Метод ментальных карт пример. Mind Mapping, или как заставить свой мозг работать лучше. В чем отличия от обычных записей

КОНСПЕКТ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ

Роль электроники в создании интегрированных систем управления машинами и механизмами. Социально-экономический аспект создания, развития производства и эффективного использования электронной техники в народном хозяйстве. 6

Базовые понятия электронной техники. Источник тока. Источник напряжения. Согласование источника с нагрузкой. Пассивные элементы электрической цепи и их параметры. Резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и их соединение. Трансформаторы. Типы пассивных элементов, их особенности и области применения. Коэффициент нагрузки. Цифробуквенная система обозначения пассивных элементов на принципиальных схемах и на изделиях. 10

Виды и параметры электрических сигналов. Амплитудное, действующее, среднее значение напряжения и тока электрического колебания. Длительность импульса, период следования, частота, скважность, фронт и спад импульса. 16

Электрические цепи. Интегрирующие дифференцирующие. Векторные диаграммы напряжений и токов. Прохождение прямоугольного сигнала через них (ФНЧ и ФВЧ). Параллельный и последовательный колебательные контуры. Резонанс тока и напряжения. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики электрических цепей и их параметры.. 18

Основные понятия теории электропроводности полупроводников. Электронно-дырочный p-n-переход. Вольтамперные характеристики. Дрейфовый и диффузионный ток. Барьерная и диффузионная емкость p-n-перехода. Возможность их использования и влияние на характеристики диодов. Виды пробоя p-n-перехода. 18

Полупроводниковые диоды. Принцип действия. Классификация, параметры. Выпрямительные диоды и мосты. Параллельное и последовательное соединения диодов. Стабилитроны и стабисторы. Варикапы. Диоды Гана, Шотки, туннельные, обращенные, лавинно-пролетные. 25

Беспереходные полупроводниковые приборы. Терморезисторы (термисторы, позисторы, терморезисторы с косвенным подогревом), варисторы, тензорезисторы, магниторезисторы, датчик Холла, основные характеристики. Области их применения. 25

Система обозначения отечественных и импортных полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров, транзисторов, электронных микросхем) 34

Фотоэлектрические и излучающие в видимом, ИК и УФ диапазоне полупроводниковые приборы Полупроводниковые лазеры. Оптоэлектронные пары. Их применение. Системы динамической индикации. 38

Тиристоры. Конструкция и принцип действия. Режим работы, классификация, обозначение, параметры. Диодные, триодные, тетродные, запираемые и незапираемые транзисторы. ВАХ тиристора, процесс перехода из закрытого состояния в открытое и обратно. Типы, условные обозначения тиристоров. Работа тиристора в цепях постоянного тока. Фазовое управление тиристорами. Регуляторы и стабилизаторы напряжения на тиристорах. 45

Биполярные транзисторы (БПТ). Электрические и эксплуатационные параметры. Входные, выходные и проходные характеристики. Схемы замещения транзистора и их дифференциальные параметры. Статистические характеристики (h-параметры) БПТ. Схемы включения БПТ (с общим эмиттером, общим коллектором, общей базой). Их сравнительный анализ и области применения. Уравнение Эберса-Молла, температурный коэффициент тока коллектора, внутреннее сопротивление эмиттера, максимальный коэффициент усиления по напряжению эффект Эрли, эффект Миллера. 50

Униполярные (полевые) транзисторы (ПТ). Принцип действия ПТ с p-n-переходом. Стоковая (выходная) и стоко-затворная (проходная) характеристики ПТ, основные параметры. ПТ металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) и металл – окисел – полупроводник (МОП) со встроенным и индуцированным каналами, конструкция, характеристики и параметры. Полярность подаваемых напряжений и особенности применения ПТ. Схемы включения ПТ с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС), общим затвором (ОЗ). Сравнительный анализ БПТ и ПТ. IGBT транзисторы.. 56

Основные параметры и характеристики электронных усилителей. Общие сведения. Основные свойства, классификация и структура усилителя. Амплитудно-частотная, амплитудная и фазовая характеристики. Их основные параметры. Шумы усилителя (тепловой, дробовой, фликкер-шум). Шумы тока и напряжения. Критерии применения ПТ и БПТ исходя из требований минимизации шумов при различных сопротивлениях источника сигнала. Синфазные и противофазные помехи. Способы их уменьшения и экранирования. 58

Усилительные каскады на ПТ и БПТ. Статистический режим работы усилительного каскада, выбор рабочей точки, схемы задания напряжения смещения БПТ. Расчет по постоянному и переменному току каскадов с ОЭ и ОК. Сравнительный анализ каскадов ОЭ, ОК, ОБ. Каскад с ОЭ как преобразователь напряжение-ток, фазоинверсный каскад. Усилительные каскады на ПТ, схемы задания напряжения смещения, особенности их работы и включения. Динамическая нагрузка, источник тока, токовые зеркала и отражатели тока на ПТ и БПТ. Ослабление влияния температуры и эффекта Эрли. Токовое зеркало Уилсона, выходное сопротивление источника тока. Области применения. 63

Обратные связи (ОС) в усилителях. Положительная (ПОС) и отрицательная (ООС) обратные связи. Коэффициент ОС и глубина ОС. Влияние ОС на параметры и характеристики усилителей. Последовательная и параллельная ООС по напряжению и току, следящая ПОС. Примеры принципиальных схем с ОС.. 66

Интегральные микросхемы. Интегральный принцип изготовления и применения электронных компонентов. Полупроводниковые интегральные микросхемы, их классификация, назначение, области применения. Аналоговые, цифровые и аналого-цифровые микросхемы.. 74

Источники вторичного электропитания электронных устройств. Классификация и параметры выпрямителей. Однополупериодные и двухполупериодные мостовые и со средней точкой, однофазные и трехфазные, управляемые и неуправляемые выпрямители. Схема Ларионова. Умножители напряжения. Схема Латура. Сглаживающие фильтры.. 77

Стабилизаторы напряжения и тока. Структурная схема стабилизированного источника питания. Параметрические и компенсационные, параллельные и последовательные, регулируемые и нерегулируемые, однополярные и разнополярные стабилизаторы напряжения и тока. Стабилизаторы на ОУ. Защита по току и напряжению. Ключевые повышающие, понижающие и инвертирующие (повышающе-понижающие) стабилизаторы. Функциональные схемы ключевых стабилизаторов и импульсных блоков питания малогабаритных устройств. Принципиальная схема стабилизаторов. 83

Усилители постоянного тока (УПТ). УПТ с непосредственной связью между каскадами и типа модуляция-демодуляция (МДМ). Способы модуляции. Дифференциальные усилительные каскады (ДУ) на БПТ и ПТ. Способы компенсации смещения и дрейфа. Сравнительный анализ и области применения. Работа ДУ в режиме синфазного и противофазного сигнала и при использовании динамической нагрузки. 88

Интегральные операционные усилители (ОУ) и их применение. Разновидность и обозначение ОУ. Типы входных каскадов. Упрощенная схема ОУ. Назначение каскадов. Коэффициент ослабления синфазного сигнала и влияние напряжения сигнала. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики, основные параметры ОУ. Способы уменьшения напряжений сдвига и дрейфа. Граничная частота усиления и максимальная скорость нарастания выходного сигнала. 101

Примеры построения аналоговых схем на ОУ (инвертирующие и неинвертирующие усилители, повторители, сумматоры, вычитатели, интеграторы, дифференциаторы, фильтры высоких и низких частот, полосовые и режекторные фильтры, гираторы, преобразователи ток-напряжение, точные выпрямители, нуль-органы, электронные реле, выпрямители и др.). Применение ОУ в робототехнике и системах управления. 105

Формирователи и генераторы импульсных сигналов на ОУ. Компараторы, триггеры Шмитта. Генераторы линейно-измеряющегося напряжения на ОУ.. 108

Усилители мощности. Режимы работы усилительных каскадов (активный, инверсный, отсечки, насыщения) и их применение. Однотактные усилители мощности. Двухтактные трансформаторные и бестрансформаторные усилители мощности. Выходные каскады комплиментарные и на транзисторах одной проводимости. Фазоинверторы. Емкостная и гальваническая связь с нагрузкой. Нелинейные искажения в усилителях мощности и методы их уменьшения. Режимы работы класса A, B, AB, C, D, сравнительный анализ и области их применения. Способы задания напряжения смещения и температурной стабилизации. Включение транзисторов по схемам Дарлингтона и Шиклаи. Тепловое сопротивление. Обеспечение тепловых режимов выходных каскадов на ПТ и БПТ. 112

Генераторы гармонических колебаний. Условия самовозбуждения генераторов (баланс фаз и баланс амплитуд). Автогенераторы. Стабилизация частоты и амплитуды в автогенераторах. Мультивибраторы. Методы и средства построения. Симметричные и несимметричные мультивибраторы на ОУ. Принцип действия и временные диаграммы работы. 114

Активные и пассивные фильтры. Фильтры высоких частот (ФВЧ) и низких частот (ФНЧ). Полосовой и режекторный (заградительный), LC и RC фильтры. Полоса пропускания, полоса заграждения, добротность, затухание, крутизна спада на переходном участке. Фильтры Баттерворта, Бесселя, Чебышева и др. Достоинства и недостатки. Фильтр Салена и Кея. Фильтр с параллельной ОС, универсальный и биквадратный фильтр, гиратор. 117

Модуляция. Виды модуляции: амплитудная, частотная, фазовая. Достоинства, недостатки. Импульсные виды модуляции: амплитудно-импульсная (АИМ), кодо-импульсная (КИМ), широтно-импульсная (ШИМ), фазо-импульсная (ФИМ). Области применения. Структурная схема импульсного блока питания. 117

Ключевые преобразователи напряжения. Прямоугольные и резонансные. Однотактные и двухтактные. С прямым и обратным включением диода. Мостовые, полумостовые, со средней точкой. С независимым и самовозбуждением. Транзисторные и тиристорные. Особенности использования и области применения. 117

Логические основы цифровых устройств и ЭВМ. Двоичные переменные и переключательные функции, основные логические функции, основные законы алгебры логики, формы представления и минимизация переключательных функций. 117

Элементарная база цифровых микросхем. Логические элементы И, ИЛИ, НЕ на диодах, биполярных и полевых транзисторах. Базовые логические элементы диодно-транзисторной, транзисторно-транзисторной, эмиттерно-связанной логики. Логические элементы на однотипных и комплементарных МДП-транзисторах. Логические элементы с тремя выходными состояниями. Микросхемы с открытым коллектором. Совместное применение микросхем разных серий. 117

Интегральные триггеры. Асинхронные и синхронные триггеры. RS-, JK-, D- и Т-триггеры. Принцип действия, структурные и принципиальные схемы, временные диаграммы работы триггерных схем, их основные параметры. Применение триггерных схем для создания цифровых систем управления. 117

Счетчики импульсов. Двоичные счетчики и счетчики с произвольным коэффициентом счета. Принцип действия, структурные и принципиальные схемы, временные диаграммы работы счетчиков, их основные параметры. Разновидности счетчиков, особенности использования счетчиков при создании цифровых систем управления. 117

Регистры. Параллельные, последовательные и параллельно-последовательные регистры. Структурные схемы, особенности работы и основные параметры регистров различных типов. Применение регистров в цифровых системах управления. 117

Двоичные сумматоры. Одноразрядные двоичные сумматоры. Параллельные многоразрядные сумматоры. Структурные схемы, особенности работы. Основные параметры. 117

Электроника - это область науки и техники, занимающаяся разработкой и проектированием приборов, использующих движение заряженных частиц в вакууме, газах и твердых телах (в основном в полупроводниках), и созданием устройств на их основе. Это наука, развивающаяся быстрыми темпами с начала ХХ века и оказывающая огромное влияние на развитие цивилизации.

Начало развития электроники (вакуумные лампы: диод 1903 г., триод 1905 г.) тесно связано с необходимостью развития связи и прежде всего радиосвязи. Можно отметить, что до 1939 г. развитие электронных ламп и схем связано с их использованием в основном для нужд радиовещания, которое было в то время самым важным потребителем электроники. В тот период возникло большинство электронных ламп, известных в настоящее время, и основные электронные схемы, используемые и теперь в разных модификациях.

Промышленная электроника, занимающаяся использованием электронных элементов и схем в промышленности, как область техники гораздо моложе. Первые попытки использования ламповых схем в промышленности, прежде всего в измерительных установках, относятся к тридцатым годам прошлого века. Однако они не дали хороших результатов вследствие недолговечности, большой массы и габаритов электронных ламп, хотя другие характеристики этих устройств были удовлетворительные. Результаты этих первых экспериментов были использованы в широком масштабе только во время второй мировой войны, когда возросшие производственные потребности необходимо было удовлетворять в условиях чувствительной нехватки рабочей силы. Автоматизация производства, внедрение которой начато было в тот период, не могла осуществляться без электронных устройств. Электронные схемы также оказались незаменимыми в некоторых измерительных и контрольных установках.

Развитие промышленной электроники значительно ускорилось в послевоенный период, особенно после начала широкого применения полупроводниковых приборов в пятидесятых годах (1947 г. - появление первого транзистора). С появлением полупроводниковых приборов стали возможными значительная миниатюризация устройств и уменьшение потребляемой ими мощности, увеличение времени безотказной работы и т. п. Только теперь можно было приступить к построению весьма сложных электронных устройств, например вычислительных машин небольших габаритов, низкой стоимости и высокой надежности, соответствующих промышленным требованиям.

В последние годы определились следующие основные области применения электронных схем в промышленности:

· устройства для измерения различных физических величин как электрических, так и неэлектрических;

· устройства для исследования материалов, например металлов, электрическими и магнитными методами без их разрушения;

· устройства для регулирования и автоматического управления различными процессами или промышленными установками, а также для управления различными объектами хозяйства;

· промышленные телевизионные установки, используемые для контроля и наблюдения за различными объектами или процессами;

· вспомогательные устройства, используемые в некоторых технологических процессах, например термопроцессах (нагрев токами высокой частоты) или обусловленных ультразвуковым облучением (коагуляция, обработка, очистка поверхности и т. д.).

При измерении электрических величин электронные схемы требуются в тех случаях, когда электрические эффекты настолько незначительны, что исследовать их классическими методами невозможно. Это происходит, например, при измерении малых токов и напряжений, малых изменений емкости и т. д., если чувствительность обычных вольтметров, амперметров или мостов недостаточна для проведения измерений. В этом случае необходимо усилить измеряемую величину до значения, фиксируемого обычными методами. Подобные проблемы часто возникают при измерении неэлектрических величин электрическими методами, когда возникающие в первичном измерительном преобразователе сигналы незначительны. В этом случае усиление производится при помощи электронных схем.

Большое значение имеют также электронные устройства для исследования свойств материалов разными методами. Многие из этих методов основаны на связи между механическими и электрическими или магнитными свойствами исследуемых материалов. Исследование материала можно свести к измерению его характеристик магнитным или электрическим методом, что очень удобно, поскольку такое измерение легко осуществить, его можно автоматизировать и т. д. При этом исследование не приводит к разрушению или повреждению изделия. Это очень важно, так как исследования, приводящие к разрушению испытуемого образца, например разрыву, могут проводиться только на немногих экземплярах изготовленной партии изделий. Следовательно, в этом случае результаты измерений носят случайный характер и не дают полной уверенности в качестве изделий, которые не подвергались испытанию. Неразрушающие методы испытаний более надежны, поскольку их можно применить ко всей изготовленной партии, т. е. проверить каждое изготовленное изделие.

Автоматическое управление и контроль технологических процессов являются теперь одними из наиболее характерных особенностей быстрого развития техники. В этой новой быстро развивающейся области техники электронные устройства являются очень важным, а часто и обязательным элементом, от свойств которого зависит качественная работа всей регулируемой системы. Последние достижения автоматики, связанные с использованием электронных вычислительных машин, были бы при современном уровне развития техники невозможны без электронных схем. Тесная связь автоматики и электроники обусловливает надлежащий прогресс обеих этих областей техники.

Электроника также тесно связана с некоторыми технологическими процессами, в которых электронные устройства обычно используются в качестве источников токов высокой частоты. Это - процессы высокочастотного нагрева, а также процессы, связанные с излучением ультразвука большой мощности. Электронная схема в таком устройстве служит для создания токов высокой частоты необходимой мощности, и следовательно, она только косвенно связана с данным технологическим процессом, тем не менее она является обязательной.

Телевизионные устройства могут передавать образ любого промышленного объекта на произвольное расстояние, например к диспетчеру или к обслуживающему персоналу. Промышленное телевидение играет важную роль, там, где из-за условий работы невозможны непосредственные наблюдения, например в отравленной атмосфере, на участках с большим уровнем радиации (атомные реакторы) и т. п.

Робототехника как новое научно-техническое направление возникла в результате огромного прогресса в развитии вычислительной техники и механики. Роботы представляют новый класс машин, выполняющих одновременно функции рабочих и информационных машин.

Возникновение робототехники обусловлено потребностями развивающегося общества. Удовлетворение все возрастающих потребностей населения возможно только на основе дальнейшего роста производительности труда. Важнейшим резервом этого роста в условиях дефицита трудовых ресурсов является комплексная механизация и автоматизация производства. Большие успехи автоматизации машиностроения в массовом и крупносерийном производстве на основе использования неперепрограммируемых автоматических устройств позволили получить высокую производительность труда при минимальной себестоимости продукции. Однако 70 % современной продукции машиностроения выпускается малыми и средними сериями. В этих условиях не могут быть применены традиционные средства автоматизации и необходимая гибкость производства достигается за счет использования ручного труда.

Дифференциация процесса производства на ряд многократно повторяющихся простых операций привела к монотонным, утомительным трудовым действиям, выполняемым людьми на конвейере. Труд, лишенный творческого содержания, монотонный, опасный для жизни, должен быть уделом роботов.

Что же такое робот, каково научно-техническое содержание этого термина? Существует большое число определений понятия "робот". Их анализ показывает, что к существенным свойствам робота относят его антропоморфизм (уподобление человеку) при взаимодействии с окружающей средой: универсальность, наличие элементов интеллекта, способность обучаться, наличие памяти, способность самостоятельно ориентироваться в окружающей среде и т.п. На основании указанных свойств сформулировано следующее определение. Робот - это машина-автомат, предназначенная для воспроизведения двигательных и умственных функций человека, а также наделенная способностью к адаптации и обучению в процессе взаимодействия с внешней средой. Это машина-автомат нового типа. Обычные автоматы предназначены для многократного выполнения одной и той же операции. Типичными примерами являются станки-автоматы, автоматы для размена монет, продажи билетов, газет и т.д. В отличие от них роботы - универсальные системы многоцелевого назначения; они способны не только выполнять много разных операций, но и оперативно переобучаться с одной операции на другую.

Роботы получили наибольшее распространение в промышленности и прежде всего в машиностроении. Такие роботы называются промышленными.

Следует отметить следующие их достоинства.

Повышение безопасности труда - это одно из первоочередных назначений роботов. Известно, что большинство несчастных случаев в промышленности приходится на травмы рук, особенно при загрузочно-разгрузочных операциях. Применение роботов позволяет улучшить условия труда, потенциально опасного для здоровья людей: в литейных цехах, при наличии радиоактивных материалов, вредных химических веществ, при переработке хлопка, асбеста и т.п.

При использовании роботов происходит интенсификация рабочего процесса, повышение производительности труда, стабилизация ее в течение смены, увеличение коэффициента сменности основного технологического оборудования, что улучшает технико-экономические показатели производства. Повышается качество продукции. Так, например, улучшается качество сварного шва в связи со строгим соблюдением технологического режима. Снижаются потери от брака, связанного с ошибками оператора. Возможна также экономия материалов. Например, при окраске автомобиля рабочим только 30 % краски попадает непосредственно на автомобиль, остальная уносится вентиляцией рабочего места. С применением роботов создаются принципиально новые производства и технологические процессы, максимально уменьшающие неблагоприятные воздействия на человека.

Однако эффективность применения робота проявляется только при правильной организации его взаимодействия с обслуживаемым оборудованием и внешней средой. Задача робототехники состоит не только в создании роботов, но и в организации полностью автоматизированных производств.

Внедрение роботов в производство сопряжено с определенными трудностями.

Роботы пока еще очень дороги и не всегда достаточно эффективны. Промышленный робот не всегда способен полностью заменить рабочего, обслуживающего технологическое оборудование или совершающего технологическую операцию, а может лишь освободить его от монотонного физического труда, изменив его характер и содержание, приближая к труду наладчика.

Основными факторами экономической эффективности роботов, учитываемыми при ее расчете, являются как производственные, так и социальные. Эта особенность отличает роботы от других вариантов новой техники, в связи с чем разработана специальная межотраслевая методика оценки экономической эффективности при их создании и использовании.

Базовые понятия электронной техники.

Источник напряжения

Источник электрической энергии, который на своих внешних зажимах имеет неизменное напряжение, не зависящее от тока, потребляемого от этого источника.

r – внутреннее сопротивление генератора

R – сопротивление нагрузки

Е – ЭДС генератора

U = Е - I·r

Это достигается тогда, когда внутренне сопротивление источника близко к 0 или несоизмеримо мало по сравнению с сопротивлением нагрузки (идеальные условия r = 0 ). R>>r

Обычно для источников питания электронных устройств для задания неизменных режимов работы принимают R = 10r .

Источник тока

Источник электрической энергии, который отдает во внешнюю цепь ток неизменного значения, независимо от сопротивления нагрузки. Это возможно, когда внешнее сопротивление нагрузки пренебрежимо мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника.

Используется в качестве коллекторной нагрузки: (kU=Rк/(Rэ+rэ0); Rк=ΔU/ΔI ; и в цепи эмиттеров дифференциальных каскадов. Также используется в электрохимии.

Согласование источника с нагрузкой:

максимальная мощность выделяется на нагрузке в том случае, если ее сопротивление равняется сопротивлению источника.

R = r =>Pн =Pmax

Применяются в передатчиках для получения максимальной мощности и в высокочастотных цепях для получения минимального отражения волны от нагрузки.

Пассивные элементы

(резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) представляют на схемах в виде резистивного сопротивления R , ёмкости C , индуктивности L .

Любое сложное электронное устройство состоит из более простых активных и пассивных компонентов. К активным элементам относят транзисторы, диоды, электронные лампы, микросхемы, способные усиливать электрические сигналы по мощности; пассивными радиокомпонентами считаются резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Давайте проанализируем этапы становления электроники в историческом срезе

Историю развития электроники можно условно разделить на четыре периода. Первый период относится к концу 19 века . В этот период были открыты или расшифрованы из источников древних основные физические закономерности работы электронных приборов и открыты различные явления, стимулирующие их развитие и использование. Началом развития ламповой техники принято считать открытие русским ученым электротехником А. Н. Лодыгиным обычной лампы накаливания.

На ее базе уже 1883 г. американский инженер Т. А. Эдисон открыл и описал явление термоэлектронной эмиссии и прохождения электрического тока через вакуум. Русский физик А. Г. Столетов в 1888 г. открыл основные законы фотоэффекта. Важнейщую роль в развитии электроники сыграло открытие русским ученым в 1895 г. А. С. Поповым возможности передачи радиоволн на растояние . Это открытие дало огромный импульс развития и внедрения различных электронных приборов в практику; так появился спрос на устройствадля генерации, усиления и детектирования электрических сигналов.

Второй этап истории развития электроники охватывает первую половину 20-го века. Этот период характеризуется разработкой и совершенствованием электровакуумных приборов и систематизированным изучением их физических свойств. В 1904 г. была сделана простейшая двухэлектродная электронная лампа - диод , нашедший широчайшее применение в радиотехнике для детектирования электрических колебаний. Спустя всего несколько лет в 1907 г. изготовлена трехэлектродная лампа - триод , усиления электрических сигналов. В России первые образцы ламп были изготовлены в 1914-1915 гг. под руководством Н. Д. Папалекси и М. А. Бонч-Бруевича.

Но развязанная англичанами и немцами первоя мировая война, препятствовала работе по созданию новых типов электронных ламп. После государственного переворота проплаченного англосаксами 1917 года несмотря на сложнейшее финансовое состояние начала создаваться отечественная радиотехническая промышленность. В 1918 г. начинает работать Нижегородская радиолаборатория под руководством М. А. Бонч-Бруевича - первое научно-исследовательское учреждение по вопросам радио и электровакуумной техники. Уже в тяжелейшем для страны 1919 году лаборатории были изготовлены первые образцы отечественных приемно-усилительных радиоламп, а в 1921 г. разработаны первые мощные электронные лампы с водяным охлаждением. Существенный вклад в развитие электровакуумной техники и массового производства радиоламп внес коллектив построенного в 1922 г. Ленинградского электролампового завода впоследствии именуемого «Светлана».

В дальнейшем развитие электровакуумных приборов для усиления и генерирования электрических колебаний шло семи мильными шагами. Освоение радиотехникой гектометровых (X=1000-f-100 м) и декаметровых (А=100-10 м) волн потребовало разработки высокочастотных ламп. В 1924 г. были изобретены четырехэлектродные лампы (тетроды) , в 1930 г. - пятиэлектродные (пентоды ), в 1935 г. - многосеточные частотно-преобразовательные лампы (гептоды ). В 30-х и начале 40-х годов наряду с усовершенствованием обычных ламп были разработаны лампы для дециметровых (А-100-н 10 см) и сантиметровых (А=10ч-1 см) волн - магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны.

Параллельно с разработкой электронных создавались электронно-лучевые, фотоэлектрические, ионные приборы, в создание которых существенный вклад внесли российские инженеры. К середине 30 х годов в основном сформировалась ламповая электроника. Развитие электровакуумной техники в последующие годы шло по-пути снижения габаритов приборов, улучшения их параметров и характеристик, увеличения рабочей частоты, повышения надежности и долговечности.

История развития электроники. Третий период относится к концу 40-х и началу 50-х годов, характеризующихся бурным развитием дискретных полупроводниковых приборов. Развитию полупроводниковой электроники предшествовали работы в области физики твердого тела. Большие заслуги изучения физики полупроводников принадлежат школе советских физиков, длительное время возглавляемой академиком А. Ф. Иоффе. Теоретические и экспериментальные исследования электрических свойств полупроводников, выполненные советскими учеными А. Ф. Иоффе, И. В. Курчатовым, В. П. Жузе, В. Г. Лошкаревым и другими, позволили создать стройную теорию полупроводников и определить пути их применения.

Начало кремниевого века В 1947 году, положили в недрах лабораторий телефонной компании Bell где «родился» первый в в текущем цикле транзистор – полупроводниковый усилительный элемент. Событие ознаменовало собой переход электроники из громоздких вакуумных труб на более компактные и экономичные полупроводники. Начался новый виток цивилизации, получивший название «кремниевый век». Предполагается, что как раз знания от полупроводников смогли расшифровать от предыдущего цикла развития цивилизации на Земле

Первые промышленные образцы полупроводниковых приборов - , способных усиливать и генерировать электрические колебания, были предложены в 1948 г. С появлением транзисторов начинается период покорения электроники полупроводниками. Способность транзисторов работать при низких напряжениях и токах позволила уменьшить размеры всех элементов в схемах, открыла возможность миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры. Одновременно с разработкой новых типов приборов велись работы по совершенствованию технологических методов их изготовления.

В первой половине 50-х годов был разработан метод диффузии легирующих примесей в полупроводниковые материалы, а в начале 60-х годов - планарная и эпитаксиальная технология, на многие годы определившие прогресс в производстве полупроводниковых структур. 50-е годы знаменуются открытиями в области физики твердого тела и переходом к квантовой электронике, приведшей к развитию лазерной техники. Большой вклад в развитие этой отрасли науки и техники внесли советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, удостоенные Ленинской (в 1959 г.) и Нобелевской (в 1964 г.) премий.

Четвертый период развития электроники берет начало в 60-е годы прошлого века. Он характеризуется разработкой и практическим освоением интегральных микросхем , совместивших в едином технологическом цикле производство активных и пассивных элементов функциональных устройств. Уровень интеграции БИС достигает тысяч элементов в одном кристалле. Освоение выпуска больших и сверхбольших интегральных схем позволило перейти к созданию функционально законченных цифровых устройств - микропроцессоров, рассчитанных на совместную работу с устройствами памяти и обеспечивающих обработку информации и управление по заданной программе.

Достижения полупроводниковой электроники явились фактором появления микроэлектроники. Далее развитие электроники идет по пути микроминиатюризации электронных устройств, повышения надежности, экономичности электронных приборов и интегральных микросхем ИМС, улучшения их качественных показателей, уменьшения разброса параметров, расширения частотного и температурного диапазонов. Начатая в 50-е годы «транзисторизация» электронного оборудования и на ближайшие годы останется символом полупроводниковой электроники в ее качественно новом виде - интегральной электронике. Важное значение приобретает развитие нового направления электроники - оптоэлектроники, сочетающей электрические и оптические способы преобразования и обработки сигнала (преобразование электрического сигнала в оптический, а затем оптического снова в электрический).

История развития электроники. Пятым этапом можно назвать полупроводники в процессорах . Или закат эпохи кремния. В передовых областях современной электроники, как разработка и производство процессоров, где размер и скорость полупроводниковых элементов стали играть решающую роль, развитие технологий использования кремния практически подошло к своему физическому пределу. В последнии годы улучшение производительности интегральных схем, достигающееся путем наращивания рабочей тактовой частоты и увеличения количества транзисторов.

С увелечением скорости переключения транзисторов, их тепловыделение усиливается по экспоненте. Это остановило в 2005 году максимальную тактовую частоту процессоров где-то в районе 3 ГГц и с тех пор увеличивается лишь «многоядерность», что собственно по сути является топтанием на месте.

Небольшие подвижки есть лиши в количественной интеграции полупроводниковых элементов в одном чипе путем уменьшения их физических размеров – переход на более тонкий технологический процесс. По состоянию на 2009-11 годы во всю использовалась технология в 32 нм при которой длина канала транзистора составляет всего 20 нм. Переход на более тонкий технологически процесс 16 нм началась лишь в 2014 году.

Быстродействие транзисторов по мере их уменьшения растет, но уже не возможен рост тактовой частота ядра процессора, как было до 90 нм технологического процесса. Это говорит лишь о тупике развития кремниевых технологий, хотя они будут использоваться по меньшей мере еще столетие, если конечно не будет осуществлена перезагрузка седьмого цикла цивиализации в этой солнечной системе.

В ближайшее десятилетие должны быть обнародованы графеновые разработки , особенно в этом продвинулись некоторые российские институты благодоря расшифровки информации от предыдущего цикла, названия которых я пока указать не могу.

Графен - это полупроводниковый материал, повторно открытый лишь 2004 году. В нескольких лабораториях уже синтезирован транзистор на базе графена, который может работать в трех устойчивых состояниях. Для аналогичного решения в кремниевом исполнение, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит в недалеком будущем создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их устаревшие кремниевые аналоги.

Еще одним важным преимуществом графеновых полупроводников является их способность работать на высоких частотах. Причем, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.

И радаров , которые нашли широкое применение во время Второй мировой войны .

Но электронные лампы обладали существенными недостатками. Это прежде всего большие размеры и высокая потребляемая мощность (что было критичным для переносных устройств). Поэтому начала развиваться твердотельная электроника , а в качестве элементной базы стали применять диоды и транзисторы .

Дальнейшее развитие электроники связано с появлением компьютеров . Компьютеры, основанные на транзисторах, отличались большими размерами и потребляемой мощностью, а также низкой надежностью (из-за большого количества деталей). Для решения этих проблем начали применяться микросборки , а затем и микросхемы . Число элементов микросхем постепенно увеличивалось, стали появляться микропроцессоры . В настоящее время развитию электроники способствует появление сотовой связи , а также различных беспроводных устройств, навигаторов , коммуникаторов , планшетов и т. п.

Основными вехами в развитии электроники можно считать:

изобретения А. С. Поповым радио (7 мая 1895 года), и начало использования радиоприёмников ,
изобретение Ли де Форестом лампового триода , первого усилительного элемента,
использование Лосевым полупроводникового элемента для усиления и генерации электрических сигналов,
развитие твердотельной электроники,
использование проводниковых и полупроводниковых элементов (работы Иоффе , Шотки),
изобретение в 1947 году транзистора (Уильям Шокли , Джон Бардин и Уолтер Браттейн),
создание интегральной микросхемы и последующее развитие микроэлектроники, основной области современной электроники.

Области электроники

Можно различать следующие области электроники:

физика (микромира, полупроводников, электромагнитных волн, магнетизма, электрического тока и др.) - область науки, в которой изучаются процессы, происходящие с заряженными частицами ,
бытовая электроника - бытовые электронные приборы и устройства , в которых используется электрическое напряжение, электрический ток, электрическое поле или электромагнитные волны. (Например телевизор, мобильный телефон, утюг, лампочка, электроплита,.. и др.).
Энергетика - выработка, транспортировка и потребление электроэнергии, электроприборы высокой мощности (например электродвигатель , электрическая лампа , электростанция), электрическая система отопления , линия электропередачи .
Микроэлектроника - электронные устройства, в которых в качестве активных элементов используются микросхемы :
- оптоэлектроника - устройства в которых используются электрический ток и потоки фотонов,
- аудио-видеотехника - устройства усиления и преобразования звука и видео изображений,
- цифровая микроэлектроника - устройства на микропроцессорах или логических микросхемах. Например: электронный калькулятор , компьютер , цифровой телевизор , мобильный телефон , принтер , робот , панель управления промышленным оборудованием, средствами транспорта, и другие бытовые и промышленные устройства.

Изучению различных аспектов электроники посвящены многие научные дисциплины технических вузов .

Твердотельная электроника

История твердотельной электроники

Термин твердотельная электроника появился в литературе в середине XX века для обозначения устройств на полупроводниковой элементной базе: транзисторах и полупроводниковых диодах, заменивших громоздкие низкоэффективные электровакуумные приборы - радиолампы. Корень «тверд» использован здесь, потому что процесс управления электрическим током происходит в твёрдом теле полупроводника в отличие от вакуума, как это происходило в электронной радиолампе. Позднее, в конце XX века этот термин потерял своё значение и постепенно вышел из употребления, поскольку практически вся электроника нашей цивилизации начала использовать исключительно полупроводниковую твердотельную активную элементную базу.

Миниатюризация устройств

С рождением твердотельной электроники начался революционно быстрый процесс миниатюризации электронных приборов. За несколько десятков лет активные элементы уменьшились в десять миллиардов раз - с нескольких сантиметров электронной радиолампы до нескольких нанометров интегрированного на полупроводниковом чипе транзистора.

Технология получения элементов

Активные и пассивные элементы в твердотельной электронике создаются на однородном сверхчистом кристалле полупроводника, чаще всего кремния, методом инжекции или напыления новых слоев в определённых координатах тела кристалла атомов иных химических элементов, молекул более сложных, в том числе и органических веществ. Инжекция меняет свойства полупроводника в месте инжекции (легирования) меняя его проводимость на обратную, создавая таким образом диод или транзистор или пассивный элемент: резистор, проводник, конденсатор или катушку индуктивности, изолятор, теплоотводящий элемент и другие структуры. В последние годы широко распространилась технология производства источников света на кристалле. Огромное количество открытий и разработанных технологий использования твердотельных технологий ещё лежат в сейфах патентообладателей и ждут своего часа.

Технологию получения полупроводниковых кристаллов, чистота которых позволяет создавать элементы размером в несколько нанометров, стали называть нанотехнологией , а раздел электроники - микроэлектроникой.

Следующим этапом в эволюции электроники возможно станет оптоэлектроника, в которой несущим элементом выступит фотон, значительно более подвижный, менее инерционный чем электрон/«дырка» в полупроводнике твердотельной электроники.

Основные твердотельные приборы

Основные твердотельные активные приборы, используемые в электронных устройствах:

Диод - проводник с односторонней проводимостью от анода к катоду. Разновидности: туннельный диод , лавинно-пролётный диод , диод Ганна , диод Шоттки и др.;
Биполярные транзисторы - транзисторы с двумя физическими p-n-переходами , ток Коллектор-Эмиттер которого управляется током База-Эмиттер;
Полевой транзистор - транзистор, ток Исток-Сток которого управляется Напряжением на p-n- или n-p-переходе Затвор-Сток или потенциалом на нём в транзисторах без физического перехода - с затвором, гальванически изолированным от канала Сток-Исток;
Диоды с управляемой проводимостью динисторы и тиристоры , используемые как переключатели, светодиоды и фотодиоды используемые как преобразователи э/м излучения в электрические сигналы или электрическую энергию или обратно;
Интегральная микросхема - комбинация активных и пассивных твердотельных элементов на одном или нескольких кристаллах в одном корпусе, используемые как модуль, электронная схема в аналоговой и цифровой микроэлектронике.

Примеры использования

Примеры использования твердотельных приборов в электронике:

Умножитель напряжения на выпрямительном диоде;
Умножитель частоты на нелинейном диоде;
Эмиттерный повторитель (напряжения) на биполярном транзисторе;
Коллекторный усилитель (мощности) на биполярном транзисторе;
Эмулятор индуктивности на интегральных микросхемах, конденсаторах и резисторах;
Преобразователь входного сопротивления на полевом или биполярном транзисторе, на интегральной микросхеме операционного усилителя в аналоговой и цифровой микроэлектронике;
Генератор электрических сигналов на полевом диоде, диоде Шоттки, транзисторе или интегральной микросхеме в генераторах сигналов переменного тока;
Выпрямитель напряжения на выпрямительном диоде в цепях переменного электрического тока в разнообразных устройствах;
Источник стабильного напряжения на стабилитроне в стабилизаторах напряжения;
Источник стабильного напряжения на выпрямительном диоде в схемах смещения напряжения база-эмиттер биполярного транзистора;
Светоизлучающий элемент в осветительном приборе на светодиоде ;
Светоизлучающий элемент в оптоэлектронике на светодиоде ;
Светоприёмный элемент в оптоэлектронике на фотодиоде ;
Светоприёмный элемент в солярных панелях солярных электростанций;
Усилитель мощности на биполярном или полевом транзисторе, на интегральной микросхеме, Усилитель мощности в выходных каскадах усилителей мощности сигналов, переменного и постоянного тока;
Логический элемент на транзисторе, диодах или на интегральной микросхеме цифровой электроники;
Ячейка памяти на одном или нескольких транзисторах в микросхемах памяти;
Усилитель высокой частоты на транзисторе;
Процессор цифровых сигналов на интегральной микросхеме цифрового микропроцессора;
Процессор аналоговых сигналов на тразисторах, интегральной микросхеме аналогового микропроцессора или на операционных усилителях ;
Периферийные устройства компьютера на интегральных микросхемах или транзисторах;
Входной каскад операционного или дифференциального усилителя на транзисторе;
Электронный ключ в схемах коммутации сигналов на полевом транзисторе с изолированным затвором;
Электронный ключ в схемах с памятью на диоде Шоттки.

Основные различия аналоговой и цифровой электроники

Поскольку в аналоговых и цифровых схемах информация кодируется по-разному, у них отличаются и процессы обработки сигналов. Следует при этом заметить, что все операции, которые могут быть совершены над аналоговым сигналом (в частности, усиление, фильтрация, ограничение диапазона и т. п.) могут быть осуществлены и методами цифровой электроники и программного моделирования в микропроцессорах.

Основное различие аналоговой от цифровой электроники можно найти в наиболее характерных для той или иной электроники способах кодирования информации.

Аналоговая электроника использует простейшее пропорциональное одномерное кодирование - отражение физических параметров источника информации в аналогичные физические параметры электрического поля или напряжения (амплитуды в амплитуды, частоты в частоты, фазы в фазы и т. д.).

Цифровая электроника использует n-мерное кодирование физических параметров источника данных. Минимально в цифровой электронике используется двумерное кодирование: напряжение (ток) и моменты времени. Данная избыточность принята исключительно для гарантированной передачи данных с любым программируемым уровнем добавленных в устройстве шумов и искажений в исходный сигнал. В более сложных цифровых схемах используется методы программной микропроцессорной обработки информации. Методы цифровой передачи данных позволяют реально создавать физические каналы передачи данных абсолютно без потерь (без возрастания шумов и других искажений)

В физическом же смысле поведение всякой цифровой электронной схемы и всего устройства ничем не отличается от поведения аналогового электронного устройства или схемы и может быть описано теорией и правилами, описывающими функционирование аналоговых электронных устройств.

Шум

В соответствии со способом кодирования информации в аналоговых схемах они в существенно большей степени уязвимы к воздействию шума , нежели цифровые цепи. Малое изменение сигнала может внести значительные модификации в передаваемую информацию и в конечном счёте привести к её утрате; в свою очередь, цифровые сигналы принимают лишь одно из двух возможных значений, и для того, чтобы вызвать ошибку, помеха должна составлять примерно половину их общей величины. Это свойство цифровых схем может быть использовано для повышения устойчивости сигналов к помехам. Кроме того, противодействие шуму обеспечивается средствами восстановления сигналов на каждом логическом вентиле, которые уменьшают или ликвидируют помехи; такой механизм становится возможным благодаря квантованию цифровых сигналов . До тех пор, пока сигнал остаётся в пределах определённого диапазона значений, он ассоциируется с одной и той же информацией.

Шум является одним из ключевых факторов, влияющих на точность сигнала; в основном это шум, присутствующий в исходном сигнале, и помехи, вносимые при его передаче (см. Отношение сигнал-шум). Фундаментальные физические ограничения - к примеру, т. н. «дробовой » шум в компонентах - устанавливают пределы разрешения аналоговых сигналов. В цифровой электронике дополнительная точность обеспечивается использованием вспомогательных разрядов, характеризующих сигнал; их количество зависит от производительности аналого-цифрового преобразователя (АЦП) .

Сложность разработки

Аналоговые схемы сложнее разрабатывать, нежели сравнимые с ними цифровые; это одна из причин, по которым цифровые системы приобрели большее распространение, нежели аналоговые. Аналоговая схема разрабатывается вручную, и процесс её создания обеспечивает меньше возможностей для автоматизации . Следует, впрочем, заметить, что для взаимодействия с окружающей средой в той или иной форме цифровое электронное устройство нуждается в аналоговом интерфейсе . К примеру, у цифрового радиоприёмника имеется аналоговый предусилитель, который является первым звеном приёмной цепи.

Типология схем

В настоящее время сложно найти такую электронную схему, которая была бы полностью аналоговой. Сейчас в аналоговых цепях используются цифровые или даже микропроцессорные технологии, позволяющие увеличить их производительность . Такая схема обычно называется не аналоговой или цифровой, а смешанной. В некоторых случаях провести чёткое разграничение между непрерывными и дискретными схемами сложно - в силу того, что как те, так и другие включают в свой состав элементы и линейного, и нелинейного характера. Примером может послужить, допустим, компаратор : получая на входе непрерывный диапазон напряжения, он в то же время выдает на выходе лишь один из двух возможных уровней сигнала , подобно цифровой схеме. Похожим образом перегруженный транзисторный усилитель может приобрести свойства контролируемого переключателя, также имеющего два уровня выходного сигнала.

Цифровые схемы

К цифровым относятся схемы, основанные на некотором количестве дискретных уровней напряжения. Они представляют собой наиболее типичную физическую реализацию булевой алгебры и составляют элементную основу всех цифровых компьютеров. Термины «цифровая схема», «цифровая система» и «логическая схема» часто при этом рассматриваются как синонимичные. Для цифровых схем характерна, как правило, двоичная система с двумя уровнями напряжения, которые соответствуют логическому нулю и логической единице соответственно. Часто первый соотносится с низким напряжением, а вторая - с высоким, хотя встречаются и обратные варианты. Изучались также и тернарные логические схемы (то есть с тремя возможными состояниями), предпринимались попытки построения компьютеров на их основе. Помимо вычислительных машин, цифровые схемы составляют основу электронных часов и программируемых логических контроллеров (используемых для управления промышленными процессами); ещё одним примером могут служить