Марченко А. Л.
Основы электроники
Издательство ДМК Пресс, Москва, 2008 год, 296 страниц.
Содержание
Введение
- Полупроводниковые приборы.
- Источники вторичного электропитания.
- Электронные усилители.
- Импульсные устройства. Автогенераторы.
- Логические основы цифровых устройств.
- Функциональные узлы цифровых устройств.
- Микропроцессорные устройства.
- Структура и свойства среды моделирования схем электронных устройств NI Multisim 10.
- Моделирование схем аналоговых электронных устройств.
- Моделирование схем цифровых и аналого-цифровых устройств.
Заключение
Аннотация
Современная электроника стала одним из важнейших направлений научно-технического прогресса в мире. Создание больших и сверхбольших интегральных микросхем, микропроцессоров и микропроцессорных систем позволило организовать массовое производство электронных вычислительных машин и компьютеров высокого быстродействия, различных видов электронной аппаратуры, систем и устройств управления технологическими процессами, систем связи, экспертных, контролирующих и других систем.
Электроника — это отрасль науки и техники, связанная с исследованиями, разработкой, изготовлением и применением электронных, ионных и полупроводниковых устройств.
В истории развития электроники можно выделить четыре основных этапа: электронных ламп (с 1904 г.), транзисторов (с 1947 г.), интегральных схем (с 1958 г.), функциональных устройств с использованием объемных эффектов (с 1980 г.), и четыре главные области применения: электросвязь, радиоэлектронная аппаратура широкого применения, вычислительная техника и промышленная электроника.
Электросвязь охватывает следующие направления техники: радиосвязь, радиовещание, телевидение, звуковое вещание, автоматическую электросвязь, многоканальную электросвязь, радиорелейную, космическую, волоконно-оптическую и сотовую связи. В сфере телекоммуникаций прогнозируется, что в ближайшем будущем 80% систем связи перейдут на цифровые стандарты, произойдёт существенный скачок в развитии микросотовой персональной телефонии, на которую будет приходиться до 15% мирового рынка мобильной связи. Это обеспечит повсеместную возможность приёма и передачи информации любых форматов и объёмов.
К радиоэлектронной аппаратуре относят: радиоприемники, телевизоры, магнитофоны, радиолы, магнитолы, музыкальные центры, устройства бытовой автоматики, электронные часы, электронные игрушки и др.
Вычислительная техника связана с разработкой и применением электронно-вычислительных машин, автоматизированных систем управления, систем автоматизированного проектирования, автоматизированных информационных, обучающих и контролирующих систем, гибких автоматизированных производств и др. Специалисты прогнозируют, что в ближайшие годы ожидается создание и широкое распространение карманных компьютеров, рост использования суперЭВМ с параллельной обработкой информации.
Промышленная электроника включает электротехническое и энергетическое оборудование, устройства электропитания, станки с числовым программным управлением, аппаратуру автоматики, телеуправления, телеметрии, радиолокации и радионавигации, измерительную аппаратуру, лазерную технику, ядерную электронику, медицинскую аппаратуру, биологическую электронику и др.
В литературе представлены многие направления развития электроники, в которых в качестве классификационных признаков выступают: специфика технологии производства, особенности использования электронных устройств, технические решения и характеристики электронных приборов и узлов и др. Среди современных направлений электроники, излагаемых в учебных дисциплинах, назовем микроэлектронику, информационную и функциональную (в том числе молекулярную) электроники.
Микроэлектроника продолжает развиваться быстрыми темпами как в направлении совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в направлении использования новых физических явлений.
В интегральной микроэлектронике используется принцип дискретной электроники, основанный на разработке электронной схемы по законам теории цепей. Этот принцип связан с ростом числа элементов микросхемы и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых ею функций. Однако повышение степени интеграции микросхем и связанное с этим уменьшение размеров элементов (уже достигнут топологический уровень 90-45 нм) имеет определенные пределы. К тому же интеграция свыше сотен тысяч элементов на одном кристалле оказывается технологически трудно выполнимой и не всегда экономически целесообразной.
Функциональная микроэлектроника предполагает принципиально другой подход: получение специальных сред с наперед заданными свойствами, основываясь непосредственно на физических явлениях в таких материалах, как сверхпроводники, сегнетоэлектрики, материалы с фотопроводящими свойствами, аморфные материалы, органические полупроводники и др. Для обработки информации используют оптические и магнитные явления в диэлектриках, закономерности распространения ультразвука, эффект накопления и переноса зарядов в приборах с зарядной связью, явления, основанные на квантовых когерентных свойствах — эффект Джозефсона и др.
Реализация элементов на указанных свойствах позволяет получить приборы со сложным схемотехническим или системотехническим функциональным назначением.
В функциональной микроэлектронике успешно используют явления, связанные с изменением структуры тел на молекулярном уровне. Эти явления привели к возникновению нового направления — молекулярной электроники и биоэлектроники, в которых электронные элементы и устройства организованы на уровне отдельных молекул и их комплексов. К этому направлению относят также фазовые переходы в твердых телах и жидких кристаллах, приводящие к резким изменениям электрических, магнитных и оптических свойств и высокой чувствительности к внешним воздействиям, что позволяет легко осуществлять ряд операций по управлению и преобразованию потоков информации в различных функциональных устройствах.
В настоящее время ведутся большие исследования в различных направлениях биоэлектроники, результаты которых показывают, что использование явлений живой природы может привести к новой научно-технической революции в этой области техники. К 2020 году прогнозируется начало выпуска биокомпьютеров, встраиваемых в живые организмы.
Современное структурное и схемное проектирование основано на использовании мощных силовых элементов, аналоговых и цифровых микросхем, номенклатура которых чрезвычайно разнообразна. Однако в любом устройстве можно выделить основные электронные приборы, на которых они построены. Среди них выделим:
— электронные электровакуумные приборы (электронные лампы, электронно-лучевые трубки: осциллографические кинескопы, дисплеи и др.);
— ионные электровакуумные или газоразрядные приборы, принцип действия которых основан на взаимодействии электронов с ионной плазмой (тиратроны, игнитроны, ионные разрядники, газоразрядные стабилитроны);
— полупроводниковые приборы, у которых движение зарядов происходит в твёрдом теле полупроводников.
Основными классами полупроводниковых приборов являются:
— диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры, фотоэлектронные и оптоэлектронные приборы;
-приборы, выполненные в виде интегральных микросхем разной степени интеграции и представляющие собой совокупность нескольких взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на полупроводниковых или диэлектрических подложках.
В зависимости от физической природы сигналов на входах и выходах различают четыре вида приборов — преобразователей сигналов:
— электропреобразовательные приборы, у которых электрические сигналы на входах и выходах;
— электросветовые приборы, у которых под воздействием входных электрических сигналов на выходах формируются световые сигналы;
— фотоэлектрические приборы, преобразующие входные световые сигналы в электрические;
— термоэлектрические приборы, у которых тепловые сигналы на входах и электрические на выходах.
В зависимости от формы сигналов, обращающихся в устройствах, различают аналоговые, импульсные, цифровые устройства и их комбинации.
Основными типами аналоговых устройств являются: автогенераторы гармонических колебаний и релаксационные генераторы, микрофоны, умножители (делители) и преобразователи частоты, модуляторы, демодуляторы (модемы), детекторы, усилители, в том числе операционные.
К импульсным устройствам относят функциональные узлы, предназначенные для формирования импульсных сигналов, изменения их параметров и выполнения над сигналами таких операций преобразования, как интегрирование, дифференцирование, задержки по времени, изменение формы, длительности и др. Функциональные узлы, предназначенные для выполнения различных операций над объектами информации в виде цифровых сигналов, относят к цифровым устройствам.