Введение. Что такое электроника? Перспективы ее развития

13.08.2019

Лицензионное соглашение.

Данную книгу разрешается копировать, размножать и печатать, если это делается на некоммерческой основе и не извлекается выгода. В случае её коммерческого применения, например, если Вы хотите продавать, сдавать в прокат, аренду всю книгу «Электронная техника» или любую её часть, то на это требуется согласие её автора (Москатова Евгения Анатольевича) за гонорар. Перек омпоновка книги з апрещается. Запрещается изменять содержимое книги, удалять сведения об авторстве. Книга распространяется “как есть”, то есть её автор не несёт ответственности за возможный ущерб, упущенную выгоду и прочее. В случае некоммерческой публикации (например, на сервере бесплатных материалов) следует поставить автора в известность, а также явно указать авторство и источник, с которого произведена публикация.

Материал, изложенный в книге, разбит на следующие разделы и темы.

Раздел 1. Электронно-дырочные и металлополупроводниковые переходы
Тема 1. Движение электронов в электрических и магнитных полях
1) Движение электронов в ускоряющем электрическом поле
2) Движение электрона в тормозящем электрическом поле
3) Движение электрона в поперечном электрическом поле
4) Движение электрона в магнитных полях
5) Зонная энергетическая диаграмма
Тема 2. Электропроводность полупроводников
1) Собственная проводимость полупроводников
2) Примесная проводимость полупроводников
3) Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках
Тема 3. Электронно-дырочный (p-n) переход
1) Образование электронно-дырочного перехода
2) Прямое и обратное включение p-n перехода
3) Свойства p-n перехода
Тема 4. Переход Шоттки
1) Образование перехода Шоттки
2) Прямое и обратное включение диодов Шоттки
Тема 5. Некоторые эффекты полупроводника
1) Тоннельный эффект
2) Эффект Гана
3) Эффект Холла
Раздел 2. Полупроводниковые приборы
Тема 6. Устройство, классификация и основные параметры полупроводниковых диодов
1) Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов
2) Конструкция полупроводниковых диодов
3) Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов
Тема 7. Выпрямительные диоды
1) Общая характеристика выпрямительных диодов
2) Включение выпрямительных диодов в схемах выпрямителей
Тема 8. Стабилитроны, варикапы, светодиоды и фотодиоды
1) Стабилитроны
2) Варикапы
3) Фотодиоды
4) Светодиоды
Тема 9. Импульсные, высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды
1) Импульсные диоды
2) Диоды ВЧ
3) СВЧ диоды
Раздел 3. Биполярные транзисторы
Тема 10. Устройство, классификация и принцип действия биполярных транзисторов
1) Классификация и маркировка транзисторов
2) Устройство биполярных транзисторов
3) Принцип действия биполярных транзисторов
Тема 11. Схемы включения биполярных транзисторов
1) Схема включения с общей базой ОБ
2) Схема включения с общим эмиттером ОЭ
3) Схема включения с общим коллектором ОК
4) Усилительные свойства биполярного транзистора
Тема 12. Статические характеристики транзисторов
1) Статические характеристики транзистора по схеме ОБ
2) Статические характеристики транзистора по схеме ОЭ
Тема 13. Динамический режим работы транзистора
1) Понятие о динамическом режиме
2) Динамические характеристики и понятие рабочей точки
3) Ключевой режим работы транзистора
Тема 14. Эквивалентная схема транзистора
1) Эквивалентная схема транзистора с ОБ
2) Эквивалентная схема транзистора с ОЭ
3) Эквивалентная схема транзистора с ОК
4) Транзистор как активный четырёхполюсник
Тема 15. Система h-параметров транзистора. Y-параметры
1) h-параметры и их физический смысл
2) Определение h-параметров по статическим характеристикам
3) Y-параметры транзисторов
Тема 16. Температурные и частотные свойства транзисторов. Фототранзисторы
1) Температурное свойство транзисторов
2) Частотное свойство транзисторов
3) Фототранзисторы
Раздел 4. Полевые транзисторы
Тема 17. Представление о полевых транзисторах
1) Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n переходом
2) Характеристики и параметры полевых транзисторов
3) Полевые транзисторы с изолированным затвором
4) Полевые транзисторы для ИМС, репрограммирующих постоянных запоминающих устройств (РПЗУ)
Раздел 5. Тиристоры
1) Устройство и принцип действия динисторов
2) Основные параметры тиристоров
3) Тринисторы
4) Понятие о симисторах
Раздел 6. Электровакуумные приборы
Тема 18. Электровакуумный диод
1) Электровакуумный диод, устройство и принцип действия электровакуумного диода
2) ВАХ и основные параметры электровакуумного диода
Тема 19. Триод
1) Устройство и принцип действия триода
2) ВАХ и основные параметры триода
Тема 20. Тетрод
1) Устройство и схема включения тетрода
2) Динатронный эффект
3) Лучевой тетрод
Тема 21. Пентод
Раздел 7. Цифровая микросхемотехника
Тема 22. Основы микроэлектроники
1) Классификация и УГО интегральных микросхем (ИМС)
2) Элементы и компоненты гибридных ИМС (ГИС)
3) Элементы и компоненты полупроводниковых ИМС
Раздел 8. Булева алгебра
Тема 23. Простейшие логические функции и логические элементы
1) Логические функции и их реализация
2) Схемотехника простейших логических элементов
3) Характеристики и параметры цифровых ИМС
Тема 24. Транзисторно-транзисторная логика
1) Основные типы логики и понятие о многоэмиттерном транзисторе
2) Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) с простым инвертором
3) ТТЛ со сложным инвертором
Тема 25. Логические элементы ТТЛ со специальными выводами
1) ТТЛ с открытым коллектором
2) ТТЛ с Z-состоянием
3) ТТЛШ
4) Оптоэлектронные ИМС
Тема 26. Логические элементы на полевых транзисторах МОП – структуры
1) Ключи на МОП – транзисторах
2) Комплементарная МОП - пара (КМОП)
3) Реализация функции И-НЕ в КМОП – логике
4) Реализация функции ИЛИ-НЕ в КМОП – логике
Тема 27. Эмиттерно-связная логика
1) Реализация функций ИЛИ и ИЛИ-НЕ в эмиттерно-связной логике (ЭСЛ)
2) Источник опорного напряжения
3) Базовый элемент ЭСЛ серии К500
Раздел 9. Аналоговые электронные устройства
Тема 28. Классификация и основные технические показатели усилителей
1) Классификация усилителей
2) Основные технические показатели усилителей
3) Характеристики усилителей
Тема 29. Питание цепи базы транзисторов и температурная стабилизация рабочей точки
1) Питание цепи базы транзистора по схеме с фиксированным током базы
2) Питание цепи базы транзистора по схеме с фиксированным напряжением базы
3) Температурная стабилизация (термостабилизация) рабочей точки при помощи терморезистора и полупроводникового диода
4) Термостабилизация рабочей точки при помощи отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному напряжению
5) Термостабилизация рабочей точки при помощи ООС по постоянному току
Тема 30. Обратная связь в усилителе
1) Виды обратной связи
2) Влияние ООС на основные показатели усилителя
Тема 31. Режимы работы усилительных элементов
1) Понятие о проходной динамической характеристике
2) Режим работы класса А
3) Режим работы класса В
4) Режим работы класса АВ
5) Режим работы класса С
6) Режим работы класса D
Тема 32. Межкаскадные связи в усилителях
1) Виды межкаскадных связей
2) Эквивалентная схема усилительного каскада с резисторно - ёмкостными связями
3) Анализ эквивалентной схемы на низких, средних и высоких частотах
Тема 33. Выходные каскады усиления
1) Однотактный выходной трансформаторный каскад
2) Двухтактный выходной трансформаторный каскад
3) Двухтактный выходной бестрансформаторный каскад
Тема 34. Усилители постоянного тока с непосредственными связями
1) Усилители постоянного тока с непосредственными связями
2) Дифференциальный каскад УПТ
Тема 35. Операционные усилители
1) Классификация и основные параметры операционных усилителей (ОУ)
2) Схемы включения ОУ
Раздел 10. Устройства отображения информации
Тема 36. Электронно-лучевые трубки и кинескопы
1) Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с электростатическим управлением
2) ЭЛТ с электромагнитным управлением
3) Кинескопы
4) Цветные кинескопы
Тема 37. Индикаторы
1) Буквенно-цифровые индикаторы
2) Матричные индикаторы
3) Вакуумные электролюминесцентные индикаторы
4) Жидкокристаллические индикаторы
Заключение
Приложение
Решение типовых задач по курсу "Электронная техника"

Сегодня уже трудно в каком-нибудь бытовом приборе или блоке питания обнаружить трансформатор на железе. В 90-е годы они начали быстро уходить в прошлое, уступая место импульсным преобразователям или импульсным источникам питания (сокращенно ИИП). Импульсные источники питания превосходят трансформаторные по габаритам, качеству получаемого постоянного напряжения, они имеют широкие возможности регулировки выходного напряжения и тока, а также традиционно оснащены защитой от перегрузки по выходному току. И хотя считается, что импульсные блоки питания являются...

Одной из важнейших величин в импульсной технике является скважность S. Скважность S характеризует прямоугольный импульс, и определяет то, во сколько раз период импульса T больше его длительности t1. Так, меандр, например, имеет скважность равную 2, поскольку длительность импульса в такой последовательности равна половине его периода. И в числителе, и в знаменателе стоят продолжительности, измеряемые в секундах, поэтому скважность - величина безразмерная. Для справки напомним, что меандр - это такая импульсная последовательность, где длительность положительной части импульса...

Когда в цепи необходимо подавить переменные токи определенного частотного спектра, но при этом эффективно пропустить токи с частотами, находящимися выше или ниже этого спектра, может пригодиться пассивный LC-фильтр на реактивных элементах - фильтр нижних частот ФНЧ (если необходимо эффективно пропустить колебания с частотой ниже заданной) или фильтр верхних частот ФВЧ (при необходимости эффективно пропустить колебания с частотой выше заданной). Принцип построения данных фильтров основывается на свойствах индуктивностей и емкостей...

В одной из предыдущих статей мы рассмотрели общий принцип работы активных корректоров коэффициента мощности (ККМ или PFC). Однако ни одна схема корректора не заработает без контроллера, задача которого - правильно организовать управление полевым транзистором в общей схеме. В качестве яркого примера универсального PFC-контроллера для реализации ККМ можно привести популярную микросхему L6561, которая выпускается в SO-8 и DIP-8 корпусах, и предназначается для построения сетевых блоков коррекции коэффициента мощности номиналом до 400 Вт...

Коэффициент мощности и фактор наличия гармоник сетевой частоты являются важными показателями качества электроэнергии, особенно для электронного оборудования, которое этой электроэнергией питается. Для поставщика переменного тока желательно, чтобы коэффициент мощности потребителей был приближен к единице, а для электронных приборов важно чтобы гармонических искажений было бы как можно меньше. В таких условиях и электронные компоненты устройств проживут дольше, и нагрузке будет более комфортно работать. В реальности же имеет место проблема, которая состоит в том...

В данной статье будет приведен порядок расчета и подбора компонентов, необходимых при проектировании силовой части понижающего импульсного преобразователя постоянного тока без гальванической развязки, топологии buck-converter. Преобразователи данной топологии хорошо подходят для понижения постоянного напряжения в пределах 50 вольт по входу и при мощностях нагрузки не более 100 Вт. Все что касается выбора контроллера и схемы драйвера, а также типа полевого транзистора, оставим за рамками данной статьи, однако подробно разберем схему и особенности рабочих режимов...

Варистором называется полупроводниковый компонент, способный нелинейно изменять свое активное сопротивление в зависимости от величины приложенного к нему напряжения. По сути это - резистор с такой вольт-амперной характеристикой, линейный участок которой ограничен узким диапазоном, к которому приходит сопротивление варистора при приложении к нему напряжения выше определенного порогового. В этот момент сопротивление элемента скачкообразно изменяется на несколько порядков - уменьшается от изначальных десятков МОм до единиц Ом...

Оптрон - оптоэлектронный прибор, главными функциональными частями которого выступают источник света и фотоприемник, гальванически не связанные друг с другом, но расположенные внутри общего герметичного корпуса. Принцип действия оптрона базируется на том, что подаваемый на него электрический сигнал вызывает свечение на передающей стороне, и уже в форме света сигнал принимается фотоприемником, инициируя электрический сигнал на приемной стороне. То есть сигнал передается и принимается посредством оптической связи...

Одной из популярнейших топологий импульсных преобразователей напряжения является двухтактный преобразователь или push-pull (в дословном переводе - тяни-толкай). В отличие от однотактного обратноходового преобразователя (flyback), энергия в сердечнике пуш-пула не запасается, потому что в данном случае это - сердечник трансформатора, а не сердечник дросселя, он служит здесь проводником для переменного магнитного потока, создаваемого по очереди двумя половинами первичной обмотки. Это именно импульсный трансформатор с фиксированным...

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

Говоря об электронике, мы представляем себе компьютеры, телевизоры, печи СВЧ, мобильные телефоны и другие устройства. Между тем, это не только область техники, где создаются эти устройства. Это ещё и наука, занимающаяся изучением процессов, происходящих с заряженными частицами. Мы вряд ли получим ответ на вопрос, когда появилась электроника. Но проследить за историей её развития вполне возможно.

Современная электроника

В современной электронике можно выделить следующие основные области.

Бытовая электроника . К ней относятся все бытовые приборы – телевизоры, электроплиты, утюги, мобильные телефоны и др. В этих устройствах используют электрическое напряжение, электрический ток , электромагнитное поле или электромагнитные волны.

Энергетика . Это производство, передача и потребление электрической энергии. Сюда относят и электрические приборы высокой мощности – электростанции, электродвигатели, линии электропередач.

Микроэлектроника . В свою очередь она подразделяется на оптоэлектронику, звуко-видео-технику и цифровую электронику.

Приборы оптоэлектроники служат для преобразования светового излучения в электрический ток. К ним относятся фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы и др. Другой тип приборов: светодиоды, лазеры, лампы накаливания, наоборот, преобразуют электрический ток в световое излучение.

Звуко-видео-техника – это устройства, в которых происходит преобразование звука и изображения.

К цифровой микроэлектронике относятся компьютеры, цифровые телевизоры, мобильные телефоны, панели управления устройствами и др.

Основной активный элемент в электронике - микросхема.

Из истории

Как появилась электроника?

Современному человеку трудно представить, как можно передать информацию на большое расстояние, не имея телефона, радио или компьютера, подключенного к интернету. Между тем потребность делиться информацией у человечества была всегда. И делалось это самыми различными способами. Древние люди предупреждали друг друга об опасности, подавая сигналы криком, разжигая костры, издавая барабанную дробь. Позже появилась голубиная почта, новости приносили специальные гонцы. В Китае информацию передавали с помощью воздушных змеев, окрашенных по-разному в зависимости от вида информации, которую они несли. Пожалуй, самым распространённым был световой способ передачи. На всём протяжении линии связи устанавливались башни, на каждой из которых зажигали огонь, как только его видели на предыдущей башне. И так сигнал передавался по цепи. Позднее, когда изобрели зеркало, сообщения начали посылать от башни к башне с помощью отражённых световых сигналов. На море для передачи информации использовалась азбука Морзе, в которой символы кодировались с помощью различных положений сигнальных флажков.

Словом, самых разных способов человечество придумало немало, но все они действовали лишь на коротком расстоянии и вряд ли могли нормально работать, когда видимость ухудшалась.

Первый электромагнитный телеграф

Электромагнитный телеграф Шиллинга

Всё изменилось, когда изобрели электрический телеграф. Точнее, это был электромагнитный телеграф, использовавший электромагнетизм для передачи сигналов.

Многие физики пытались создать такой прибор, но первым его придумал русский дипломат, изобретатель-электротехник, балтийский немец по происхождению, Павел Львович Шиллинг . После открытия Эрстедом воздействия электрического тока на магнитную стрелку, он понял, что на основе этого явления можно создать телеграф. Его передающее устройство состояло из 16 клавиш, с помощью которых замыкались электрические цепи тока прямого и обратного направлений. На принимающем устройстве были установлены 6 мультипликаторов с магнитными стрелками. Эти стрелки подвешивались на нитях. С одной стороны к ним прикреплялись белые бумажные кружочки, с другой чёрные. Замыкая цепи с помощью клавиш, посылали ток того или иного направления. В принимающем устройстве под воздействием электрического тока отклонялась одна из магнитных стрелок в сторону белого или чёрного кружочка в зависимости от направления тока. Таким способом кодировались буквы алфавита. Устройства соединялись подземным кабелем.

Павел Львович Шиллинг

Впервые Шиллинг продемонстрировал своё изобретение 21 октября 1832 г. в собственной квартире. Позднее он установил этот телеграф в Петербурге между Зимним дворцом и зданием министерства путей сообщения.

Свои модификации электромагнитного телеграфа создали немецкий учёный Карл Фридрих Гаусс и немецкий учёный Макс Вебер. Но на больших расстояниях они не применялись.

Первую телеграфную линию, действовавшую на расстоянии 5 км, создал в 1838 г. немецкий физик Карл Август Штейнгейль.

В 1895 г. русский физик Александр Степанович Попов изобрёл радио. Это была беспроводная электросвязь, носителем сигнала в которой были электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве свободно, без проводников. Это событие можно считать началом рождения электроники.

Александр Степанович Попов

В действующую модель радио входили радиопередатчик, излучающий сигнал, и приёмник, принимающий его. Радиосвязь сразу же стала широко использоваться в военном деле. Появилась необходимость в новых элементах для неё. Их созданием и занялась электроника.

Когда компьютеры были большими

Конечно, в 1905 г. микросхем ещё не существовало. Зато в этом году была изобретена радиолампа. В простейшем варианте она представляла собой стеклянный герметичный баллон с вакуумом внутри. Наружу были выведены 2 электрода – катод и анод. Третья нить выполняла функцию нагрева. По ней пропускали электрический ток. Нить разогревалась до очень высокой температуры в несколько сотен, а иногда и тысяч градусов. Между электродами создавалась большая разность потенциалов в 100-300 в. Катод, к которому подводилось отрицательное напряжение, нагревался и начинал испускать электроны. Поток электронов устремлялся к аноду, соединённому с источником положительного напряжения. В лампе возникал электрический ток.

Электронные лампы

С этого момента электроника начала развиваться семимильными шагами. Радиолампы совершенствовались. В начале 40-х годов ХХ века в год их выпускалось уже несколько миллионов самых разных размеров и конструкций. Ток в некоторых из них создавали не электроны, а ионы – частицы, имеющие положительный заряд. На их основе были созданы совершенно новые радиоприёмники и передатчики. Появились проигрыватели пластинок, магнитофоны, первые модели телевизоров.

Из радиоламп состояла элементная база первых компьютеров, которые появились после второй мировой войны в США в 1948 г. и назывались ЭВМ (электронные вычислительные машины). Так как в одной ЭВМ были десятки тысяч радиоламп, то компьютеры имели огромные размеры. Для их размещения также требовались большие залы.

ЭВМ Урал-1

Конечно, долго так продолжать не могло. Можно сказать, что дальнейшее развитие электроники связано с развитием компьютерной техники. Со временем радиолампы, которые к тому же потребляли большую мощность, были вытеснены полупроводниковыми диодами и транзисторами.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковые диоды

Как же устроен простейший полупроводниковый прибор – диод?

Он состоит из двух примыкающих друг к другу слоёв полупроводника. В одном слое (n - проводимость) избыток свободных электронов, а в другом (p – проводимость) – их недостаток, поэтому в том месте, где не хватает электрона, образуется «дырка», имеющая положительный заряд.

Если подать на катод диода (слой, в котором избыток электронов), отрицательный заряд, а на анод положительный, то начнётся движение зарядов, и через переход между слоями пойдёт электрический ток. Такое включение называется «прямым». Диод в этом состоянии открыт.

Диод открыт

Если же на анод подаётся отрицательный заряд, а на катод положительный, то электроны начинают двигаться к «плюсу», а «дырки» к минусу. Тока через переход не будет. Диод закрыт.

Диод закрыт

С появлением полупроводниковых приборов размеры радиоприёмников, телевизоров и других устройств значительно уменьшились, а качество их работы перешло на новый уровень. ЭВМ уже не занимали огромных площадей, но их размеры всё равно оставались большими, а потребляемая мощность была всё ещё довольно велика.

Интегральные микросхемы

Интегральные микросхемы

Но электроника не стояла на месте. Постепенно отдельные диоды и транзисторы уступили место интегральным микросхемам (ИС).

В любом электронном устройстве происходит обработка электрического сигнала. Это происходит с помощью электрической цепи, которая включает в себя не только транзисторы и диоды. В ней есть и другие основные компоненты: конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности. На заре развития электроники они объединялись в одну электронную схему с помощью проводников. И вся эта схема располагалась на одной плате. Каждый такой отдельный элемент можно было заменить, не трогая другие элементы электрической цепи. Это и делал, например, мастер, когда выходил из строя телевизор.

А в ИС вся электронная схема, выполняющая определённые логические функции, собиралась в едином корпусе маленьких размеров.

Конечно, это был огромный шаг вперёд. Он привёл к резкому росту быстродействия электронных устройств. И хотя габариты их значительно уменьшились, к примеру, оперативная память объёмом всего в 8 Мб российской ЭВМ ЕС-1046 в 80-е годы ХХ века всё ещё была размером с целый шкаф.

Печатные платы

Печатная плата

Создание интегральных микросхем стало толчком к бурному развитию основной отрасли современной электроники – микроэлектроники.

В любом современном электронном устройстве, будь то компьютер, мобильный телефон, телевизор или стиральная машина, есть печатная плата. В ней все электрические связи выполняются уже не проводами. Их заменили проводящие дорожки, покрытые медной фольгой. И расположены они на этой самой печатной плате. Это специальная пластина из диэлектрика (текстолита, гетинакса и др.). Кроме проводящих дорожек на ней созданы специальные контактные площадки, монтажные отверстия для установки радиоэлементов, экранирующие поверхности, ламели разъёмов и др. Печатные платы могут быть однослойными, а могут состоять их нескольких слоёв.

Кстати, не нужно думать, что печатные платы появились в ХХ веке одновременно с появлением микросхем. Годом их рождения физики считают 1902 г., когда немецкий инженер Альберт Хансон, занимавшийся разработками в области телефонии, подал заявку на патент. Плата, которую он создал, считается прототипом современных печатных плат. Основанием платы Хансена служила бумага, пропитанная парафином, на которую наклеивались полоски из бронзовой или медной фольги, служившие проводниками.

Но массово печатные платы стали применяться в электрических приборах в середине прошлого века. В специальных отверстиях в них крепились сначала радиолампы, затем транзисторы, а потом и микросхемы.

На ИС электроника не остановилась. Процесс уменьшения размеров активных элементов в ней происходит непрерывно. И сейчас уже размер транзистора, собранного на полупроводниковом чипе, составляет всего несколько нанометров. Не правда ли, огромный прогресс по сравнению с электронной радиолампой, размер которой достигал нескольких сантиметров?

Именно этот прогресс позволил телевизорам, компьютерам, мобильным телефонам и другим гаджетам стать такими, какими мы их видим в настоящий момент.