§ 26. Электроника

Электроника (от греч. Ηλεκτρόνιο – электрон) – наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств для преобразования электромагнитной энергии, в основном для приёма, передачи, обработки и хранения информации.

Электроника охватывает обширный раздел науки и техники, связанный с изучением и использованием различных физических явлений, а также разработкой и применением устройств, основанных на протекании электрического тока в вакууме, газе и твердом теле при воздействии электрических или магнитных полей.

Рис. Различные электронные компоненты

История

Возникновению электроники предшествовало изобретение радио. Поскольку радиопередатчики сразу же нашли применение (в первую очередь на кораблях и в военном деле), для них потребовалась элементная база, созданием и изучением которой и занялась электроника. Элементная база первого поколения была основана на электронных лампах. Соответственно получила развитие вакуумная электроника. Её развитию способствовало также изобретение телевидения 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.

В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития электроники:

Первое поколение (1904 – 1950гг.) характеризуется тем, что основу элементной базы электронных устройств составляли электровакуумные и газоразрядные приборы. К ним относятся электронные лампы, электронно-вакуумные трубки, газоразрядные индикаторы и др.

Второе поколение (1950 – начало 60-х гг.) характеризуется применением дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и т.д.)

Третье поколение (1960 – 1980гг.) связано с бурным развитием микроэлектроники и с созданием интегральных схем различной степени интеграции, а также микросборок. На этом этапе электронные устройства характеризуются резким увеличением надежности, уменьшением габаритов, массы, энергопотребления.

Четвертое поколение (с 1980 гг. по настоящее время) характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств с использованием больших и сверхбольших интегральных схем.

Классификация электроники

Электронные устройства (ЭУ) по способу формирования и передачи сигналов управления подразделяются на два класса: аналоговые и дискретные.

Аналоговые электронные устройства предназначены для приема, преобразования и передачи сигналов, которые изменяются по закону непрерывной (аналоговой) функции. Аналоговые ЭУ отличаются простотой, быстродействием, однако имеют низкую помехоустойчивость и нестабильность параметров при воздействии внешних дестабилизирующих факторов, например температуры, влажности, времени и т.д. К аналоговым электронным устройствам относятся: электронные усилители, операционные усилители, коммутаторы, компараторы, стабилизаторы напряжения и т.д.

Дискретные электронные устройства предназначены для приема, преобразования и передачи электрических сигналов, представленных в дискретной форме. Такие устройства отличаются высокой помехоустойчивостью, небольшой потребляемой мощностью и стоимостью.

В свою очередь дискретные электронные устройства подразделяются на импульсные и цифровые. Импульсные электронные устройства формируют импульсную последовательность сигналов. Процесс преобразования аналоговой информации в последовательность импульсов носит название импульсной модуляции. На практике широко используется амплитудная, широтно-импульсная и фазоимпульсная модуляция. К импульсным электронным устройствам относятся: мультивибраторы, одновибраторы, триггеры, блокинг-генераторы, функциональные преобразователи, генераторы пилообразного напряжения, таймеры и т.д.

В цифровых электронных устройствах происходит кодирование сигнала, т.е. преобразование его в определенную последовательность однотипных импульсов. Цифровые электронные устройства в настоящее время получили очень широкое распространение благодаря высокой надежности, высокой помехоустойчивости, возможности длительного хранения информации без ее потери; энергетической совместимости и интегральной технологичности элементной базы. К цифровым электронным устройствам относятся: логические элементы, триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры и т.д.

В ряде электронных устройств имеет место аналоговая и цифровая информация. Такие устройства относятся к комбинированным электронным устройствам. К комбинированным электронным устройствам относятся: аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи.

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,
• звуко-видео-техника – 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.

Электронное устройство может включать в себя самые разные материалы и среды, где происходит обработка электрического сигнала с использованием разных физических процессов. Но в любом устройстве обязательно имеется электрическая цепь.

       Изучению различных аспектов электроники посвящены многие научные дисциплины технических вузов.