Электроника. Характеристики сигналов и элементов электроники

~ ЛЕКЦИЯ 1 ~

Электроника – область науки и техники, охватывающая вопросы изучения и применения электронных и ионных явлений, протекающих в вакууме, газах, жидкостях, твердых телах и в плазме, а также на их границах.

Электроника состоит из двух основных разделов:

- физической электроники, предметом изучения которой являются теоретические и экспериментальные исследования электронных и ионных приборов, устройств, установок, принципы получения, передачи и преобразования электрической энергии и т.д.;

- технической (прикладной) электроники, предметом изучения которой является теория и практика применения электронных и ионных приборов, устройств и систем в науке, технике, промышленности.

Промышленная электроника – раздел технической электроники, охватывающий разработку и применение в промышленности электровакуумных, газоразрядных и полупроводниковых приборов и устройств. В промышленной электронике приняты следующие классы устройств и систем:

- информационные устройства и системы, предназначенные для сбора, передачи, хранения и переработки информации с целью управления с производственными процессами и установками;

- энергетические устройства и системы, используемые для получения, преобразования и передачи электрической энергии;

- технологические устройства и системы, применяемые для непосредственного воздействия на вещество потоками электронов, ионов, нейтронов, фотонов или электромагнитных полей;

- микроэлектроника– новое научно-техническое направление, которое на основе комплекса схемотехнологических и других приемов решает задачу разработки высоконадежных и экономичных систем и устройств.

Основными направлениями промышленной электроники являются:

- разработка преобразовательных устройств в энергетической электронике для преобразования тока;

- создание новых технологических процессов на основе использования электронных устройств, например, лазерной техники;

- разработка методов и устройств для контроля различных технологических параметров;

- использование ЭВМ для выполнения математических и логических операций;

- управление сложными объектами, а также создание с использованием электронных устройств АСУ ТП и АСУ П.

Применение электронных устройств обеспечивает повышение производительности труда, а в ряде случаев позволяет решать технические задачи, которые не разрешимы другими средствами.

Это можно объяснить следующими особенностями электронных устройств: высокой скоростью реакции электронных устройств на возмущающие воздействия, чувствительностью к малым сигналам, универсальностью, малыми габаритами и весом.

В последние годы определились следующие основные области применения электронных устройств в промышленности:

- устройства для измерения различных физических величин, в том числе и в ходе технологического процесса;

- устройства для исследования материалов без их разрушения;

- устройства для регулирования и автоматического управления технологическими процессами или промышленными установками;

- промышленные телевизионные установки, используемые для контроля и наблюдения за ходом технологического процесса;

- технологические электронные устройства, применяемые в некоторых технологических процессах для нагрева заготовок токами высокой частоты, очистки поверхности деталей и т.д.

Классификация приборов и устройств

Электронные элементы, применяемые в промышленной электронике, подразделяют на активные и пассивные.

Активными элементами называют такие, которые производят преобразование энергии. К ним относят диоды, тиристоры, транзисторы и интегральные микросхемы.

Пассивными элементами называют элементы, в которых не происходит преобразование энергии и которые используются для улучшения параметров и характеристик электронных устройств.

Характеристики сигналов и элементов электроники

Сигнал– это физический носитель сообщения (информации) о каких-либо событиях, состояниях объекта, командах управления и т.д.

Можно сказать, что сигнал имеет две стороны: содержание и форму, т.е. определённый характер изменения своих параметров в соответствии с информацией, которая подлежит передаче или хранению.

В рассматриваемых электронных цепях носителями информации будут электрические колебания. Процесс изменения параметров электрических колебаний принято называть модуляцией. Различают амплитудную модуляцию сигнала (АМ), частотную (ЧМ), фазовую (ФМ) и амплитудно-фазовую модуляцию сигнала (АФМ).

Обратное преобразование – отделение сигнала от его переносчика называют демодуляцией или детектированием.

Сигналы описывают следующими основными параметрами:

- динамическим диапазоном;

- мощностью сигнала;

- отношением сигнал-помеха;

- временем установления, т.е. временем, в течение которого сигнал достигает установившегося значения;

- спектральными характеристиками сигнала и т.д.

Полупроводниковые приборы

Полупроводниковыми называют кристаллические или аморфные вещества, объёмное сопротивление которых при комнатной температуре колеблется в пределах от 10^-4 до 10⁴ Ом×см.

Для сравнения: объёмное сопротивление металлов – 10^-6 ¸ 10^-4 Ом×см; диэлектриков – 10⁵ ¸ 10²² Ом×см.

Важнейшим признаком полупроводников является зависимость их электрических свойств от внешних условий: температуры, освещённости, давления, внешних полей и радиации. Большинство полупроводников имеют кристаллическую структуру.

Наиболее широкое распространение в полупроводниковой технике получили германий, кремний, селен, а также полупроводниковые соединения типа арсенид галлия, карбид кремния, сульфид кадмия и др. Объяснить свойства полупроводников можно, основываясь на электронной теории твёрдого тела.

Химические и физические свойства вещества определяют валентные электроны, которые находятся в последнем внешнем слое.