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电子学

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表面贴片的电子组件
表面贴片的电子组件

电子学(英语:electronics)是物理学的一门分支学科,专门研究电子电子设备电子电路等课题,利用包括“有源器件”(例如真空管二极管三极管集成电路)和与之相关的“无源器件”等电子组件,来构成电路的互连技术。

有源器件的非线性特性和控制电子流动的能力,能够放大微弱信号,使得电子学广泛应用于信息处理通信信号处理电子器件的开关特性,使处理数字信号成为可能。电路板、电子封装等互连技术和其他各种形式的通信基础组件,完善了电路功能并使连接在一起的组件成为一个正常工作的系统。

电子学有别于电机(electrical)和机电(electro-mechanical)科学与技术,电气和电机科学与技术是处理电能的产生、分布、开关、储存和转换,通过电线、电动机、发电机、电池、开关、中继器、变压器、电阻和其他无源器件从其他形式的能量转换为电能。

1897年,约瑟夫·汤姆森发现电子的存在,这是电子学的起源。早期的电子学使用真空管来控制电子的流动,但其存在成本高及体积大等缺点[1]。现如今,大多数电子设备都使用半导体器件来控制电子。真空管至今仍有一些特殊应用,例如高功率射频放大器英语Valve RF amplifier阴极射线管、专业音频设备和多腔磁控管微波设备。

半导体器件的研究和相关技术是固体物理学的一个分支,但是设计和搭建电子电路来解决实际问题却是电子工程的范围。本文专注于电子学的工程方面。

历史

真空管及三极管时期

常用的6922双三极真空管
常用的6922双三极真空管

电子学和其他学科的区别开始于1906年,以真空管三极管的发明为标志。三极管通过非机械设备,可以放大弱无线电信号和音频信号。真空管是最早的电子组件之一。它在1980年代中期以前占主导地位[2]

真空管的原理是爱迪生在1883年发现的爱迪生效应,爱迪生当时为了避免灯泡中的碳丝黑化,在灯泡中加入一片金属薄片,当金属薄片带正电时,爱迪生发现在灯丝和金属薄片之间出现电流,其原因是因为灯丝中的电子因受热而脱离原子(热发射)受金属薄片的正电吸引而穿过灯丝和金属薄片之间的空间。

三极管李·德富雷斯特在1906年发明的[3],其原理类似真空管,但在阴极和金属板之间加上了控制用的网格,其目的是要控制阴极上的电子及金属板上的电流。第一个声音扩大器就是应用到此项技术,早期的收音机及电视也是用类似技术。李·德富雷斯特被誉为是电子学之父,因为发明三极管之前,人们只能将交流电转换为直流电,但在发明三极管后,就可以放大像是声音、无线电、电视等各式各様的信号,因此带来这些产品大幅的兴起,在1930年代发明了“电子学”一词,来表示这些新兴的技术设备。

随着时代的演进,真空管也逐渐的进步,像是四极管五极管等组件也出现了,也有一些可以配合高功率应用的真空管设备。同时真空管的体积也在缩小。到1950年,这一领域被称为“无线电技术”,因为它的主要应用是无线电的发送、接收和真空管的设计与原理。

晶体管及集成电路时期

几个不同大小的晶体管
几个不同大小的晶体管

晶体管是1948年约翰·巴丁沃尔特·布喇顿贝尔电话公司实验研究所发明的[4]双极性晶体管也在一年后发明,现在的电子设备多半是利用双极性晶体管(或是以此为基础的集成电路)组件制成。相较于真空管,晶体管有体积较小,较坚固,能量密度高,需要的电压较低等优点。晶体管不需在真空中运作,是用固态的半导体制成,因此不需要数百伏的电压才能工作,因此晶体管取代了真空管的应用。

晶体管有三个端子(基极、集电极及发射极),类似一个真空三极管,基极类似三极管中的控制网,发射极类似阴极,集电极类似金属板。经过适当安排三极的极性,可以用微小的基极电流去控制较大的集电极电流。

在1958年出现了第一个集成电路,将6个晶体管放在同一个封装内。1960年代末期仙童半导体推出了μA709,是第一个被广泛使用的集成电路运算放大器。1970年英特尔(Intel)开发了第一个微处理器4004。电子学的发展相当快,后来已区分为几个不同的领域,其中最主要的分界是模拟电路及数字电路。集成电路在民生的广泛应用,间接加速了电脑的演进[5],使得人类的科技发展一日千里。电子学在20世纪的发展堪称第二次的石器革命。电子学也成为工程领域中最有发展潜力的领域之一。

电子设备及零件

各种电子组件
各种电子组件

电子零件是指一电子系统中使用的零件,而此零件可以依电子系统所要的方式,影响电子或其相关电场或磁场。电子零件一般会设计的可以互相连接,多半是用软钎焊的方式固定在印刷电路板(PCB)上,最后形成一特定功能的电路(例如放大器无线电接收机振荡器)。电子零件可以是分立型的零件,有其个别的封装,也有像集成电路一様较复杂的零件。常见的电子零件包括电容器电感器电阻器二极管晶体管等。电子零件一般会分类为有源组件(像晶体管或晶闸管)及被动组件(像电容器电阻器电感组件)等[6]

电路种类

电路大致可以分为模拟电路数字电路二类。前者的电压电流信号都是涉及连续函数形式的模拟信号,而数字电路的信号是离散式的数字信号多半是以0和1来表示[7]。不过也有许多电路同时包括模拟电路及数字电路。

模拟电路

低通滤波器是一种模拟电路
低通滤波器是一种模拟电路

模拟电路中的电压或电流是连续函数形式的模拟信号。可以分为线性电路英语Linear circuit和非线性电路。

模拟电路中,像电阻器电容器电感组件变压器的电流和电压信号呈线性的关系,这类的组件称为线性组件,只由线性组件组成的电路为线性电路英语Linear circuit。线性电路在分析上比较容易。

电流和电压信号不呈线性的组件称为非线性组件,像混频器、调制器、真空管晶体管放大器、运算放大器振荡器等,若电路有非线性组件,在分析上比较困难,若电压、电流是在一定数值(称为工作点)附近,可以用小信号模型的方式,将非线性组件用线性组件来模拟,以简化分析和计算。

模拟电路的组件也可以分为有源组件被动组件,有源组件属于非线性组件,像晶体管真空管运算放大器等。许多模拟电路的特性都是靠有源组件的特性的产生。

现在的设备中很少有纯模拟的电路,许多模拟电路会配合数字甚至是微处理器的技术以提升其性能。这类电路也可以归类为“混合信号”的电路。

有些电路很难区分是模拟电路或数字电路,像比较器的输入是模拟信号,但其输出只有二种准位,为数字信号。

数字电路

全加器是一种数字电路
全加器是一种数字电路

数字电路中的电压会有几个不同的电压准位,数字电路常用来实现布尔代数,也是所有数字电脑的基础。对工程师而言,在讨论数字电路时,“数字电路”、“数字系统”或“逻辑”往往是可互相替代。

大部分的数字电路都是二进制的系统,有二个可以用0和1表示的电压准位,一般0是较低的电压,可以用L表示,1是较高的电压,可以用H表示,不过也有定义相反的(0用H表示)、增加一个高阻态三态逻辑)、或是以电流大小为准的系统。也有系统使用三进制,如三进制电脑,但还没有实际的产品应用。

电脑、电子石英钟、用在工业控制的可编程逻辑控制器数字信号处理器都是用数字电路所组合而成。

数字电路中常见的模块包括:

以下是一些高度集成的模块:

散热和热管理

主板上的散热片和CPU上散热片加风扇组成的散热模块
主板上的散热片和CPU上散热片加风扇组成的散热模块

电路在运作时会发,需利用设备进行散热,否则会降低可靠度,甚至造成电路的损坏[8]。散热技术是利用热传导对流热辐射的方式散热,散热技术中最常见的是用散热片风扇,利用空气来冷却[9],有些设备的发热量大,需要用水冷方式散热。

噪声

噪声定义为是在有用信号上的不想要的干扰,可能影响信号内容的发送[10]。噪声和电路造成的信号扭曲不完全相同。任何电路都会造成噪声,噪声可能是因为电场或磁场而产生,也可能是因为热而产生(热噪声英语Thermal Noise)。这些噪声可能可以透过调整电路位置或环境(如降低温度)来改善。而像是散粒噪声之类的噪声,是因为物理性质的限制而所产生,这类的噪声不易透过调整电路或环境来改善。

电子学理论

在电子学的研究中,数学方法是不可少的。若要熟悉电子学,也就需要熟悉和电路分析有关的数学,以及电磁学的理论。

电路分析是将电路转换为许多未知数组成的系统,电路中的物理量(如某节点的电压或某路径的电流)变成系统中的未知数,再研究如何求解系统。系统可能是线性的,也可能是非线性的。SPICE电路仿真器是电路分析常用的分析工具。

电子学实验

在电子学的学习过程中,实验是很重要的一环。实验可以证明和核实许多相关定理及定律,例如欧姆定律克希荷夫电路定律等。以往电子学的实验需要实际的电子设备及零件,但近年来已经有许多电子电路模拟的软件可以取代实际的实验,这类的软件包括了CircuitLogix英语CircuitLogixMultisimPSpice等。

电脑辅助设计(CAD)

现代的电子工程师可以使用预先定义好的模块来进行电路设计,这些模块包括电源、半导体组件(如晶体管)及集成电路等。电子设计自动化软件包括电路图制作软件及印刷电路板设计软件。常见的电子设计自动化软件包括NI Multisim、Cadence(OrCAD)、PadsAltium designer(Protel)等。

零件连接方法

随着时代的不同,连接电子零件的技术也随之改变。点对点式连接英语Point-to-point construction零件是最早期使用的连接方式。后来也有使用“积木型连接”(Cordwood construction)及绕线板英语wire wrap来连接零件。现代的电路多半会使用印刷电路板,材质可能是FR-4英语FR-4或是较便宜但较不耐磨的合成树脂纸FR-2英语FR-2[11]

近年来开始重视电子零件对人体健康及环境的影响,尤其是销售到欧盟的电子产品更是如此。欧盟的危害性物质限制指令(RoHS)是限制电子产品的材料及工艺标准,已于2006年7月生效[12],像传统焊锡中含有的就是危害性物质限制指令禁用的物质。废电子电机设备指令(WEEE)则是制订废弃电子电机设备收集、回收、再生的目标。WEEE的第二版在2012年8月开始实施[13]

学科体系

相关

参考资料

  1. ^ 相關補充資料-資訊處理的工具和計算機的發展. Chwa.com.tw. [2014-03-22]. (原始内容存档于2016-03-04). 
  2. ^ Jack Kilby. 德州仪器. [2014-03-21]. (原始内容存档于2014-03-22). 
  3. ^ 电子管之父李·德富雷斯特. Tech.ifeng.com. [2014-04-09]. (原始内容存档于2014-04-13). 
  4. ^ 用電晶體引爆技術革命的肖克利等人. Newsancai.com. 2013-06-11 [2014-04-09]. (原始内容存档于2014-04-13). 
  5. ^ 電腦的發展簡史. 国立曾文高级农工职业学校. [2014-03-21]. (原始内容存档于2015-03-10). 
  6. ^ 電子電路相關的FAQ. 清学大学信息工程学系. [2014-03-21]. (原始内容存档于2012-12-21). 
  7. ^ 基本電學介紹. 东吴大学信息管理系. [2014-03-21]. (原始内容存档于2014-04-21). 
  8. ^ 熱影像儀應用 : 電路研發. Infinet.com.tw. [2014-03-21]. (原始内容存档于2014-03-22). 
  9. ^ Alphonse J. Sistino. Essentials of Electronic Circuitry: Analysis and Design. CRC Press. 5 March 1996: 432– [2014-03-22]. ISBN 978-0-8247-9693-8. (原始内容存档于2014-07-01). 
  10. ^ IEEE Dictionary of Electrical and Electronics Terms ISBN 978-0-471-42806-0
  11. ^ FR-4材料与FR-1及FR-2材料对比. Jiagongjueyuanban.com. 2013-08-02 [2014-03-21]. (原始内容存档于2014-03-22). 
  12. ^ ROHS认证介绍. 广洲优测认证机电技术有限公司. [2013-05-07]. (原始内容存档于2013-08-07). 
  13. ^ 歐盟新版WEEE指令(2012/19/EU)正式發佈. 能迈科技股份有限公司. [2013-05-07]. (原始内容存档于2012-09-21). 

深度阅读

内部链接

外部链接

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