stringtranslate.com

Электроника

Современные электронные компоненты для поверхностного монтажа на печатной плате с большой интегральной схемой вверху.

Электроника — это научная и инженерная дисциплина, которая изучает и применяет принципы физики для проектирования, создания и эксплуатации устройств, манипулирующих электронами и другими электрически заряженными частицами . Электроника — это подобласть электротехники , но она отличается от нее тем, что фокусируется на использовании активных устройств , таких как транзисторы , диоды и интегральные схемы , для управления и усиления потока электрического тока и преобразования его из одной формы в другую, например как от переменного тока (AC) к постоянному току (DC) или от аналогового тока к цифровому . Электроника также охватывает области микроэлектроники , наноэлектроники , оптоэлектроники и квантовой электроники , которые занимаются производством и применением электронных устройств в микроскопических, наноскопических, оптических и квантовых масштабах.

Электроника оказывает глубокое влияние на различные аспекты современного общества и культуры, такие как связь, развлечения, образование, здравоохранение, промышленность и безопасность. Основной движущей силой развития электроники является полупроводниковая промышленность , которая производит основные материалы и компоненты для электронных устройств и схем. Полупроводниковая промышленность является одним из крупнейших и наиболее прибыльных секторов мировой экономики, годовой доход которой в 2018 году превысил 481 миллиард долларов . Объем онлайн-продаж в 2017 году составил 29 триллионов долларов.

История и развитие

Один из первых радиоприемников Audion , построенный Де Форестом в 1914 году.

Электроника оказала огромное влияние на развитие современного общества. Идентификация электрона в 1897 году, наряду с последующим изобретением вакуумной лампы , которая могла усиливать и исправлять небольшие электрические сигналы, положила начало области электроники и веку электронов. [1] Практическое применение началось с изобретения диода Амброузом Флемингом и триода Ли Де Форестом в начале 1900-х годов, что сделало возможным обнаружение небольших электрических напряжений, таких как радиосигналы от радиоантенны, с помощью немеханического устройства. .

Вакуумные лампы (термоэлектронные клапаны) были первыми активными электронными компонентами, которые контролировали поток тока, влияя на поток отдельных электронов. [2] Они были ответственны за революцию в электронике первой половины двадцатого века, [3] [4] Они позволило создать оборудование, использующее усиление и выпрямление тока, чтобы дать нам радио , телевидение , радар , междугородную телефонную связь и многое другое. Ранний рост электроники был быстрым, и к 1920-м годам коммерческое радиовещание и связь получили широкое распространение, а электронные усилители стали использоваться в таких разнообразных приложениях, как междугородная телефонная связь и индустрия звукозаписи.

Следующий большой технологический шаг появился через несколько десятилетий, когда первый рабочий транзистор с точечным контактом был изобретен Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном в Bell Labs в 1947 году. [5] Однако электронные лампы сыграли ведущую роль в области микроволнового излучения. и передача высокой мощности, а также телевизионные приемники до середины 1980-х годов. [6] С тех пор полупроводниковые устройства почти полностью взяли верх. Вакуумные лампы до сих пор используются в некоторых специализированных приложениях, таких как мощные радиочастотные усилители , электронно-лучевые трубки , специальное аудиооборудование, гитарные усилители и некоторые микроволновые устройства .

В апреле 1955 года IBM 608 стал первым продуктом IBM , в котором использовались транзисторные схемы без каких-либо электронных ламп, и считается первым полностью транзисторным калькулятором , произведенным для коммерческого рынка. [7] [8] Модель 608 содержала более 3000 германиевых транзисторов. Томас Дж. Уотсон-младший приказал во всех будущих продуктах IBM использовать транзисторы. С этого времени транзисторы почти исключительно использовались в компьютерной логике и периферийных устройствах. Однако первые переходные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить в массовом производстве , что ограничивало их ряд специализированных применений. [9]

MOSFET (МОП-транзистор) был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. [10] [11] [12] [13] MOSFET был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и производить серийно для широкий спектр использования. [9] Его преимущества включают высокую масштабируемость , [14] доступность, [15] низкое энергопотребление и высокую плотность . [16] Оно произвело революцию в электронной промышленности , [17] [18] став самым широко используемым электронным устройством в мире. [12] [19] МОП-транзистор является основным элементом большинства современных электронных устройств. [20] [21]

По мере роста сложности схем возникали проблемы. [22] Одной из проблем был размер схемы. Сложная схема, такая как компьютер, зависела от скорости. Если компоненты были большими, соединяющие их провода должны быть длинными. Электрическим сигналам требовалось время, чтобы пройти через цепь, что замедляло работу компьютера. [22] Изобретение Джеком Килби и Робертом Нойсом интегральной схемы решило эту проблему, сделав все компоненты и чип из одного и того же блока (монолита) полупроводникового материала. Схемы можно было бы сделать меньше, а производственный процесс можно было бы автоматизировать. Это привело к идее интеграции всех компонентов на монокристаллической кремниевой пластине, что привело к маломасштабной интеграции (SSI) в начале 1960-х годов, а затем к среднемасштабной интеграции (MSI) в конце 1960-х годов, за которой последовала СБИС . В 2008 году процессоры с миллиардом транзисторов стали коммерчески доступны. [23]

Подполя

Устройства и компоненты

Различные электронные компоненты

Электронный компонент — это любой компонент электронной системы, активный или пассивный. Компоненты соединяются вместе, обычно путем пайки на печатной плате (PCB), чтобы создать электронную схему с определенной функцией. Компоненты могут быть упакованы по отдельности или в более сложные группы в виде интегральных схем . Пассивными электронными компонентами являются конденсаторы , катушки индуктивности , резисторы , а активными компонентами — полупроводниковые устройства; транзисторы и тиристоры , которые контролируют поток тока на электронном уровне. [24]

Типы цепей

Функции электронных схем можно разделить на две функциональные группы: аналоговые и цифровые. Конкретное устройство может состоять из схем, которые имеют один или несколько типов. Аналоговые схемы становятся все менее распространенными, поскольку многие из их функций переводятся в цифровую форму.

Аналоговые схемы

Большинство аналоговых электронных устройств, таких как радиоприемники , состоят из комбинаций нескольких типов основных схем. Аналоговые схемы используют непрерывный диапазон напряжения или тока, а не дискретные уровни, как в цифровых схемах.

Количество различных аналоговых схем, разработанных на данный момент, огромно, особенно потому, что «схему» можно определить как что угодно, от одного компонента до систем, содержащих тысячи компонентов.

Аналоговые схемы иногда называют линейными , хотя многие нелинейные эффекты используются в аналоговых схемах, таких как смесители, модуляторы и т. д. Хорошими примерами аналоговых схем являются ламповые и транзисторные усилители, операционные усилители и генераторы.

Редко можно найти современные схемы, которые являются полностью аналоговыми – в наши дни аналоговые схемы могут использовать цифровые или даже микропроцессорные технологии для повышения производительности. Этот тип схемы обычно называют «смешанным сигналом», а не аналоговым или цифровым.

Иногда может быть трудно отличить аналоговые и цифровые схемы, поскольку они имеют элементы как линейного, так и нелинейного действия. Примером может служить компаратор, который принимает напряжение в непрерывном диапазоне, но выдает только один из двух уровней, как в цифровой схеме. Точно так же транзисторный усилитель с перегрузкой может принять характеристики управляемого переключателя, имеющего по существу два уровня выходного сигнала. Фактически, многие цифровые схемы фактически реализованы как вариации аналоговых схем, подобных этому примеру – в конце концов, все аспекты реального физического мира по существу являются аналоговыми, поэтому цифровые эффекты реализуются только путем ограничения аналогового поведения.

Цифровые схемы

Цифровые схемы — это электрические схемы, основанные на нескольких дискретных уровнях напряжения. Цифровые схемы являются наиболее распространенным физическим представлением булевой алгебры и основой всех цифровых компьютеров. Для большинства инженеров термины «цифровая схема», «цифровая система» и «логика» являются взаимозаменяемыми в контексте цифровых схем. В большинстве цифровых схем используется двоичная система с двумя уровнями напряжения, обозначенными «0» и «1». Часто логический «0» представляет собой более низкое напряжение и обозначается как «Низкое», а логическая «1» обозначается как «Высокое». Однако некоторые системы используют обратное определение («0» означает «Высокий») или основаны на текущем значении. Довольно часто разработчик логики может менять местами эти определения от одной схемы к другой по своему усмотрению, чтобы облегчить разработку. Определение уровней как «0» или «1» произвольно. [25]

Была изучена троичная (с тремя состояниями) логика и создано несколько прототипов компьютеров. Массовое производство двоичных систем привело к снижению значимости использования троичной логики. [26] Компьютеры , электронные часы и программируемые логические контроллеры (используемые для управления промышленными процессами) состоят из цифровых схем. Еще одним примером являются цифровые сигнальные процессоры , которые измеряют, фильтруют или сжимают непрерывные реальные аналоговые сигналы. Транзисторы , такие как MOSFET , используются для управления двоичными состояниями.

Высокоинтегрированные устройства:

Дизайн

Проектирование электронных систем занимается междисциплинарными проблемами проектирования сложных электронных устройств и систем, таких как мобильные телефоны и компьютеры . Тема охватывает широкий спектр: от проектирования и разработки электронной системы ( разработки нового продукта ) до обеспечения ее надлежащего функционирования, срока службы и утилизации . [27] Таким образом, проектирование электронных систем — это процесс определения и разработки сложных электронных устройств для удовлетворения определенных требований пользователя.

Из-за сложного характера теории электроники лабораторные эксперименты являются важной частью разработки электронных устройств. Эти эксперименты используются для тестирования или проверки конструкции инженера и обнаружения ошибок. Исторически лаборатории электроники состояли из электронных устройств и оборудования, расположенных в физическом пространстве, хотя в последние годы наблюдается тенденция к использованию программного обеспечения для моделирования лабораторий электроники , такого как CircuitLogix , Multisim и PSpice .

Системы автоматизированного проектирования

Сегодняшние инженеры-электронщики имеют возможность проектировать схемы, используя готовые строительные блоки, такие как источники питания , полупроводники (т.е. полупроводниковые устройства, такие как транзисторы) и интегральные схемы. Программное обеспечение для автоматизации проектирования электроники включает в себя программы захвата схем и программы проектирования печатных плат . Популярными именами в мире программного обеспечения EDA являются NI Multisim, Cadence ( ORCAD ), EAGLE PCB [28] и Schematic, Mentor (PADS PCB и LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA , KiCad и многие другие. .

Отрицательные качества

Управление температурным режимом

Тепло, выделяемое электронными схемами, должно рассеиваться, чтобы предотвратить немедленный выход из строя и повысить долгосрочную надежность. Отвод тепла в основном достигается за счет пассивной проводимости/конвекции. Средства для достижения большего рассеивания включают радиаторы и вентиляторы для воздушного охлаждения, а также другие формы охлаждения компьютера , такие как водяное охлаждение . Эти методы используют конвекцию , проводимость и излучение тепловой энергии .

Шум

Электронный шум определяется [29] как нежелательные помехи, наложенные на полезный сигнал, которые имеют тенденцию скрывать его информационное содержание. Шум — это не то же самое, что искажение сигнала, вызванное цепью. Шум связан со всеми электронными схемами. Шум может генерироваться электромагнитным или термическим путем, который можно уменьшить за счет снижения рабочей температуры схемы. Другие типы шума, такие как дробовой шум, невозможно устранить, поскольку они возникают из-за ограничений физических свойств.

Методы упаковки

На протяжении многих лет использовалось множество различных методов соединения компонентов. Например, ранняя электроника часто использовала двухточечную проводку с компонентами, прикрепленными к деревянным макетам для построения схем. Другими методами были конструкция из кордвуда и проволочная обмотка . В большинстве современных электронных устройств сейчас используются печатные платы, изготовленные из таких материалов, как FR4 или более дешевой (и менее износостойкой) бумаги, скрепленной синтетической смолой ( SRBP , также известной как Paxoline/Paxolin (торговые марки) и FR2), характеризующейся коричневый цвет. Проблемы здоровья и окружающей среды, связанные со сборкой электроники, в последние годы привлекли повышенное внимание, особенно в отношении продукции, предназначенной для выхода на европейские рынки.

Устройства со сквозными отверстиями, установленные на плате домашнего компьютера середины 1980-х годов . Устройства с осевыми выводами расположены вверху слева, а синие конденсаторы с радиальными выводами — вверху справа.

Электрические компоненты обычно монтируются следующими способами:

Промышленность

Электронная промышленность состоит из различных секторов. Центральной движущей силой всей электронной промышленности является сектор полупроводниковой промышленности , [30] годовой объем продаж которого по состоянию на 2018 год составил более 481 миллиарда долларов . [31] Крупнейшим сектором промышленности является электронная коммерция , которая в 2017 году принесла более 29 триллионов долларов . [32] Наиболее широко производимым электронным устройством является полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET). По оценкам, в период с 1960 по 2018 год было произведено около 13 секстиллионов MOSFET. [33] В 1960-х годах производители США не могли конкурировать с японскими компаниями, такими как Sony и Hitachi , которые могли бы производить высококачественные товары по более низким ценам. Однако к 1980-м годам производители из США стали мировыми лидерами в разработке и сборке полупроводников. [34] 

Однако в течение 1990-х годов и впоследствии отрасль в подавляющем большинстве переместилась в Восточную Азию (процесс, начавшийся с начала массового производства микрочипов там в 1970-х годах), поскольку там стала широко доступна обильная дешевая рабочая сила и возрастающая технологическая сложность. [35] [36]

За три десятилетия глобальная доля Соединённых Штатов в производстве полупроводников упала с 37% в 1990 году до 12 % в 2022 году . (TSMC) в области производственных технологий. [35]

К тому времени Тайвань стал ведущим в мире источником передовых полупроводников [36] [35] – за ним следовали Южная Корея , США , Япония , Сингапур и Китай . [36] [35]

Важные предприятия полупроводниковой промышленности (которые часто являются дочерними компаниями ведущего производителя, базирующегося в других странах) также существуют в Европе (особенно в Нидерландах ), Юго-Восточной Азии, Южной Америке и Израиле . [35]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Октябрь 1897 года: Открытие электрона». Архивировано из оригинала 19 сентября 2018 года . Проверено 19 сентября 2018 г.
  2. ^ Гуарниери, М. (2012). «Эпоха электронных ламп: ранние устройства и развитие радиосвязи». IEEE Индийский Электрон. М. _ 6 (1): 41–43. дои : 10.1109/МИЭ.2012.2182822. S2CID  23351454.
  3. ^ Гуарниери, М. (2012). «Век электронных ламп: завоевание аналоговой связи». IEEE Индийский Электрон. М. _ 6 (2): 52–54. дои : 10.1109/МИЭ.2012.2193274. S2CID  42357863.
  4. ^ Гуарниери, М. (2012). «Эра электронных ламп: слияние с цифровыми вычислениями». IEEE Индийский Электрон. М. _ 6 (3): 52–55. дои : 10.1109/МИЭ.2012.2207830. S2CID  41800914.
  5. ^ «1947: Изобретение точечного транзистора» . Музей истории компьютеров . Архивировано из оригинала 30 сентября 2021 года . Проверено 10 августа 2019 г. .
  6. ^ Сого Окамура (1994). История электронных ламп. ИОС Пресс. п. 5. ISBN 978-9051991451. Архивировано из оригинала 31 декабря 2013 года . Проверено 5 декабря 2012 г.
  7. ^ Баше, Чарльз Дж.; и другие. (1986). Первые компьютеры IBM . Массачусетский технологический институт. п. 386. ИСБН 978-0262022255.
  8. ^ Пью, Эмерсон В.; Джонсон, Лайл Р.; Палмер, Джон Х. (1991). Системы IBM 360 и ранние версии 370 . МТИ Пресс. п. 34. ISBN 978-0262161237.
  9. ^ аб Московиц, Сэнфорд Л. (2016). Инновации в области передовых материалов: управление глобальными технологиями в 21 веке. Джон Уайли и сыновья . п. 168. ИСБН 978-0470508923. Архивировано из оригинала 5 ноября 2020 года . Проверено 22 августа 2019 г.
  10. ^ «1960 - Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Архивировано из оригинала 27 октября 2019 года . Проверено 23 июля 2019 г.
  11. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media . стр. 321–323. ISBN 978-3540342588.
  12. ^ ab «Кто изобрел транзистор?». Музей истории компьютеров . 4 декабря 2013 года. Архивировано из оригинала 13 декабря 2013 года . Проверено 20 июля 2019 г.
  13. ^ «Триумф МОП-транзистора». YouTube . Музей истории компьютеров . 6 августа 2010 г. Архивировано из оригинала 11 декабря 2021 г. Проверено 21 июля 2019 г.
  14. ^ Мотоёси, М. (2009). «Сквозное кремниевое отверстие (ТСВ)». Труды IEEE . 97 (1): 43–48. doi :10.1109/JPROC.2008.2007462. ISSN  0018-9219. S2CID  29105721.
  15. ^ «Черепаха транзисторов выигрывает гонку - революция CHM» . Музей истории компьютеров . Архивировано из оригинала 10 марта 2020 года . Проверено 22 июля 2019 г.
  16. ^ «Транзисторы поддерживают закон Мура» . ЭТаймс . 12 декабря 2018 года. Архивировано из оригинала 24 сентября 2019 года . Проверено 18 июля 2019 г.
  17. ^ Чан, И-Джен (1992). Исследования гетероструктурных полевых транзисторов InAIAs/InGaAs и GaInP/GaAs для высокоскоростных приложений. Университет Мичигана . п. 1. Архивировано из оригинала 20 декабря 2019 года . Проверено 10 августа 2019 г. Si MOSFET произвел революцию в электронной промышленности и, как следствие, влияет на нашу повседневную жизнь практически всеми мыслимыми способами.
  18. ^ Грант, Дункан Эндрю; Говар, Джон (1989). Силовые МОП-транзисторы: теория и приложения. Уайли . п. 1. ISBN 978-0471828679. Архивировано из оригинала 30 июля 2020 года . Проверено 10 августа 2019 г. . Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) является наиболее часто используемым активным устройством в очень крупномасштабной интеграции цифровых интегральных схем (СБИС). В 1970-е годы эти компоненты произвели революцию в электронной обработке сигналов, системах управления и компьютерах.
  19. ^ Голио, Майк; Голио, Джанет (2018). Пассивные и активные технологии ВЧ и СВЧ. ЦРК Пресс . п. 18-2. ISBN 978-1420006728. Архивировано из оригинала 31 июля 2020 года . Проверено 10 августа 2019 г.
  20. ↑ Дэниелс, Ли А. (28 мая 1992 г.). «Доктор Давон Кан, 61 год, изобретатель в области твердотельной электроники». Нью-Йорк Таймс . Архивировано из оригинала 26 июля 2020 года . Проверено 1 апреля 2017 г.
  21. ^ Колинг, Жан-Пьер; Грир, Джеймс К. (2016). Нанопроволочные транзисторы: физика устройств и материалов в одном измерении. Издательство Кембриджского университета . п. 2. ISBN 978-1107052406. Архивировано из оригинала 17 марта 2020 года . Проверено 17 сентября 2019 г.
  22. ^ ab «История интегральной схемы». Нобелевская премия.org. Архивировано из оригинала 29 июня 2018 года . Проверено 21 апреля 2012 г.
  23. ^ «Intel выпустит первый компьютерный чип с двумя миллиардами транзисторов» . Сидней Морнинг Геральд . 5 февраля 2008 г. Архивировано из оригинала 12 августа 2022 г. . Проверено 12 августа 2022 г.
  24. ^ Бозе, Бимал К., изд. (1996). Силовая электроника и частотно-регулируемые приводы: технологии и приложения . Интернет-библиотека Уайли. дои : 10.1002/9780470547113. ISBN 978-0470547113. S2CID  107126716.
  25. ^ Браун, Стивен; Вранешич, Звонко (2008). Основы цифровой логики (электронная книга) . МакГроу Хилл. ISBN 978-0077144227. Архивировано из оригинала 4 октября 2022 года . Проверено 12 августа 2022 г.
  26. ^ Кнут, Дональд (1980). Искусство компьютерного программирования . Том. 2: Получисловые алгоритмы (2-е изд.). Аддисон-Уэсли. стр. 190–192. ISBN 0201038226..
  27. ^ Дж. Лиениг; Х. Брюммер (2017). Основы проектирования электронных систем . Международное издательство Спрингер. п. 1. дои : 10.1007/978-3-319-55840-0. ISBN 978-3319558394.
  28. ^ «Проектирование печатных плат стало проще для каждого инженера» . Автодеск . 19 апреля 2023 года. Архивировано из оригинала 19 апреля 2023 года . Проверено 19 апреля 2023 г.
  29. ^ ISBN словаря терминов по электротехнике и электронике IEEE 978-0471428060 
  30. ^ «Годовой объем продаж полупроводников увеличился на 21,6 процента, впервые достигнув 400 миллиардов долларов» . Ассоциация полупроводниковой промышленности . 5 февраля 2018 года. Архивировано из оригинала 30 января 2021 года . Проверено 11 октября 2019 г.
  31. ^ «Полупроводники – следующая волна» (PDF) . Делойт . Апрель 2019 г. Архивировано из оригинала (PDF) 11 октября 2019 г. . Проверено 11 октября 2019 г.
  32. ^ «Глобальные продажи электронной коммерции выросли до 29 триллионов долларов» . Конференция ООН по торговле и развитию . 29 марта 2019 года. Архивировано из оригинала 21 октября 2019 года . Проверено 13 октября 2019 г.
  33. ^ «13 секстиллионов и счет: долгий и извилистый путь к наиболее часто изготавливаемому человеческому артефакту в истории» . Музей истории компьютеров . 2 апреля 2018 г. Архивировано из оригинала 28 июля 2019 г. Проверено 28 июля 2019 г.
  34. ^ «Промышленность бытовой электроники в 1960-е годы» . НаТехнологии . Архивировано из оригинала 27 января 2021 года . Проверено 2 февраля 2021 г.
  35. ^ abcde Ши, Вилли ( Гарвардская школа бизнеса ): «Конгресс дает миллиарды полупроводниковой промышленности США. Облегчит ли это нехватку чипов?» Архивировано 3 июля 2023 г. в стенограмме Wayback Machine , 3 августа 2022 г., Forbes , получено 12 сентября 2022 г.
  36. ^ abcd Льюис, Джеймс Эндрю : «Укрепление транснациональной полупроводниковой промышленности», архивировано 13 сентября 2022 г. в Wayback Machine , 2 июня 2022 г., Центр стратегических и международных исследований (CSIS), получено 12 сентября 2022 г.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

В Wikibooks есть дополнительная информация по теме: Электроника.
В Wikibooks есть книга на тему: Электротехника.
В Wikisource есть оригинальный текст, относящийся к этой статье:
Категория:Электроника
В Викиверситете есть учебные ресурсы по теме «Школа: электроника».
Викискладе есть медиафайлы, связанные с электроникой .