Минский государственный высший

Авиационный колледж

Дудников И. Л.

АВИАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

ЧАСТЬ 1

Учебно-методическое пособие

ББК 39.52-051-04

И. Л. ДУДНИКОВ,

кандидат технических наук, доцент

Рецензент

А. Г. Клюев

кандидат технических наук, доцент кафедры ТЭРЭО

Учебно-методическое пособие по курсу «Авиационная электроника» предназначено для студентов (курсантов) специальности 1-37 04 02 «Техническая эксплуатация авиационного оборудования» (специализация 1-37 04 02-01). В нем содержатся теоретические сведения по элементной базе электроники и схемотехники, список рекомендуемой литературы.

© МГВАК, 2011

РАЗДЕЛ 1 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ

Введение. Определение понятия «Электроника»

Электроника, это область науки и техники, занимающаяся созданием и практическим использованием различных устройств и приборов, работа которых основана на изменении концентрации и перемещении заряженных частиц (электронов) в вакууме, газе или твердых кристаллических телах.

Электроника, особо тесно связанная с радиотехникой получила название радиоэлектроники (радиосвязь и телевидение).

Радиоэлектроника относиться к числу чрезвычайно быстро развивающихся отраслей науки, техники, народного хозяйства. Сложность электронной аппаратуры каждые 5 лет возрастает в 10 раз. Происходит непрерывная замена одних приборов другими, более совершенными. Раньше возможности электронных ламп казались совершенными, но появились полупроводниковые приборы с еще большими возможностями. То, что было недоступно электронным лампам (высокая механическая прочность, малогабаритность, долговечность) стало доступно полупроводниковым приборам.

Электроника находит все более широкое применение почти во всех областях науки и техники, что обусловлено высокой чувствительностью, быстродействием, универсальностью и небольшими габаритами электронных приборов.

1. Высокая чувствительность электронных устройств обеспечивается с помощью различных усилительных схем. Может быть достигнута чувствительность электронных устройств: по току 10 -17 А, по напряжению
10 -13 В и по мощности 10 -24 Вт.

2. Быстродействие определяется самой природой электрических колебаний. Этот параметр неуклонно повышается в связи с микроминиатюризацией элементов и устройств в целом.

3. Универсальность обусловлена возможностью преобразования всех видов энергии (механической, тепловой, световой, лучистой, звуковой, химической) в электрическую энергию, на изменении и преобразовании которой основано действие всех электронных схем.

Без электроники были бы невозможны применение авиации, космических кораблей и кибернетических устройств, космические и астрономические исследования, автоматизация научных исследований и производственных процессов, компьютерная техника, радиосвязь и телевидение, системы записи и воспроизведения информации и многие другие достижения современной науки и техники.

Электронные устройства широко используются в технике связи (радиовещание, телевидение); в измерительной технике; на транспорте (автомобильный, железнодорожный, водный транспорт); в медицине и биологии (исследовательская, диагностическая, лечебная аппаратура); в промышленности и сельском хозяйстве, т. е. почти во всех областях деятельности человека весьма широко и успешно применяются электронные устройства.

Область электроники, занимающаяся применением в промышленности, на транспорте и сельском хозяйстве различных электронных устройств, позволяющих осуществлять контроль, регулирование и управление производственными процессами называется промышленной электроникой.

Промышленная электроника немыслима вне радиотехники и радиоэлектроники, которые явились для нее исходным началом.

В промышленную электронику входят:

1. Информационная электроника, к которой относятся электронные системы и устройства, связанные с измерением, контролем и управлением промышленными объектами и технологическими процессами.

2. Энергетическая электроника (преобразовательная техника), связанная с преобразованием вида электрического тока для целей электропривода, сварки, электрической тяги, электротермии и т. д.

3. Электронная технология – воздействие на вещество электронными лучами, плазмой.

В основе радиоэлектроники лежит величайшее открытие электромагнитного поля, связанное с именем выдающихся ученых: М. Фарадеем, открывшим закон электромагнитной индукции (1831 г.), Дж. Максвеллом, создавшим теорию электромагнитного поля (1865 г.), Г. Герцем, впервые экспериментально получившим электромагнитные волны (1887 г.).

В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития промышленной электроники и электронных устройств:

I поколение (1904 – 1950 гг.) – основную элементную базу электронных устройств составляли электровакуумные приборы.

II поколение (1950 – начало 60-х годов) – применение в качестве основной элементной базы дискретных полупроводниковых приборов.

III поколение электронных устройств (1960 – 1980 гг.) связано с развитием микроэлектроники. Основой элементной базы электронных устройств стали интегральные микросхемы и микросборки.

IV поколение (с 1980 г. по настоящее время) характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств на основе применения БИС и СБИС.

Критерием научно-технического прогресса считается в настоящее время степень использования в различных областях человеческой деятельности электронной аппаратуры, позволяющей резко повысить производительность физического и умственного труда, улучшить технико-экономические показатели производства и комплексно решать такие задачи, которые нельзя разрешить другими средствами.

Элементная база – это отдельные детали или модули, представляющие собой предварительно собранные из отдельных деталей схемы неразъемных соединений. Элементную базу делят на три группы элементов:

Активные (транзисторы, электронные лампы);

Преобразующие (электронно-лучевые трубки);

Пассивные (резисторы, индуктивности, емкости, трансформаторы, дроссели).

Когда говорят об электронной технике, то в воображении возникает представление о красивых, удобных установках и приборах, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни. Действительно, трудно представить время, когда не было разнообразной аудио- и видео техники, компьютеров, электронных часов, электромузыкальных инструментов и т. п. Огромное количество электронной техники используется в разнообразных отраслях промышленности, радиотехнике, сельском хозяйстве, авиации, космонавтике, медицине, мореплавании и в военных разработках.

В настоящее время под электронной техникой понимают также приборы и устройства, основанные на электронных потоках и их взаимодействии с веществом и электромагнитными полями.

В основе электронных устройств лежат электронные приборы.

Электронные приборы - это элементарные электронные устройства, выполняющие определенные функции. Различают электровакуумные и твердотельные электронные приборы.

К вакуумным электронным приборам относят электронные лампы, электроннолучевые трубки и другие электровакуумные и газоразрядные приборы (магнетроны, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи и т.п.).

К твердотельным приборам и устройствам относят полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры, светодиоды, фотодиоды, полупроводниковые лазеры, интегральные микросхемы, устройства формирования электрических импульсов тока и напряжения и др.

Под электронной техникой понимают также разнообразные электронные устройства, связанные с использованием элементарных электронных приборов, начиная от простых усилителей и заканчивая сложными вычислительными машинами. Особое место занимают электронные устройства, связанные с формированием, распознаванием и преобразованием радиосигналов. Их изучением и описанием занимается радиоэлектроника.

Характерной является область электроники, к которой относятся импульсные устройства и электронные устройства, связанные с цифровой и вычислительной техникой.

Специфичны и разделы электроники, посвященные методам исследования физических явлений, измерениям физических величин, характеристик и параметров электронных устройств, а также относящихся к ним электрических цепей и электромагнитных полей. Приборы, осуществляющие измерения параметров и исследования процессов, протекающих в электрических цепях и устройствах, называют электронными измерительными приборами.

Все это дает основание сделать вывод. что: » Электронная техника (электроника) - это область науки и техники, связанная с изучением и внедрения физических свойств, методов исследования и практики применения устройств, основанных на взаимодействии электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме или твердом теле.»

Элементы электронной техники -- это выпускаемые промышленностью электронные приборы и устройства, выполняющие определенные функции. Элементы электронной техники являются как бы кирпичиками, из которых конструируются более сложные электронные устройства. Базовыми, или основными элементами электронной техники являются резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, микросхемы и т.п

Активные элементы электронной техники (светодиоды, лазеры, оптроны, управляющие микросхемы) также называют электронными элементами, подчеркивая возможность выполнения ими определенных функций.

Элементная база электронной техники -- это основной набор электронных элементов, используемых в промышленном производстве сложной электронной аппаратуры на данном историческом этапе.

Аналоговая электроника -- это электронная техника, работающая с непрерывными сигналами (непрерывно меняющимися напряжениями и токами). К устройствам аналоговой электроники относятся усилители, смесители, преобразователи частоты, фильтры, стабилизаторы напряжения, тока, частоты, а также генераторы гармонических колебаний.

Импульсная электроника -- это электронная техника, работающая с импульсными сигналами (одиночными импульсами напряжения и тока или последовательностями импульсов). Примерами импульсных устройств являются импульсные усилители и генераторы, преобразователи напряжение -- частота и т.п.

Цифровая электроника -- это электронная техника, работающая с отдельными (дискретными) значениями напряжений (токов, частот), представленных в виде цифр. К устройствам цифровой электроники относятся логические устройства, оперирующие с сигналами 0 и 1, аналогово-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, микропроцессоры, персональные вычислительные машины, сложные вычислительные устройства. Цифровая электроника тесно связана с импульсной техникой, так как сигналы в ней передаются последовательностями импульсов.

Вся линейка электронной техники зависит от применяемой элементной базы, развитию которой посвящены труды многих ученых, их исследований и изобретений. Путь развития электронной техники условно можно разбить на несколько этапов, начало которых ведется от момента открытия электричества и его дальнейшего изучения.

Целью данной работы является проследить этот путь более детально, ознакомиться с азами работы электронных устройст и приборов, их появления в процессе исследований различных свойств электричества и явлений учеными и физиками разных эпох.

Тезаурус по дисциплине «Электронная техника»

Электроника – это область науки и техники, охватывающая проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения электронных приборов и устройств.

Электронными приборами называются приборы, в которых электропроводимость осуществляется посредствам заряженных частиц (ē или ионов) в кристалле полупроводника, в вакууме или газовой среде.

Определённые значения энергии, которыми обладают электроны, называются энергетическими уровнями .

Процесс разрыва ковалентных связей и образование парных носителей заряда (электрон - дырка) при воздействии на полупроводник источников энергии называется генерацией .

Ионизация – это процесс отрыва электронов от атома или присоединения электрона к атому.

Процесс заполнения разорванных ковалентных связей электронами называется рекомбинация .

Если к кристаллу приложить внешнее электрическое поле движение электронов и дырок будет направленным, то есть появляется собственная проводимость .

Полупроводники, электропроводимость которых обусловлена движением положительных зарядов, называются дырочными (полупроводниками p-типа), а примеси - акцепторными .

Полупроводники, электропроводимость которых обусловлена движением отрицательных зарядов, называются электронными (полупроводниками n-типа), а примеси - донорными .

Направленное движение носителей заряда под действием сил электрического поля, называется дрейфом , а вызванный этим явлением ток - дрейфовым .

Направленное движение носителей заряда из слоя с более высокой концентрацией в слой, где их концентрация ниже, называется диффузией , а вызванный эти явлением ток - диффузионным .

Электронно-дырочный переход (p-n-переход) – это тонкий переходный слой в полупроводниковом материале на границе между двумя областями с различным типом электропроводимости.

Включение p-n – перехода в электрическую цепь, когда плюс источника питания подсоединен к области р, а минус к области n, называется прямым .

Включение, при котором к области р подсоединен минус источника питания, а к области n – плюс, называется обратным .

Полупроводниковый диод – это прибор принцип действия, которого основан на односторонней проводимости p-n-перехода.

Импульсным диодом называют полупроводниковый диод, который имеет малую длительность переходных процессов и предназначен для работы в импульсном режиме.

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором слабо зависит от проходящего тока.

Варикап – это полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании барьерной емкости при обратном напряжении.

Туннельный диод – туннельным называют диод, принцип действия которого основан на туннельном эффекте.

Пробой p - n -перехода – это явление резкого увеличения обратного тока через переход при достижении обратным напряжением критического значения.

Лавинный пробой – это электрический пробой перехода, вызванный размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля при обратном смещении.

Тепловой пробой – это пробой, наступающий в результате нарушения равновесия между рассеиваемой теплотой и теплотой выделяемой при протекании тока.

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n – переходами и тремя выводами.

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором значение рабочего тока определяется напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Введение носителей заряда через p-n – переход из области, где они были основными в область, где они являются не основными, за счет снижения потенциального барьера, называется инжекцией .

Процесс захватывания электрическим полем p-n-перехода неосновных носителей заряда и перенос их при обратном напряжении через p-n-переход, в область с противоположным типом электропроводимости называется экстракцией .

Тиристором называется полупроводниковый прибор, имеющий три и более p-n- перехода, который может быстро переключатся из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Фотоэлектронным прибором называется электронный прибор, предназначенный для преобразования энергии оптического излучения в электрическую.

Влияние света на электрические свойства вещества носит название фотоэффекта.

Фотоэлектронная эмиссия – это испускание электронов с поверхности вещества под действием энергии падающего света (внешний фотоэффект ).

Фотогальванический эффект – это возникновение на p-n-переходе под действием падающего света разности потенциалов, называемой фотоэ.д.с.

Фоторезистором называют фотоэлектронный прибор, действие которого основано на уменьшении удельного сопротивления полупроводника под действием света или невидимого излучения (инфракрасного или ультрафиолетового).

Фотодиодом называют полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности p-n-перехода (ток которого управляется световым потоком).

Фототранзистором называют фотогальванический приемник излучения с двумя p-n-переходами, предназначенный для преобразования потока излучения в электрические сигналы.

Светоизлучающий диод (светодиод) – это полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом, в котором осуществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию оптического излучения.

Выпрямителями называют устройства, в которых происходит преобразование переменного тока в постоянный или пульсирующий одного направления.

Болометр – это терморезистор, предназначенный для индикации и измерения энергии электромагнитного излучения в оптическом или инфракрасном диапазоне частот.

Варистор – это полупроводниковый резистор с симметричной нелинейной вольтамперной характеристикой.

Терморезистор (термистор) – это полупроводниковый тепловой прибор, способный изменять свое электрическое сопротивление при изменении его температуры.

Позистор – это полупроводниковый резистор, имеющий положительный температурный коэффициент сопротивления.

Максимальная энергия электрона внутри металла при температуре абсолютного нуля называется уровнем Ферми.

Дополнительная энергия, необходимая электрону для выхода в вакуум называется работой выхода.

Электронной лампой называют прибор, в котором проводимость осуществляется посредством движения электронов между электродами, помещенными в вакуум.

Электровакуумный диод - это двухэлектродная электронная лампа, предназначенная для выпрямления переменного тока.

Электровакуумным триодом называют трехэлектродную лампу, предназначенную для усиления и генерирования переменных токов и напряжений.

Явление перехода вторичных электронов, вылетающих с анода на экранирующую сетку, имеющую более высокий потенциал, называют динатронным эффектом.

Ионные приборы – это приборы, электропроводимость которых обусловлена электронами и ионами, возникающими при электрическом разряде в газовой среде.

Совокупность явлений, происходящих в газе или парах ртути при прохождении через них электрического тока, называют электрическим разрядом в газе.

Неоновые лампы представляют собой двухэлектродные приборы с аномальным тлеющим разрядом и применяются для индикации напряжения или электромагнитного поля высокой частоты.

Электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) называют электровакуумные приборы, в которых управляемый электрическими или магнитными полями поток электронов, сформированный в электронный луч, используется для преобразования электрических сигналов в световые.

Усилитель – это устройство, построенное на электронных активных элементах (лампах, транзисторах и т.д.) и преобразующее электрическую энергию источников питания в электрические колебания усиливаемого сигнала.

Усилитель – это радиотехническое устройство, усиливающее мощность, напряжение или ток электрического сигнала, подводимого к его входу.

Усилитель – это устройство, преобразующее электрические колебания небольшой мощности, поступающие на вход, в электрические колебания большой мощности на выходе.

Усилительный каскад – это (конструктивное звено усилителя) усилительный элемент вместе с другими пассивными элементами, которые обеспечивают необходимый режим его работы и связь с источником сигнала и нагрузкой.

Номинальное входное напряжение, при котором усилитель отдает в нагрузку заданную выходную мощность, называется чувствительностью усилителя.

Обратная связь – это передача выходных колебаний усилителя на его вход.

Динамический диапазон амплитуд – это отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов на выходе усилителя.

Коэффициентом усиления называется отношение выходного параметра к входному.

Электронный генератор – это устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний заданной формы, мощности и частоты.

Генератор, работающий в режиме автоколебаний, обычно называют автогенератором .

Автогенератор – это усилитель с сильной положительной обратной связью.

Автогенератор – это электронный генератор, принцип действия которого основан на автоматическом пополнении энергии, затрачиваемой формирователем колебаний.

Дифференцирующей называют цепь , у которой выходное напряжение пропорционально производной входного.

Интегрирующей называют цепь, напряжение на выходе которой пропорционально интегралу входного.

Импульсным называется устройство, работающее в прерывистом, импульсном режиме.

Импульсный сигнал – это кратковременное изменение тока или напряжения.

Видеоимпульс – это кратковременное изменение тока или напряжения неизменной полярности.

Радиоимпульс – это кратковременное изменение синусоидального тока или напряжения, огибающая которого повторяет форму видеоимпульсов.

Импульсными генераторами называют устройства, формирующие электрические импульсные сигналы.

Триггер – это импульсная схема, имеющая два электрических состояния устойчивого равновесия и предназначенная для генерирования импульсов прямоугольной формы.

Триггер – это переключающее устройство, которое сколь угодно долго сохраняет одно из своих двух состояний устойчивого равновесия и скачкообразно переключается по сигналу извне из одного состояния в другое.

Мультивибратор – это релаксационный автогенератор с прямоугольной формой выходных колебаний.

Мультивибратор – представляет собой генератор несинусоидальных колебаний, близких по форме к прямоугольным.

Одновибратор – это генератор, работающий в ждущем режиме и вырабатывающий одиночный импульс.

Триггер Шмита – это несимметричный триггер (с эмиттерной связью), применяемый для формирования прямоугольных импульсов из синусоидальных сигналов и других периодических сигналов непрямоугольной формы.

Блокинг-генератор – это релаксационный генератор с трансформаторной обратной связью, вырабатывающий кратковременные электрические импульсы

Блокинг-генератор – автоколебательная система, генерирующая кратковременные прямоугольные импульсы с большой скважностью.

Логический элемент – это элемент, в котором сигнал на выходе связан с входным по закону алгебры логики.

Микроэлектроника представляет собой современное направление электроники, которое охватывает проблемы, связанные с разработкой, исследованием, изготовлением и применением микроэлектронных устройств.

ИМС – выполняет определенную функцию преобразования сигнала и представляет собой единое целое с точки зрения изготовления, упаковки, транспортировки и эксплуатации.

Степень интеграции – это показатель сложности ИМС, определяемый числом содержащихся в ней элементов и компонентов.

Кристаллом в полупроводниковой техники принято называть готовый полупроводниковый прибор (транзистор, диод) или микросхему без внешних выводов.

Элементом ИМС принято называть её часть, которая выполняет функцию какого - либо одного элемента (транзистора, диода, резистора) и не может быть отделена от ИМС, как самостоятельное изделие.

Компонент ИМС – это часть микросхемы, которая выполняет функцию какого - либо одного электрорадиоэлемента и может быть отделена от ИМС как самостоятельное изделие.

Плотность упаковки – это количество элементов (обычно транзисторов) на единицу площади или объема кристалла.

Суммарное число элементов и компонентов, входящих в ИМС, называют уровнем интеграции .

Активным элементом называют элемент, обладающий свойством преобразования электрической энергии – выпрямления, усиления, генерирования, управления.

Аналоговые (линейные) ИМС предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.

Цифровые ИМС предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции.

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.

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