Mivel a valóságban a mikroelektronika minden fogyasztója általában nem digitális, hanem folyamatos analóg jeleket vagy műveleteket igényel, a digitális eszközök be- és kimeneteiken DAC -okkal vannak felszerelve.
Az elektronikus áramkörök miniatürizálását az eszközök sebességének növekedése kísérte. Tehát az első TTL technológiás digitális eszközök mikroszekundumokat igényeltek az egyik állapotból a másikba való átváltáshoz, és nagy áramot fogyasztottak, ami különleges intézkedéseket igényelt a hő eltávolításához.
A 21. század elején a szilárdtest-elektronika fejlődése az elemek miniatürizálása irányába fokozatosan leállt, és mára gyakorlatilag leállt. Ezt a megállást a tranzisztorok, vezetők és egyéb elemek minimális lehetséges méretének elérése határozta meg egy félvezető kristályon, amelyek még mindig képesek eltávolítani az áram áramlása során felszabaduló hőt, és nem tönkremennek. Ezek a méretek elérték a nanométeres egységeket, ezért a mikrochipek gyártásának technológiáját nanotechnológiának nevezik .
Az elektronika fejlődésének következő állomása valószínűleg az optoelektronika lesz, amelyben a hordozó elem egy foton lesz, amely sokkal mozgékonyabb, kevésbé inerciális, mint egy elektron / „lyuk” a szilárdtestelektronikai félvezetőben.
Az elektronikus eszközökben használt fő szilárdtest aktív eszközök a következők:
Példák a szilárdtest-eszközök elektronikai felhasználására:
Mivel az analóg és a digitális áramkörök eltérően kódolják az információkat , eltérő jelfeldolgozási folyamatokkal is rendelkeznek. Megjegyzendő, hogy minden analóg jellel végrehajtható művelet (különösen az erősítés, szűrés, tartománykorlátozás stb.) elvégezhető digitális elektronikai és szoftveres szimulációs módszerekkel is mikroprocesszorokban.
Az analóg és a digitális elektronika közötti fő különbség az adott elektronika információkódolásának legjellemzőbb módjaiban keresendő.
Az analóg elektronika a legegyszerűbb arányos egydimenziós kódolást alkalmazza - az információforrás fizikai paramétereinek tükrözését az elektromos tér vagy feszültség hasonló fizikai paramétereibe (amplitúdók amplitúdókká, frekvenciák frekvenciákká, fázisok fázisokká stb.).
A digitális elektronika az adatforrás fizikai paramétereinek n-dimenziós kódolását használja. A digitális elektronikában minimum kétdimenziós kódolást alkalmaznak: feszültség (áram) és időpillanatok. Ez a redundancia kizárólag garantált adatátvitel esetén fogadható el, bármilyen programozható zaj- és torzítási szinttel, amely a készülékben hozzáadódik az eredeti jelhez. A bonyolultabb digitális áramkörökben szoftveres mikroprocesszoros információfeldolgozási módszereket alkalmaznak. A digitális adatátviteli módszerek lehetővé teszik fizikai adatátviteli csatornák tényleges létrehozását veszteség nélkül (zaj és egyéb torzítások növekedése nélkül)
Fizikai értelemben bármely digitális elektronikus áramkör és az egész eszköz viselkedése nem különbözik egy analóg elektronikus eszköz vagy áramkör viselkedésétől, és leírható az analóg elektronikus eszközök működését leíró elmélettel és szabályokkal.
Az információk analóg áramkörökben való kódolási módjának megfelelően sokkal érzékenyebbek a zajhatásokra , mint a digitális áramkörök. Egy kis jelváltozás jelentős mértékben módosíthatja a továbbított információt, és végül annak elvesztéséhez vezethet; viszont a digitális jelek két lehetséges érték közül csak egyet vesznek fel, és ahhoz, hogy hibát okozzanak, a zajnak az összértéküknek körülbelül a felét kell elérnie. A digitális áramkörök ezen tulajdonsága felhasználható a jelek interferencia-ellenállásának növelésére. Ezen túlmenően minden egyes logikai kapunál zajellenőrzést biztosítanak a jelvisszaállítás révén, amely csökkenti vagy megszünteti az interferenciát; egy ilyen mechanizmus a digitális jelek kvantálása révén válik lehetővé [16] . Mindaddig, amíg a jel egy bizonyos értéktartományon belül marad, ugyanazzal az információval van társítva.
A zaj az egyik kulcsfontosságú tényező, amely befolyásolja a jel pontosságát ; elsősorban az eredeti jelben lévő zaj és az átvitel során keletkezett interferencia (lásd a jel-zaj arányt ). Az alapvető fizikai korlátok - például az ún. Lövészaj az alkatrészekben – korlátokat szab az analóg jelek felbontásának . A digitális elektronikában további pontosságot biztosít a jelet jellemző segédbitek használata; számuk az analóg-digitális átalakító (ADC) teljesítményétől függ [17] .
Az analóg áramkörök tervezése nehezebb, mint a hasonló digitális áramkörök; ez az egyik oka annak, hogy a digitális rendszerek szélesebb körben elterjedtek, mint az analóg rendszerek. Az analóg áramkört kézzel tervezték, és a létrehozási folyamat kevesebb lehetőséget biztosít az automatizálásra . Meg kell azonban jegyezni, hogy a környezettel való interakcióhoz a digitális elektronikus eszköznek analóg interfészre van szüksége [18] . Például egy digitális rádiónak van egy analóg előerősítője, amely az első láncszem a vételi láncban.
Az elektronikus áramkörök és alkatrészeik működésük általános elvétől függően két fő típusra oszthatók: analóg (folyamatos) és digitális (diszkrét). Egy és ugyanaz a készülék állhat azonos típusú áramkörökből, vagy a két típus különböző arányú keverékéből.
Alapvetően az analóg elektronikai eszközök és eszközök ( például rádióvevők ) szerkezetileg az alapáramkörök többféle változatának kombinációi. Az analóg áramkörök folyamatos feszültségtartományt használnak , szemben a digitális áramkörökben található diszkrét szintekkel. Jelenleg jelentős számú különféle analóg áramkört fejlesztettek ki - különösen nagy számuk annak köszönhető, hogy az „áramkörrel” sok mindent meg lehet érteni: egyetlen komponenstől a több ezer elemből álló teljes rendszerig. . Az analóg áramköröket néha lineárisnak is nevezik (bár meg kell jegyezni, hogy egyes típusaikban - például konverterekben vagy modulátorokban - sok nemlineáris hatás is használatos). Az analóg áramkörök tipikus példái közé tartoznak a vákuumcsövek és a tranzisztoros erősítők, a műveleti erősítők és az oszcillátorok .
Jelenleg nehéz ilyen elektronikus áramkört találni, amely teljesen analóg lenne. Manapság az analóg áramkörök digitális vagy akár mikroprocesszoros technológiát alkalmaznak teljesítményük növelésére . Az ilyen áramkört általában nem analógnak vagy digitálisnak nevezik, hanem vegyesnek. Egyes esetekben nehéz egyértelmű különbséget tenni a folytonos és a diszkrét áramkörök között - annak a ténynek köszönhetően, hogy mindkettő tartalmaz lineáris és nemlineáris jellegű elemeket is. Példa erre, mondjuk, egy komparátor : folyamatos feszültségtartományt fogadva a bemeneten, ugyanakkor a kimeneten a két lehetséges jelszint közül csak az egyiket állítja elő , mint egy digitális áramkör. Hasonlóképpen, a túlterhelt tranzisztoros erősítő felveheti egy vezérelt kapcsoló tulajdonságait, amelynek két kimeneti szintje is van.
A digitális áramkörök közé tartoznak a két vagy több diszkrét feszültségszinten alapuló áramkörök [19] . A Boole-algebra legtipikusabb fizikai megvalósítását képviselik, és minden digitális számítógép elemi alapját képezik. A „digitális áramkör”, „digitális rendszer” és „logikai áramkör” kifejezéseket gyakran szinonimáknak tekintik. A digitális áramkörökre általában két feszültségszintű bináris rendszer jellemző, amelyek egy logikai nullának és egy logikai egynek felelnek meg. Gyakran az első alacsony feszültségnek, a második pedig magasnak felel meg, bár vannak fordított opciók is. Tanulmányozták a hármas (vagyis három lehetséges állapotú) logikai áramköröket is, és ezek alapján próbáltak számítógépeket építeni. A számítógépek mellett a digitális áramkörök képezik az elektronikus órák és programozható logikai vezérlők alapját (ipari folyamatok vezérlésére szolgálnak); Egy másik példa a digitális jelfeldolgozók .
Ennek a típusnak az alapvető szerkezeti elemei a következők:
Magasan integrált eszközök:
satöbbi.
Az elektronikus eszközök megbízhatósága magának az eszköznek és a tápegység megbízhatóságából áll . Maga az elektronikai eszköz megbízhatósága az elemek megbízhatóságából, a csatlakozások megbízhatóságából, az áramkör megbízhatóságából stb. áll. Grafikusan az elektronikus eszközök megbízhatóságát a meghibásodási görbe (a meghibásodások számának függése a működéstől) ábrázolja. idő). Egy tipikus meghibásodási görbe három különböző meredekségű szegmensből áll. Az első szakaszban a meghibásodások száma csökken, a második szakaszban a meghibásodások száma stabilizálódik, és a harmadik szakaszig szinte állandó, a harmadik szakaszban folyamatosan nő a meghibásodások száma, amíg az eszköz teljesen használhatatlanná válik.
A rádióelektronikai eszközök és alkatrészek fejlesztése során mindvégig szükség volt mind az egyes rádióalkatrészek, mind a késztermékek állapotának és paramétereinek objektív értékelésére. Ez vezetett és vezet a mérőműszerpark szükségességéhez. Funkcionális jellemzőik nagyon változatosak. Ugyanakkor maguk a mérőműszerek is külön területet képeznek az elektronikának. A mérőberendezések pontossága a legfontosabb tényező, amelytől közvetlenül függ a segítségükkel kifejlesztett és hibakereső rádióberendezések minősége. Ugyanilyen fontos a mérési módszertan betartása (lásd Metrológia ). A legpontosabb műszereket speciális alkalmazásokhoz használják, és a legtöbb tervező számára nem állnak rendelkezésre. A belépő szintű eszközöket ( multiméter , laboratóriumi tápegység ) gyakran saját kezűleg készítették el a rajongók.
Szótárak és enciklopédiák | ||||
---|---|---|---|---|
|