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, в которой используются 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 от аналоговых сигналов к цифровым .
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.
История и развитие
[ редактировать ]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. [3] 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 .
Электронные 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 телефонию и гораздо больше. 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. [4]
Следующему большому технологическому шагу потребовалось несколько десятилетий, когда первый рабочий транзистор с точечным контактом был изобретен Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Брэттеном в Bell Labs в 1947 году. [5] Однако электронные лампы играли ведущую роль в области микроволновой и большой мощности, а также в телевизионных приемниках 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 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. [9]
МОП -транзистор (МОП-транзистор) был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. [10] [11] [12] [13] МОП-транзистор был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и производить серийно для широкого спектра применений. [9] К его преимуществам относятся высокая масштабируемость , [14] доступность, [15] низкое энергопотребление и высокая плотность . [16] Это произвело революцию в электронной промышленности , [17] [18] становится 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 интегральной схемы и Джеком Килби 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 малой 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 доступными. [23]
Подполя
[ редактировать ]Устройства и компоненты
[ редактировать ]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
[ редактировать ]Функции электронных схем можно разделить на две функциональные группы: аналоговые и цифровые. Конкретное устройство может состоять из схем одного из двух типов или их комбинации. Аналоговые схемы становятся все менее распространенными, поскольку многие их функции переводятся в цифровую форму.
Аналоговые схемы
[ редактировать ]Аналоговые схемы используют непрерывный диапазон напряжения или тока для обработки сигналов, в отличие от дискретных уровней, используемых в цифровых схемах. Аналоговые схемы были обычным явлением в электронных устройствах первых лет работы в таких устройствах, как радиоприемники и передатчики. Аналоговые электронные компьютеры были ценны для решения задач с непрерывными переменными до тех пор, пока не была развита цифровая обработка.
По мере развития полупроводниковой технологии многие функции аналоговых схем были взяты на себя цифровыми схемами, а современные полностью аналоговые схемы встречаются реже; их функции заменяются гибридным подходом, который, например, использует аналоговые схемы на входе устройства, принимающего аналоговый сигнал, а затем использует цифровую обработку с использованием микропроцессорных технологий.
Иногда может быть сложно классифицировать некоторые схемы, содержащие элементы как линейного, так и нелинейного действия. Примером может служить компаратор напряжения, 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 , имея по существу два уровня выходного сигнала.
Аналоговые схемы по-прежнему широко используются для усиления сигналов, например, в индустрии развлечений, и преобразования сигналов от аналоговых датчиков, например, в промышленных измерениях и управлении.
Цифровые схемы
[ редактировать ]Цифровые схемы — это электрические схемы, основанные на дискретных уровнях напряжения. Цифровые схемы используют булеву алгебру и являются основой всех цифровых компьютеров и микропроцессорных устройств. Они варьируются от простых логических элементов до больших интегральных схем, в которых используются миллионы таких элементов.
В цифровых схемах используется двоичная система с двумя уровнями напряжения, обозначенными «0» и «1» для обозначения логического состояния. 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 поменять местами эти определения от одной схемы к другой по своему усмотрению, чтобы облегчить разработку. Определение уровней как «0» или «1» произвольно. [25]
Троичная (с тремя состояниями) логика была изучена и создано несколько прототипов компьютеров, но не получила сколько-нибудь существенного практического признания. [26] Обычно компьютеры и цифровые сигнальные процессоры состоят из цифровых схем, использующих транзисторы, такие как MOSFET, в электронных логических элементах для генерации двоичных состояний.
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
[ редактировать ]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 .
Компьютерное проектирование
[ редактировать ]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 . Популярные имена в мире программного обеспечения EDA: 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
[ редактировать ]Управление температурным режимом
[ редактировать ]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
[ редактировать ]Электронный шум определяется [29] 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.
Методы упаковки
[ редактировать ]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 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.
Электрические компоненты обычно монтируются следующими способами:
- Сквозное отверстие (иногда называемое «сквозное отверстие»)
- Поверхностный монтаж
- Крепление шасси [ нужны разъяснения ]
- Крепление в стойку
- LGA / BGA / PGA Разъем
Промышленность
[ редактировать ]Электронная промышленность состоит из различных секторов. Центральной движущей силой всей электронной промышленности является сектор полупроводниковой промышленности . [30] годовой объем продаж которой 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, 13 секстиллионов MOSFET. в период с 1960 по 2018 год было произведено около [33] 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. [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 мировая доля США в производстве полупроводников упала с 37% в 1990 году до 12% в 2022 году. [36] Ведущий американский производитель полупроводников корпорация Intel сильно отстает от своего субподрядчика Тайваньской компании по производству полупроводников (TSMC) в производственных технологиях. [35]
К тому времени Тайвань стал ведущим в мире источником передовых полупроводников. [36] [35] — за ними следуют 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]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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.
- ^ «Этот месяц в истории физики — октябрь 1897 года: открытие электрона» . Американское физическое общество . 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 др. (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 .
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ Jump up to: 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» . Ютуб . 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 . Мичиганский университет . 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.
- ^ Jump up to: 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. 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.
- ^ Jump up to: а б с д и 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.
- ^ Jump up to: 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
[ редактировать ]- Горовиц, Пол ; Хилл, Уинфилд (1980). Искусство электроники . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521370950 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Электроника в Керли
- Серия тренингов по электричеству и электронике ВМФ 1998 г. (NEETS). Архивировано 2 ноября 2004 г. в Wayback Machine.
- Министерство энергетики, 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.