Электроніка
навука пра ўзаемадзеяньне электронаў з электрамагнітнымі палямі і мэтады стварэньня электронных прыладаў From Wikipedia, the free encyclopedia
Remove ads
Электро́ніка — разьдзел тэхнікі, які займаецца вытворчасьцю, перасылкай і пераўтварэньнем сыгналаў з дапамогай дроту, электрычнасьці ці электрамагнітнага поля. Як правіла электронныя прылады ўтрымліваюць электрычныя схемы, якія ўключаюць актыўныя электрычныя кампанэнты, як то вакуўмныя трубкі, транзыстары, дыёды і інтэгральных схемы і зьвязаныя пасіўныя тэхналёгіі. Электронныя схемы складаюцца ў асноўным або выключна з актыўных паўправаднікоў з даданьнем пасіўных элемэнтаў. Нелінейныя паводзіны актыўных кампанэнтаў і іхныя здольнасьці да кантраляваньня электронных патокаў робіць магчымым узмацненьне слабых сыгналаў, таму гэты эфэкт шырока выкарыстоўваецца ў апрацоўцы інфармацыі і сыгналаў, а таксама ў тэлекамунікацыях. Здольнасьць электронных прыладаў працаваць у якасьці пераключальніку дазваляе апрацоўваць лічбавую інфармацыю. Акрамя актыўных элемэнтаў і пасіўных кампанэнтаў, выкарыстоўваюцца таксама акустаэлектрычныя элемэнты, як то фільтры, рэзанатары, сэнсары, і оптаэлектронныя элемэнты, як то лазэры, сьвятлодыёды, дэтэктары выпраменьваньня і іншыя кампанэнты.
Сёньня большасьць электронных прыладаў выкарыстоўваць паўправадніковыя кампанэнты. Дасьледаваньне паўправадніковых прыбораў і зьвязаных зь імі тэхналёгіяў лічыцца разьдзелам фізыкі цьвёрдага цела, у той час як праектаваньне і стварэньне электронных схемаў для вырашэньня практычных задачаў падпадаюць пад вывучэньне электронікі. Гістарычна электроніка аддзялілася ад радыётэхнікі — першымі электрычнымі прыладамі былі радыёперадатчыкі і радыёпрыймальнікі ў часы Першай сусьветнай вайны. Электроніка разьвіваецца з дапамогай электратэхнікі, электрахіміі, інфарматыкі, тэлекамунікацыі і іншых сумежных навук. На сучасным этапе электроніка разьвіваецца ў разнастайных кірунках, з прычыны вялікай запатрабаванасьці ў сучасным жыцьці. Акрамя радыётэхнікі асноўнымі кірункамі зьяўляюцца так сама оптаэлектроніка, тэлекамунікацыя, лічбавая электроніка, мікраэлектроніка, лазэры. Свой высокі ўзровень разьвіцьця электроніка дасягнула дзякуючы дасягненьням у фізыцы (паўправаднікі, оптыка, магнэтызм), хіміі і матэматыцы.
Remove ads
Гісторыя
Распрацоўка Карлам Фэрдынандам Браўнам крышталёвага дэтэктара, першага паўправадніковага прыстасаваньня, у 1874 годзе і выяўленьне электрона ў 1897 годзе сэрам Джозэфам Джонам Томсанам, разам з наступным вынаходзтвам вакуўмнай лямпы, якая была здольная ўзмацняць і выпрастаць малыя электрычныя сыгналы, паклалі пачатак галіне электронікі і электроннай эры[1][2]. Стасаваньне пачалося з вынаходзтвам дыёда Амброўзам Флэмінгам і трыёда Лі дэ Форэстам у пачатку 1900-х гадоў, што зрабіла магчымым карыстаньне малых электрычных напружаньняў, як то радыёсыгналаў ад радыёантэнаў. Тэрмаэлектрычныя вакуўмныя лямпы дазволілі надзейна ўзмацняць сыгнал і выпрастаць ток, што зрабіла міжгароднюю тэлефонную сувязь, радыёвяшчаньне і раньняе тэлебачаньне магчымымі да 1920—1930-х гадоў[3].
Вакуўмныя лямпы былі першымі актыўнымі электроннымі кампанэнтамі, якія кантралявалі струмень току, уплываючы на струмень асобных электронаў, і дазволілі выбудаваць абсталяваньне, якое рабіла ўзмацненьне сыгналу і выпрастаньне току, каб даць нам радыё, тэлебачаньне, радары, міжгароднюю тэлефонную сувязь і многае іншае. Раньнія распрацоўкі ў сфэры электронікі былі імклівымі, і да 1920-х гадоў камэрцыйнае радыёвяшчаньне і тэлекамунікацыі атрымалі шырокі распаўсюд, а электронныя ўзмацняльнікі выкарыстоўваліся ў такіх разнастайных сфэрах, як то міжгародняя тэлефонная сувязь і індустрыя запісу музыкі[4].
Наступны буйны тэхналягічны крок адбыўся празь некалькі дзесяцігодзьдзяў, калі ў 1947 годзе Джон Бардын і Ўолтэр Гаўзэр Братэйн у лябараторыях Бэл вынайшлі першы працоўны транзыстар з пунктавым кантактам[5]. Пунктавакантактны транзыстар 1947 году даказаў, што паўправаднікі могуць замяніць многія функцыі лямпаў пры меншай магутнасьці і памерам[6]. Аднак электронныя лямпы працягвалі гуляць вядучую ролю ў галіне мікрахвалевай і магутнасьцевай перадачы, а таксама ў тэлевізійных прыймачах да сярэдзіны 1980-х гадоў[7]. З таго часу цьвёрдацельныя прылады амаль цалкам занялі месца былых прыстасаваньняў. Аднак, вакуўмныя лямпы дагэтуль стасуюцца ў некаторых адмысловых галінах, як то магутных радыёчастотныя ўзмацняльнікі, электронна-прамянёвыя трубкі, спэцыяльнае аўдыёабсталяваньне, гітарныя ўзмацняльнікі і некаторыя мікрахвалевыя прылады.
У красавіку 1955 году IBM 608 стаў першым прадуктам IBM, у якім выкарыстоўваліся транзыстарныя схемы без электронных лямпаў, і лічыцца першым цалкам транзыстарным калькулятарам, вырабленым дзеля камэрцыйнага рынку[8][9]. 608 утрымліваў больш за 3000 германавых транзыстараў. Томас Дж. Ўотсан-малодшы загадаў выкарыстоўваць транзыстары ў сваёй канструкцыі ва ўсіх будучых прадуктах IBM. З таго часу транзыстары амаль выключна выкарыстоўваліся ў кампутарных лягічных схемах і пэрыфэрыйных прыладаў. Аднак раньнія пераходныя транзыстары былі адносна грувасткімі прыладамі, якія было цяжка вырабляць у масавай вытворчасьці, што абмяжоўвала іхны шэраг спэцыялізаваных ужываньняў[10].
МАП-транзыстар быў вынайдзены ў лябараторыях Бэл паміж 1955 і 1960 гадамі[11][12][13][14][15][16]. Гэта быў першы сапраўды кампактны транзыстар, які можна было зрабіць малюсенькім і масава вырабляць для шырокага спэктру стасаваньня[10]. МАП-транзыстар стаў найбольш шырока карыстанай прыладай у схемах надвялікага роўня інтэграцыі (СНРІ), што дазволіла ствараць кампактныя схемы зь нізкім энэргаспажываньнем[17]. Перавагамі такога транзыстара ёсьць высокая маштабаванасьць[18], дасяжнасьць[19], нізкае спажываньне энэргіі і высокая шчыльнасьць[20]. Маштабаванасьць і кошт МАП-транзыстара зрабілі яго дамінуючым у сучаснай электроніцы[21]. Ён зрабіў рэвалюцыю ў электроннай прамысловасьці[22][23], стаўшы найбольш шырока выкарыстоўванай электроннай прыладай у сьвеце[24][25]. МАП-транзыстар ёсьць асноўным элемэнтам большасьці сучаснага электроннага абсталяваньня[26][27]. Аднак, зь цягам росту павышэньня складанасьці схемаў узьнікалі новыя праблемы[28]. Адной зь іх быў памер схемы. Складаная схема, як то кампутар, залежала ад хуткасьці. Калі кампанэнты былі вялікімі, электрапровады, якія злучалі іх, мелі былі быць доўгімі. Электрычныя сыгналы праходзілі праз схему марудліва, што запавольвала працу кампутара[28]. Вынаходзтва інтэгральнай схемы Джэкам Кілбі і Робэртам Нойсам разьвязала гэтую праблему, зрабіўшы ўсе кампанэнты і чып з аднаго блёку паўправадніковага матэрыялу. Схемы можна было зрабіць меншымі, а вытворчы працэс аўтаматызаваць. Гэта прывяло да ідэі інтэграцыі ўсіх кампанэнтаў на монакрышталічнай крэмніевай пласьціне, што прывяло да дробнамаштабнай інтэграцыі ў пачатку 1960-х гадоў, а затым да сярэднемаштабнай інтэграцыі ў канцы 1960-х гадоў, а затым да СНРІ. У 2008 годзе камэрцыйна даступнымі сталі працэсары зь мільярдам транзыстараў[29]. Інтэгральныя схемы месьцяць шмат кампанэнтаў на адным чыпе, скарачаючы міжзлучэньні і павялічваючы хуткасьць[21].
Remove ads
Элемэнтная база
Элемэнтная база электрычных схем улучае прылады для рэгістрацыі, апрацоўкі і выкарыстаньня электрычных сыгналаў. Сыгналы рэгіструюцца ператваральнікамі, датчыкамі, дэтэктарамі, якія пераўтвараюць энэргію любой прыроды, як то мэханічную, цеплавую, сьветлавую ў электрычны ток. Існуе шырокі спэктар электронных прыладаў, якія выконваюць ролю датчыкаў, прынцыпы якіх палягаюць на розных фізычных зьявах.
Апрацоўка электрычных сыгналаў выконваецца элемэнтамі электрычнага ланцуга зь нелінейнымі вольт-ампэрнымі характарыстыкамі. Нелінейнасьць характарыстык электронных элемэнтаў адрозьнівае іх ад электратэхнічных элемэнтаў, але такія электратэхнічныя элемэнты, як крыніцы сілкаваньня, рэзыстары, кандэнсатары, шпулі індуктыўнасьці, таксама выкарыстоўваюцца ў электронных схемах. Апрацаваны сыгнал можа быць апрацаваны ў зручнай для чалавека форме, напрыклад, на экране манітора або тэлевізара або ў выглядзе гукавых сыгналаў — маўленьня ці музыкі. Яго таксама можна запісаць на носьбіт інфармацыі для наступнага прайграваньня, або кіраваць сэрвапрывадамі ў сыстэмах аўтаматычнага кіраваньня і г. д.
Электравакуўмныя прылады
Вакуўмныя лямпы гістарычна былі першай клясай электронных элемэнтаў зь нелінейнымі вольт-ампэрнымі характарыстыкамі, якія набылі шырокі распаўсюд. Нараджэньнем электронікі можна лічыць 1903—1904 гады, калі былі вынайдзеныя першыя дыёды і трыёды. У электронных лямпах электроны рухаюцца толькі ад катода да анода, што забясьпечвае аднакіраваны электрычны ток. Найпрасьцейшая вакуўмная лямпа можа быць выкарыстаная дзеля выпрастаньня току, а нелінейнасьць характарыстык трыёда дазваляе выкарыстоўваць яго ва ўзмацняльніках і генэратарах.
Іншыя вакуўмныя прылады, як то электронна-прамянёвыя трубкі, выкарыстоўваюцца дзеля вываду інфармацыі на дысплэях, экранах тэлевізараў ды іншых прыладах. Электронныя мікраскопы пабудаваныя на тых жа прынцыпах. Большасьць прыладаў гэтага тыпу працуюць ва ўмовах шчыльнага вакуўму, але ў некаторых, напрыклад, газавых трубках або іянізацыйных камэрах, рабочы аб’ём запоўнены газам. Вакуўмныя лямпы, якія шырока выкарыстоўваліся ў першай палове XX стагодзьдзя, паступова пачалі саступаць месца цьвёрдацельным прыладам і на пачатку XXI стагодзьдзя захоўваюць толькі пэўныя нішы. Электравакуўмныя лямпы былі замененыя на транзыстары і мікрасхемы, то бок дысплэі ўсё часьцей робяцца вадкакрышталічнымі, а тэлевізары будуюцца плязьменнымі, сьвятлодыёднымі ды іншымі.
Цьвёрдацельныя прылады
У цьвёрдацельных электронных прыладах перадусім выкарыстоўваюцца ўласьцівасьці паўправаднікоў, праводнасьць якіх вельмі адчувальная да дамешкаў, тэмпэратуры, асьвятленьня ды іншых фактараў[30]. На кантактах легіраванага паўправадніка з мэталам або дзьвюма па-рознаму легіраванымі абласьцямі паўправадніка ўтвараюцца вобласьці прасторавага зараду — кантакт Шоткі, p-n пераход, якія маюць нелінейныя вольт-ампэрныя характарыстыкі, кшталту адмоўнай дыфэрэнцыйнай праводнасьці. Гэтыя зьявы дазволілі распрацаваць паўправадніковыя элемэнты — дыёды, транзыстары, якія паступова пасунулі вакуўмныя прылады з большасьці сфэраў ужываньня.
Разьвіцьцё паўправадніковай тэхнікі дазволіла аб’яднаць розныя элемэнты электрычнага ланцуга, як то транзыстары, дыёды, рэзыстары і кандэнсатары на адной падкладцы, што прывяло да стварэньня інтэгральных схемаў або мікрасхемаў. Паўправадніковая электроніка стала мікраэлектронікай. Сучасныя інтэгральныя схемы аб’ядноўваюць сотні мільёнаў транзыстараў у адной прыладзе.
Remove ads
Электронныя схемы
У электронных схемах кампанэнты аб’яднаныя ў электрычныя схемы такім чынам, каб забясьпечыць выкананьне іхных функцыі ў электронных прыладах. Электронныя схемы падзяляюцца на дзьве клясы, як то аналягавыя і лічбавыя. Лічбавыя электронныя схемы паступова выціскаюць аналягавыя нават у галінах традыцыйнага прыкладаньня, напрыклад, у тэлебачаньні. Лічбавы або дыскрэтны сыгнал здабываецца шляхам квантаваньня аналягавага сыгнала. Перадача і захоўваньне сыгналу ў лічбавай форме больш надзейныя, не зважаючы на частковае скажэньне сыгналу падчас дыскрэтызацыі.
Аналягавая электроніка
Аналягавыя схемы выкарыстоўваюць бесьперапынны дыяпазон напругі або току дзеля апрацоўкі сыгналаў, у адрозьненьне ад дыскрэтных, якія выкарыстоўваюцца ў лічбавых схемах. Аналягавыя схемы былі распаўсюджаныя ва ўсіх электронных прыладах у раньнія гады зьяўленьня і існаваньня такіх прыладаў, як то ў радыёпрыймачах і перадатчыках. Аналягавыя электронныя вылічальныя машыны былі каштоўнымі ў справе выкананьня задачаў зь бесьперапыннымі зьменнымі, пакуль не зьявілася лічбавая апрацоўка.
Зь цягам разьвіцьця паўправадніковых тэхналёгіяў многія функцыі аналягавых схемаў былі перанятыя лічбавымі схемамі, а сучасныя цалкам аналягавыя схемы сустракаюцца ўжо радзей. Іхныя функцыі замяняюцца гібрыдным падыходам, які, напрыклад, выкарыстоўвае аналягавыя схемы на пярэднім канцы схемы прылады, якая атрымлівае аналягавы сыгнал, а затым выкарыстоўвае лічбавую апрацоўку з выкарыстаньнем мікрапрацэсарных тэхналёгіяў. Часам можа быць цяжка клясыфікаваць некаторыя схемы, якія маюць элемэнты як лінейнай, гэтак і нелінейнай працы. Прыкладам можа служыць кампаратар напругі, які атрымлівае на ўваходзе бесьперапынны дыяпазон напругі, але выдае толькі адзін з двух узроўняў, як у лічбавай схеме. Падобным чынам, перагружаны транзыстарны ўзмацняльнік можа набываць характарыстыкі кіраванага пераключальніка, маючы паводле сутнасьці два ўзроўні выхаднога сыгналу.
Аналягавыя схемы дагэтуль шырока выкарыстоўваюцца дзеля ўзмацненьня сыгналаў, напрыклад, у індустрыі забаваў, і для апрацоўкі сыгналаў ад аналягавых датчыкаў, напрыклад, у прамысловых вымярэньнях і кіраваньні вытворчымі працэсамі.
Лічбавая электроніка
Лічбавыя схемы ўважаюцца за электрычныя схемы, якія працуюць на дыскрэтных узроўнях напругі. Лічбавыя схемы выкарыстоўваюць булеву альгебру і ёсьць грунтам працы ўсіх лічбавых кампутараў і мікрапрацэсарных прыладаў. Яны ўяўляюць сабою як простыя лягічныя элемэнты, гэтак і вялікія інтэгральныя схемы, якія выкарыстоўваюць мільёны такіх элемэнтаў.
Лічбавыя схемы выкарыстоўваюць двайковую сыстэму з двума ўзроўнямі напругі, пазначанымі як «0» і «1», дзеля пазначэньня лягічнага стану. Часта лягічны нуль зададзены роўным ніжэйшым паказьнікам напругі, то бок «нізкім» узроўнем, а лягічная адзінка — «высокім». Аднак некаторыя сыстэмы выкарыстоўваюць адваротнае вызначэньне, дзе лягічны нуль вызначаецца «высокім» узроўнем напругі, або базуюцца на паказьніку току. Даволі часта распрацоўнікі могуць зьмяніць гэтыя вызначэньні для розных схемаў, калі будуць уважаць гэта патрэбным дзеля палягчэньня праектаваньня. Вызначэнне ўзроўняў як «0» або «1» фактычна ёсьць адвольным[31].
Таксама была высунатая патройная (з трыма станамі) лёгіка, маючы адпаведныя прататыпы кампутараў, але яны не атрымалі значнага практычнага прызнаньня[32]. Унівэрсальна кампутары і лічбавыя сыгнальныя працэсары будуюцца зь лічбавымі схемамі, якія выкарыстоўваюць транзыстары, як то МАП-транзыстары, у электронных лягічных элемэнтах для генэрацыі двайковых станаў.
Remove ads
Крыніцы
Вонкавыя спасылкі
Wikiwand - on
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Remove ads