Электроника
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 раздел физики. [1] [2] и электротехника [3] который использует активные устройства , такие как транзисторы , диоды и интегральные схемы, для управления и усиления потока электрического тока и преобразования его из одной формы в другую, например, из переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) или из аналоговых сигналов. к цифровым сигналам.
Электронные устройства оказали огромное влияние на развитие многих аспектов современного общества, таких как телекоммуникации , развлечения, образование, здравоохранение, промышленность и безопасность. Основной движущей силой развития электроники является полупроводниковая промышленность , которая в ответ на глобальный спрос постоянно производит все более сложные электронные устройства и схемы. 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.
и развитие История
Идентификация электрона в 1897 году сэром Джозефом Джоном Томсоном , наряду с последующим изобретением вакуумной лампы , которая могла усиливать и исправлять небольшие электрические сигналы , положила начало области электроники и веку электронов. [4] 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 .
Вакуумные лампы (термоэлектронные клапаны) были первыми активными электронными компонентами , которые контролировали поток тока , влияя на поток отдельных электронов , и позволили создать оборудование, использующее усиление и выпрямление тока, чтобы дать нам радио , телевидение , радар , междугородную телефонную связь и гораздо более. Ранний рост электроники был быстрым, и к 1920-м годам коммерческое радиовещание и телекоммуникации получили широкое распространение, а электронные усилители стали использоваться в таких разнообразных приложениях, как междугородная телефонная связь и индустрия звукозаписи. [5]
Следующему большому технологическому шагу потребовалось несколько десятилетий, когда первый рабочий транзистор с точечным контактом . изобрели Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн в Bell Labs в 1947 году [6] Однако электронные лампы играли ведущую роль в области микроволновой и большой мощности, а также в телевизионных приемниках до середины 1980-х годов. [7] С тех пор твердотельные 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. [8] [9] 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 компьютерных логических схемах и периферийных устройствах. Однако первые переходные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить в массовом производстве , что ограничивало их ряд специализированных применений. [10]
МОП -транзистор (МОП-транзистор) был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. [11] [12] [13] [14] МОП-транзистор был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и производить серийно для широкого спектра применений. [10] К его преимуществам относятся высокая масштабируемость , [15] доступность, [16] низкое энергопотребление и высокая плотность . [17] Это произвело революцию в электронной промышленности , [18] [19] становится самым широко используемым электронным устройством в мире. [13] [20] МОП-транзистор является основным элементом большинства современных электронных устройств. [21] [22]
По мере роста сложности схем возникали проблемы. [23] 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. [23] Изобретение интегральной схемы Джеком Килби и Робертом Нойсом решило эту проблему, сделав все компоненты и микросхему из одного 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. [24]
Подполя [ править ]
Устройства и компоненты [ править ]
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. [25]
Типы схем [ править ]
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 [ править ]
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 встретить 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 [ править ]
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. [26]
троичная Была изучена (с тремя состояниями) логика и создано несколько прототипов компьютеров. Массовое производство двоичных систем привело к снижению значимости использования троичной логики. [27] 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:
- Чип памяти
- Микропроцессоры
- Микроконтроллеры
- Интегральная схема специального назначения (ASIC)
- Цифровой сигнальный процессор (DSP)
- Программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA)
- Программируемая пользователем аналоговая матрица (FPAA)
- Система на кристалле (SOC)
Дизайн [ править ]
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 . [28] 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 .
Компьютерное проектирование [ править ]
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. для автоматизации проектирования электроники Программное обеспечение включает в себя программы захвата схем и печатных плат программы проектирования . Популярными именами в мире программного обеспечения EDA являются NI Multisim, Cadence ( ORCAD ), EAGLE PCB. [29] и Schematic, Mentor (PADS PCB и LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA , KiCad и многие другие.
Отрицательные качества [ править ]
Управление температурным режимом [ править ]
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 [ править ]
Электронный шум определяется [30] как нежелательные помехи, накладываемые 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.
Способы упаковки [ править ]
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. конструкция из кордвуда и проволочная обмотка Другими методами были . В большинстве современных электронных устройств теперь 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.
Электрические компоненты обычно монтируются следующими способами:
- Сквозное отверстие (иногда называемое «сквозное отверстие»)
- Поверхностный монтаж
- Крепление шасси [ нужны разъяснения ]
- Монтаж в стойку
- LGA / BGA / PGA Разъем
Промышленность [ править ]
Электронная промышленность состоит из различных секторов. Центральной движущей силой всей электронной промышленности является сектор полупроводниковой промышленности . [31] годовой объем продаж которой по состоянию на 2018 год составил более 481 миллиарда долларов . [32] Крупнейшим сектором промышленности является электронная коммерция , которая в 2017 году принесла более 29 триллионов долларов . [33] Наиболее широко производимым электронным устройством является полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET). По оценкам, 13 секстиллионов MOSFET. в период с 1960 по 2018 год было произведено около [34] В 1960-е годы американские производители не могли конкурировать с японскими компаниями, такими как Sony и Hitachi , которые могли производить товары высокого качества по более низким ценам. Однако к 1980-м годам производители из США стали мировыми лидерами в разработке и сборке полупроводников. [35]
Однако в течение 1990-х годов и впоследствии отрасль в основном 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. [36] [37]
За три десятилетия мировая доля США в производстве полупроводников упала с 37% в 1990 году до 12% в 2022 году. [37] Ведущий американский производитель полупроводников корпорация Intel значительно отстала от своего субподрядчика Тайваньской компании по производству полупроводников (TSMC) в производственных технологиях. [36]
К тому времени Тайвань стал ведущим в мире источником передовых полупроводников. [37] [36] — за ними следуют Южная Корея , США , Япония , Сингапур и Китай . [37] [36]
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 . [36]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Французский, Академия. «Электроника | Словарь Французской академии | 9-е издание» . www.dictionnaire-academie.fr (на французском языке) . Проверено 26 мая 2024 г.
- ^ «Определение ЭЛЕКТРОНИКИ» . www.merriam-webster.com . 21 мая 2024 г. Проверено 26 мая 2024 г.
- ^ «Электронная | Британская музыкальная группа | Британника» . www.britanica.com . Проверено 26 мая 2024 г.
- ^ «Октябрь 1897 года: Открытие электрона» . Архивировано из оригинала 19 сентября 2018 года . Проверено 19 сентября 2018 г.
- ^ Гварниери, 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 .
- ^ «1947: Изобретение точечного транзистора» . Музей истории компьютеров . Архивировано из оригинала 30 сентября 2021 года . Проверено 10 августа 2019 г.
- ^ 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.
- ^ Баше, Чарльз Дж.; и другие. (1986). Первые компьютеры IBM . Массачусетский технологический институт. п. 386 . ISBN 978-0262022255 .
- ^ Пью, Эмерсон В.; Джонсон, Лайл Р.; Палмер, Джон Х. (1991). Системы IBM 360 и ранние версии 370 . МТИ Пресс. п. 34 . ISBN 978-0262161237 .
- ^ Перейти обратно: а б 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.
- ^ «1960 - Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Архивировано из оригинала 27 октября 2019 года . Проверено 23 июля 2019 г.
- ^ Лоек, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media . стр. 321–323. ISBN 978-3540342588 .
- ^ Перейти обратно: а б «Кто изобрел транзистор?» . Музей истории компьютеров . 4 декабря 2013 года. Архивировано из оригинала 13 декабря 2013 года . Проверено 20 июля 2019 г.
- ^ «Триумф МОП-транзистора» . YouTube . Музей истории компьютеров . 6 августа 2010 г. Архивировано из оригинала 11 декабря 2021 г. Проверено 21 июля 2019 г.
- ^ Мотоёси, М. (2009). «Сквозное кремниевое отверстие (ТСВ)». Труды IEEE . 97 (1): 43–48. дои : 10.1109/JPROC.2008.2007462 . ISSN 0018-9219 . S2CID 29105721 .
- ^ «Черепаха транзисторов побеждает в гонке – революция CHM» . Музей истории компьютеров . Архивировано из оригинала 10 марта 2020 года . Проверено 22 июля 2019 г.
- ^ «Транзисторы поддерживают закон Мура» . ЭТаймс . 12 декабря 2018 года. Архивировано из оригинала 24 сентября 2019 года . Проверено 18 июля 2019 г.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ Перейти обратно: а б «История интегральной схемы» . Нобелевская премия.org. Архивировано из оригинала 29 июня 2018 года . Проверено 21 апреля 2012 г.
- ^ «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.
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ Кнут, Дональд (1980). Искусство компьютерного программирования . Том. 2: Получисловые алгоритмы (2-е изд.). Аддисон-Уэсли. стр. 100-1 190–192. ISBN 0201038226 . .
- ^ Й. Лиениг; Х. Брюммер (2017). Основы проектирования электронных систем . Международное издательство Спрингер. п. 1. дои : 10.1007/978-3-319-55840-0 . ISBN 978-3319558394 .
- ^ «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.
- ^ Словарь терминов IEEE по электротехнике и электронике ISBN 978-0471428060
- ^ «Годовой объем продаж полупроводников увеличился на 21,6 процента и впервые превысил 400 миллиардов долларов» . Ассоциация полупроводниковой промышленности . 5 февраля 2018 года. Архивировано из оригинала 30 января 2021 года . Проверено 11 октября 2019 г.
- ^ «Полупроводники – следующая волна» (PDF) . Делойт . Апрель 2019 г. Архивировано из оригинала (PDF) 11 октября 2019 г. . Проверено 11 октября 2019 г.
- ^ «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.
- ^ «13 секстиллионов и счет: долгий и извилистый путь к самому 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.
- ^ «Промышленность бытовой электроники в 1960-е годы» . НаТехнологии . Архивировано из оригинала 27 января 2021 года . Проверено 2 февраля 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Это Ши, Вилли ( Гарвардская школа бизнеса ): «Конгресс дает миллиарды полупроводниковой промышленности США. Уменьшит ли это дефицит чипов?» Архивировано 3 июля 2023 г. в стенограмме Wayback Machine , 3 августа 2022 г., Forbes , получено 12 сентября 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д 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 [ править ]
- Горовиц, Пол ; Хилл, Уинфилд (1980). Искусство электроники . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521370950 .
Внешние ссылки [ править ]
- Электроника в Керли
- Серия тренингов по электричеству и электронике ВМФ 1998 г. (NEETS). Архивировано 2 ноября 2004 г. в Wayback Machine.
- Министерство энергетики США, 1998 г., Электротехника, Справочник по основам, 4 тома.
- Том. 1. Основная теория электротехники. Основная теория постоянного тока.
- Том. 2, Цепи постоянного тока, батареи, генераторы, двигатели
- Том. 3, Основная теория переменного тока, Основные реактивные компоненты переменного тока, Базовая мощность переменного тока, Базовые генераторы переменного тока.
- Том. 4. Двигатели переменного тока, трансформаторы, испытательные и измерительные приборы, системы распределения электроэнергии.
