Студентам ФОЭ / Усольцев В.К. ФОЭ конспект лекций / ВВЕДЕНИЕ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Дальневосточный федеральный университет

Инженерная школа

Усольцев В.К.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

(Конспект лекций для студентов специальностей 140400, 140600)

Владивосток

2013

ВВЕДЕНИЕ

Электроника – область науки, техники и производства, охва­тывающая исследование и разработку электронных средств (ЭС) и принципов их использования. При этом аналоговая электроника охватывает только те электронные средства, которые предназна­чены для преобразования и обработки информации, изменяющейся по закону непрерывной функции, а цифровая электроника – сред­ства для преобразования и обработки информации, изменяющейся по закону дискретной функции

Промышленное развитие электроники можно подразделить на два направления:

Энергетическое (силовое) направление, связанное с преобра­зованием; переменного и постоянного токов для нужд электроэнер­гетики, электротяги, металургии и пр.,

Информационное направление, к ко­торому относятся электронные средства, обеспечивающие измере­ния, контроль и управление различными процессами, включая производство и научные исследования во многих инженерных и неинженерных отраслях (биология, медицина и т. п.).

Курс посвящен в основ­ном информационной электронике. Этот курс, рассматривая принципы функционирования, способы расчета и методы анализа соответствующих электронных устройств, является логическим продолжением курса «Теоретическая электротехника». Без знания законов электротехники невозможно понять и изучить принципы работы и применения электронных устройств.

Электронное средство — изделие и его составные части, в основу функцио­нирования которых положены принципы электроники.

Информацией называется совокупность каких-либо сведений, определяю­щих знания об изучаемом процессе или объекте.

Электронное устройство — электронное средство, представляющее собой функционально законченную сборочную единицу, выполненную на несущей кон­струкции, реализующее функции передачи, приема и преобразования инфор­мации или техническую задачу на их основе.

Pиc. В.1 Структурная схема системы контроля и управления

Широкое применение информационной электроники базируется на возможности замены трудно измеряемых физических парамет­ров различных процессов соответствующими электрическими пара­метрами. Это позволяет относительно просто, в минимальных физических объемах, при высоком быстродействии и надежности функционирования реализовать требуемый алгоритм обработки информации, используемой в системах измерения, контроля и уп­равления реально протекающих процессов. Подобные системы включают, как правило, три функциональных блока (рис. В.1):

блок преобразования физической величины, преобразующей реальное состояние процесса или объекта управления, в соответствующий па­раметр электрического сигнала – датчик (измерительный преобразо­ватель);

блок преобразования электрических сигналов в электрические сигналы по заданному алгоритму – электронное устройство (ЭУ);

блок преобразования электрического сигнала в физическую ве­личину, с помощью которой осуществляется воздействие на состоя­ние процесса или объекта – исполнительное устройство.

Курс посвящен в основ­ном рассмотрению тех вопросов, которые связаны с реализацией второго блока системы, приведенной на рис. В.1. В результате изу­чения курса студент должен знать:

принципы построения и функционирования устройств аналого­вой, импульсной и цифровой электроники;

принципы выбора методов анализа и синтеза электронных устройств с заданными статическими и динамическими характери­стиками,

а также уметь:

рассчитывать электронные цепи постоянного и переменного токов (вручную, а также на ЭВМ с разработкой программ);

обобщать динамические показатели электронных устройств, используя понятия передаточной функции, переходной и импульс­ной характеристик;

Под сигналом (в общем смысле этого слова) в дальнейшем будем пони­мать физический процесс, с заданной точностью отображающий сведения о со­стоянии изучаемого процесса или объекта и пригодный для его дальнейшей об­работки и передачи на расстояние.

выполнять расчеты различных электронных устройств с орга­низацией банка данных для автоматизации процедур выбора и обоснования оптимальных параметров.

Промышленное развитие электроники можно отнести к началу ХХ-го столетия, когда в 1904 г. англичанин Д. Флеминг создал первую электронную лампу (диод). В 1907 г. американец Л. Форест, введя в диод управляющий электрод, получил триод, способ­ный генерировать и усиливать электрические колебания. В Рос­сии первую электронную лампу изготовил в 1914 г. Н. Д. Папалекси.

В 30-х годах началось активное изучение полупроводниковых материалов с целью их использования в электронике. Большой вклад в решение этой проблемы внесли теоретические работы со­ветских физиков, возглавляемых академиком А. Ф. Иоффе.

В 1948 г. американскими учеными был изобретен первый полу­проводниковый усилительный прибор – транзистор. Аналогичные приборы несколько позже разработали советские ученые А. В. Красилов и С. Г. Мадоян. Обладая существенными преимуществами по сравнению с электронными лампами, транзисторы обусловили бурное развитие полупроводниковой электроники. Применение транзисторов в сочетании с печатным монтажом позволило полу­чить малогабаритные электронные устройства с относительно ма­лым потреблением электроэнергии.

Дальнейший скачок в развитии электроники стал возможен с появлением устройств интегральной микроэлектроники, представ­ляющих собой интегральные схемы (ИС). Промышленный выпуск ИС был начат в начале 60-х годов и способствовал бурному про­грессу в развитии информационной электроники и микроминиа­тюризации электронных средств. Эти тенденции получили еще большее развитие с появлением больших (БИС), а затем и сверх­больших (СБИС) интегральных схем, которые позволили разра­ботать и внедрить во все сферы деятельности человека ЭВМ. Основным элементом в таких ЭВМ стал микропроцессор – СБИС, содержащая десятки и сотни тысяч элементов на одном кристалле (полупроводниковой пластине площадью несколько квадратных миллиметров).

В настоящее время СБИС, наряду с БИС, ИС и отдельными типами дискретных полупроводниковых приборов, стали основной элементной базой современных электронных средств.

Устройство интегральной микроэлектроники – электронное устройство, ком­плектующие элементы которого изготовляются групповым методом на единой несущей конструкции – подложке.