10

Лекции 2_Основы электроники

Электроника

Электроника — это отрасль науки и техники, связанная с исследованиями, разработкой, изготовлением и применением электронных, ионных и полупроводниковых устройств.

Электронные устройства – устройства, принцип действия которых основан на движении электронов как носителей электрического заряда. К ним относятся электронные лампы, электронно-лучевые трубки; кинескопы, дисплеи и др.

Ионные устройства – устройства, принцип действия которых основан на взаимодействии электронов с ионизированным газом. К ним относятся тиратроны, игнитроны, ионные разрядники, газоразрядные стабилитроны.

Полупроводниковые устройства – устройства, принцип действия которых основан на движении электрических зарядов в твёрдом теле полупроводников. Основными классами полупроводниковых устройств являются диоды, транзисторы, тиристоры, интегральные микросхемы, фотоэлектронные и оптоэлектронные приборы.

Области применения электроники

1. Электросеть.

2. Радиоэлектронная аппаратура.

3. Вычислительная техника.

4. Промышленная электроника.

Электросеть охватывает следующие направления техники: радиосвязь, радиовещание, телевидение, звуковое вещание, автоматическую электросвязь, многоканальную электросвязь, радиорелейную, космическую, волоконно-оптическую и сотовую связи.

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, на основе которых создаются автоматизированные системы управления, системы автоматизированного проектирования, автоматизированные систем научных исследований, информационные, обучающие и др.

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.

Использование электронных приборов в обработке сигналов

В зависимости от физической природы сигналов на входах и выходах электронных устройств различают четыре вида приборов-преобразователей сигналов:

электропреобразовательные (электрический – электрический);

электросветовые (электрический - световой);

фотоэлектрические (световой – электрический);

термоэлектрические (тепловой – электрический).

В зависимости от формы сигналов, которые обрабатываются в устройствах, различают аналоговые, импульсные, цифровые устройства и их комбинации.

Сигнал (в теории информации и связи) — материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи.

Аналоговый сигнал - сигнал изменяющийся непрерывно во времени и принимающий любые значения на некотором интервале.

Цифровой сигнал – сигнал в виде последовательности нулей и единиц (т.е. в двоичной системе счисления).

Импульс — сигнал в виде кратковременный всплеска определённом, конечном временном промежутке. Различают видеоимпульсы — единичные колебания какой-либо формы и радиоимпульсы — всплески высокочастотных колебаний. Видеоимпульсы бывают однополярные (отклонение только в одну сторону от нулевого потенциала) и двухполярные.

Основными типами аналоговых устройств являются: автогенераторы гармонических колебаний и релаксационные генераторы, микрофоны, умножители (делители) и преобразователи частоты, модуляторы, демодуляторы (модемы), детекторы, усилители.

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.

Электроника базируется в основном на использовании полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, и интегральных микросхем (ИМС).

Основным понятием электроники является понятие электрон.

Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον — янтарь) — стабильная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Из электронов состоят электронные оболочки атомов.

Число и положение атомов определяют все химические свойства веществ.

Движение свободных электронов обусловливает такие явления, как электрический ток в проводниках и вакууме.

Заряд электрона составляет 1.60217646 × 10-19 Кулона

Масса электрона равна 9,11∙10-31 кг

Размер электрона до сих поp не поддается измеpению. Известно лишь, что pадиус электpона заведомо меньше 10^–16 см. Размер ядра намного больше, порядка 10^–4÷ 10^–5 Å  = 10^–12÷ 10^–13 см.

Длина свободного пробега электрона - для обычных молекулярных газов в нормальных условиях (при атмосферном давлении и 20°С) ~ 10^-5 см, что примерно в 100 раз больше среднего расстояния между молекулами.

А́нгстрем (Å) (в русском языке произносится а́нгстрэм, по-шведски о́нгстрём) — единица измерения длины, равная 10⁻¹⁰ м (1Å = 0,1 нм = 100 пм; 10000Å = 1 мкм). Популярна в оптике, схемотехнике, атомной физике и астрономии. Названа в честь шведского физика и астронома Андерса Йонаса Ангстрема, который ввёл её в 1868 году. Ангстрем прижился в языке физиков, так как 10⁻¹⁰ м — это приблизительный размер атома водорода. Примерно таким же является шаг атомной решётки. В результате вместо множества нулей можно оперировать обычными дробями. Диаметр атома водорода уже не 0,000000000158 м, а просто 8/5 Å.

Данную единицу не рекомендуется использовать в системе СИ. Вместо неё предпочтительнее употреблять нанометр (1 нм = 10 Å).

Ангстрем часто называют внесистемной единицей. Тем не менее, она определяется через единицы системы СИ.

Длина свободного пробега (точнее - средняя длина свободного пробега, `l), средняя длина пути, проходимого частицей между двумя последовательными соударениями с др. частицами. Понятием Длина свободного пробега широко пользуются при расчетах различных процессов переноса, например вязкости, теплопроводности, диффузии, электропроводности и др.

Согласно кинетической теории газов, молекулы от столкновения до столкновения движутся равномерно и прямолинейно. Если за 1 сек молекула проходит в среднем путь v, испытывая при этом n упругих соударений с такими же молекулами, то

где n - число молекул в единице объема (плотность газа), s - эффективное поперечное сечение молекулы. С повышением плотности газа (его давления) Длина свободного пробега уменьшается, т.к. растет число столкновений n в 1 сек. Повышение температуры (интенсивности движения молекул) приводит к некоторому уменьшению s и, следовательно, к росту `l. Для обычных молекулярных газов в нормальных условиях (при атмосферном давлении и 20°С) `l ~ 10^-5 см, что примерно в 100 раз больше среднего расстояния между молекулами.   К частицам, движение и взаимодействие которых подчиняется законам квантовой механики, понятие Длина свободного пробега в ряде случаев также применимо (например, электроны проводимости в твердом теле, нейтроны в слабо поглощающих средах, фотоны в звездах), но расчет Длина свободного пробега для таких частиц более сложен.