"Введение, этапы развития электроники" - Электроника и схемотехника аналоговых устройств

Электроника-область науки, техники и производства, охватывающая изучение физических основ, исследование, разработку и принципы использования приборов, работа которых основана на протекании электрического тока в различных средах. Практически каждая сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Все технологические процессы сегодня также управляются электронными средствами. Достижения электроники влияют не только на экономическое развитие общества, но и на социальные процессы, распределение рабочей силы, образование и быт. Роль электроники в настоящее время существенно возрастает в связи с применением микропроцессорной техники.

Рассмотрим разделение промышленной электроники на Энергетическую (силовую) электронику и Информационную.

Энергетическая электроника связана с преобразованием переменного и постоянного токов для нужд электроэнергетики, электротяги, металлургии. Развитие электроэнергетики и электротехники тесно связано с электроникой Сложность процессов в энергосистемах, высокая скорость их протекания потребовали широкого внедрения для расчета режимов работы и управления компьютерной техники. Полупроводниковые преобразователи электрической энергии являются одним из одним из основных нагрузочных элементов энергетических сетей и во многом определяют режимы их работы. На основе полупроводниковых вентильных преобразователей созданы линии электропередачи постоянного тока большой мощности.

Информационная электроника исследует электронные средства, обеспечивающие измерение, контроль и управление различными процессами передачи и обработки информации, включая производство и научные исследования в различных областях. Усилители сигналов, генераторы напряжений различной формы, логические схемы, счетчики, индикаторы - все это устройства информационной электроники. Характерными чертами современной информационной электроники являются сложность и многообразие решаемых задач, высокое быстродействие и надежность. Информационная электроника неразрывно связана с применением интегральных микросхем, развитие и совершенствование которых в главной мере определяет уровень развития этой отрасли электронной техники.

Таким образом, для создания современных электронных устройств необходим совместный труд специалистов в области электроники, автоматики и вычислительной техники. При проектировании электронных устройств неполно заданные требования могут привести к созданию неработоспособного устройства, а неоправданное завышение требований - к повышению стоимости и снижению надежности электронного оборудования. Необходимо также учитывать важность подготовки специалистов по грамотной эксплуатации сложнейших электронных устройств.

При создании электронных приборов специалисты сталкиваются с необходимостью анализировать различные схемные варианты решения той или иной конкретной задачи. Для моделирования процессов и расчета степени оптимальности этих вариантов используется математический аппарат. Расчетные задачи математического аппарата электроники - это шаги по овладению методами анализа и синтеза электронных схем, широко используемые в системах автоматического проектирования (САПР). Математическое моделирование позволяет сэкономить материальные и интеллектуальные ресурсы при создании сложнейших электронных устройств.

В наши дни широко используется компьютерное моделирование электронных приборов. Существует множество программных продуктов, предназначенных для этих целей. В своих лабораторных исследованиях мы будем широко использовать Electronics Workbench. Полный блок анализа улучшает производительность схем и устойчивость разработок.

Важнейшей задачей схемотехнического проектирования является разработка быстродействующих и надежных схем, устойчиво работающих в следующих условиях:

При низких уровнях мощности (малая допустимая мощность рассеивания),

В условиях сильных паразитных связей (высокая плотность упаковки)

При ограниченных по точности и стабильности параметров элементов.

Потенциальная возможность ИМС на этом этапе проектирования оценивается с учетом возможностей выбранного структурно технологического варианта ИМС и его технологической реализации.

Конструктор, стремясь сохранить быстродействие и надежность ИМС на проектном уровне, определяет оптимальную технологию, выбирает материалы и технологические методы, обеспечивающие надежные электротехнические соединения, а также защиту от окружающей среды и механических воздействий с учетом технологических возможностей и ограничений.

При технологическом проектировании синтезируется оптимальная структура технологического процесса обработки и сборки, позволяющая максимально использовать отработанные, типовые процессы и обеспечивать высокую воспроизводимость, минимальную трудоемкость и стоимость с учетом конструкторских требований.

Важным этапом технологического проектирования, направленного на обеспечение качества и надежности ИМС, является разработка операций контроля на всех этапах производства ИМС: входного контроля основных и вспомогательных материалов и комплектующих изделий, контроля в процессе обработки, межоперационного контроля полуфабрикатов и выходного контроля готовых изделий.

Рост степени интеграции и функциональной насыщенности единицы объема изделий микроэлектроники, объективно приводит к микроминитюаризации их исполнения.

Этапы развития электроники:

В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре поколения развития электроники. Поколения развития электроники предлагается сопоставлять с поколениями развития ЭВМ.

1 поколение (1904 -1950) - электровакуумные приборы. Разделение в зависимости от рабочей среды на электровакуумные и ионные.

Плотность монтажа 0,003 эл/см3. Ручная сборка.

    1 поколение ЭВМ (1945-1954) - машины создавались на ламповой элементной базе и потому потребляли большое количество электроэнергии и обладали низким уровнем надежности. 2 поколение (1950 - начало 60-х) - дискретные полупроводниковые приборы. Начинает использоваться печатный монтаж.

Плотность монтажа 0,5 эл/см3. Автоматическая сборка.

    2 поколение ЭВМ (1955-1964) - широкое использование транзисторной техники, печатного монтажа и ферритовых сердечников. 3 поколение (1960-1980) - интегральные схемы и микросборка. Интенсивное развитие микроэлектроники.

Интегральная схема - совокупность нескольких взаимосвязанных элементов, изготовленных в едином технологическом цикле, на одной несущей конструкции.

Микросборка - интегральная микросхема, в состав которой входят однотипные элементы.

Блочная конструкция микроэлементов - совокупность интегральных микросхем и микросборок.

Плотность монтажа 50 эл/см3.

    3 поколение ЭВМ (1965-1980) - смена поколения ЭВМ вновь обусловлена обновлением элементной базы. Резкое уменьшение габаритов, массы, энергопотребления наряду с повышением их надежности. 4 поколение (1980 - по настоящее время) - использование БИС и СБИС, т. е. реализация функционально завершенных узлов в едином корпусе.

Плотность монтажа 1000 эл/см3 и выше.

4 поколение ЭВМ (с 1980) - при существующей степени интеграции электронных узлов стало возможным осуществление функционально полной ЭВМ на одном кристалле.

Информация воплощенная и зафиксированная в некоторой материальной форме, называется сообщением, а физическое средство передачи сообщения - сигналом. Или иначе: сигнал - это процесс изменения во времени физического параметра какого-либо объекта, служащий для отображения, регистрации и передачи сообщения.

Очевидно, что физическая природа сигнала в общем случае может быть любой, но в информационных системах, в основном, используются электрические сигналы. Поэтому входная информация, т. е. входной сигнал, если он не электрический, преобразуется таким образом, чтобы в качестве переносчика сообщения в дальнейшем в системе использовался электрический сигнал. В последнее время используют и оптические сигналы.

По форме представления сигналы делятся на дискретные и аналоговые, что определяет принципы построения и особенности работы электронных устройств, которые их используют.

Аналоговые - непрерывные во времени функции напряжения или тока. Особенностью класса аналоговых устройств является линейная форма зависимости входных и выходных сигналов.

Постоянные - однополярные, медленно изменяющиеся во времени сигналы.

Переменные - функции тока или напряжения, изменяющиеся во времени как по амплитуде, так и по знаку.

Дискретные - разрывные во времени функции напряжения или тока. Могут принимать ограниченное число уровней. Наиболее часто в электронике используются сигналы, которые имеют только два уровня: высокий и низкий - двоичные сигналы. Дискретные сигналы могут быть импульсными или потенциальными. В зависимости от формы представления дискретного сигнала схемы подразделяются на: импульсные, потенциальные или импульсно-потенциальные.

При передаче информации путем изменения физических параметров электрического сигнала в качестве информативного параметра могут использоваться амплитуда, частота или фаза сигнала.

Период и частота переменного тока: частотой сигнала называется количество циклических повторений сигнала, укладывающийся в промежуток, равный 1 сек. Например, если период сигнала Т=1сек., то это значит, что сигнал будет повторяться каждую миллисекунду и за одну секунду он повторится 1000 раз, т. е. его частота 1 кГц (т. е. в одной секунде тысяча периодов сигнала).

Похожие статьи




"Введение, этапы развития электроники" - Электроника и схемотехника аналоговых устройств

Предыдущая | Следующая