Electrónica

La electrónica (del griego Ηλεκτρόνιο  " electrón ") es un campo de la ciencia y la tecnología que se ocupa de la creación y el uso práctico de diversos dispositivos y dispositivos electrónicos [1] , cuyo trabajo se basa en cambiar la concentración y el movimiento de partículas cargadas (electrones ) en vacío , gas o cuerpos cristalinos sólidos , y otros fenómenos físicos (NBIC).

También - denominación abreviada de equipos electrónicos .

Historia

El surgimiento de la electrónica fue precedido por el descubrimiento y estudio de la electricidad, el electromagnetismo y luego, la invención de la radio . Dado que los transmisores de radio inmediatamente encontraron aplicación (principalmente en barcos y en asuntos militares ), requerían una base de elementos, cuya creación y estudio fue asumido por la electrónica. El elemento base de la primera generación estaba basado en tubos de vacío . En consecuencia, se desarrolló la electrónica de vacío . Su desarrollo también fue facilitado por la invención de la televisión y el radar , que fueron ampliamente utilizados durante la Segunda Guerra Mundial [2] [3] .

Pero los tubos de vacío tenían importantes inconvenientes. En primer lugar, estos son de gran tamaño y alto consumo de energía (que era fundamental para los dispositivos portátiles). Por lo tanto, la electrónica de estado sólido comenzó a desarrollarse y los diodos y transistores comenzaron a usarse como elemento base .

El mayor desarrollo de la electrónica está asociado con el advenimiento de las computadoras . Las computadoras basadas en transistores se caracterizaban por su gran tamaño y consumo de energía, así como por su baja confiabilidad (debido a la gran cantidad de piezas). Para solucionar estos problemas se empezaron a utilizar los microensamblajes , y luego los microcircuitos . El número de elementos de microcircuitos aumentó gradualmente, comenzaron a aparecer microprocesadores . Actualmente, el desarrollo de la electrónica se ve facilitado por la aparición de las comunicaciones celulares , así como diversos dispositivos inalámbricos, navegadores , comunicadores , tabletas , etc.

En Rusia, la actividad científica de A. S. Popov y el inicio del uso de equipos de telegrafía inalámbrica, la invención del disparador de tubo por M. Bonch-Bruevich en 1918 [4] , el uso de un elemento semiconductor por Losev para amplificar y generar las señales eléctricas [5 ] contribuyeron al surgimiento y desarrollo de la electrónica. ] , el uso de elementos conductores y semiconductores en los trabajos de Ioffe y el desarrollo de la base semiconductora GaAs/AlAs y sus soluciones ternarias en el laboratorio de Alferov [6] .

Antes de la llegada de las computadoras electrónicas, las operaciones lógicas se realizaban en relés electromecánicos o mecánicos. En 1943, la computadora electromecánica Mark-1 realizó una operación de suma en 0,3 segundos [7] . Pero ya a mediados del siglo XX, comenzaron a utilizar el dispositivo de electrovacío inventado por Lieben (1912) [8] y Lee de Forest (1906)  - un triodo [4] , cuya corriente podía controlarse mediante una rejilla , que permitió controlar la señal [9] . En 1939 apareció la primera computadora de tubo de vacío ( J. Atanasov ), donde los cálculos se realizaban mediante operaciones lógicas [10] . En 1946, apareció la computadora de vacío eléctrica Eniac , que contenía 17.468 lámparas que debían verificarse durante la instalación. Esta máquina podía realizar 5.000 adiciones por segundo [11] .

El advenimiento del primer transistor en 1947 , creado por William Shockley , John Bardeen y Walter Brattain , hizo posible cambiar a la lógica de estado sólido [12] , y la subsiguiente invención de la estructura de metal-óxido-semiconductor se convirtió en la más importante hito en el desarrollo de la electrónica [13] , que condujo a la creación de un microcircuito integrado y el posterior desarrollo de la microelectrónica, el campo principal de la electrónica moderna [14] [15] .

Áreas de la electrónica

Se pueden distinguir las siguientes áreas de la electrónica:

Un dispositivo electrónico puede incluir una amplia variedad de materiales y entornos en los que se lleva a cabo el procesamiento de señales eléctricas mediante varios procesos físicos. Pero en cualquier aparato siempre hay un circuito eléctrico .

Muchas disciplinas científicas de las universidades técnicas se dedican al estudio de varios aspectos de la electrónica .

Electrónica de estado sólido

Historia de la electrónica de estado sólido

El término electrónica de estado sólido apareció en la literatura a mediados del siglo XX para referirse a dispositivos basados ​​en elementos semiconductores: transistores y diodos semiconductores, que reemplazaron a los voluminosos dispositivos eléctricos de vacío de baja eficiencia: los tubos de radio. La raíz "sólido" se usa aquí porque el proceso de controlar la corriente eléctrica tiene lugar en un cuerpo sólido de un semiconductor, en oposición al vacío, como ocurría en un tubo de vacío. Posteriormente, a fines del siglo XX, este término perdió su significado y paulatinamente cayó en desuso, ya que casi toda la electrónica de nuestra civilización comenzó a utilizar exclusivamente elementos semiconductores de base sólida en estado sólido.

Miniaturización de dispositivos

Con el nacimiento de la electrónica de estado sólido, comenzó un rápido y revolucionario proceso de miniaturización de dispositivos electrónicos. Durante varias décadas, los elementos activos han disminuido considerablemente: si las dimensiones de las lámparas eran de varios centímetros, las dimensiones de los transistores modernos integrados en un chip semiconductor son decenas de nanómetros. Los circuitos integrados modernos pueden contener varios miles de millones de estos transistores.

Tecnología para la obtención de elementos

Los elementos activos y pasivos en la electrónica de estado sólido se crean en un cristal semiconductor ultrapuro homogéneo, generalmente silicio, por inyección o deposición de nuevas capas en ciertas coordenadas del cuerpo cristalino de átomos de otros elementos químicos, moléculas más complejas, incluidas sustancias orgánicas. La inyección cambia las propiedades del semiconductor en el sitio de inyección (dopaje) al cambiar su conductividad a la inversa, creando así un diodo o transistor o elemento pasivo: resistencia, conductor, capacitor o inductor, aislante, disipador de calor y otras estructuras. En los últimos años, la tecnología de producción de fuentes de luz en un chip se ha generalizado. Una gran cantidad de descubrimientos y tecnologías desarrolladas para el uso de tecnologías de estado sólido todavía se encuentran en las cajas fuertes de los titulares de patentes y están esperando entre bastidores.

La tecnología para obtener cristales semiconductores, cuya pureza le permite crear elementos con un tamaño de varios nanómetros, comenzó a llamarse nanotecnología y la sección de electrónica - microelectrónica.

En la década de 1970, en el proceso de miniaturización de la electrónica de estado sólido, se produjo una división en microelectrónica analógica y digital . En las condiciones de competencia en el mercado de los fabricantes de la base de elementos, ganaron los fabricantes de electrónica digital. Y en pleno siglo XXI , la producción y evolución de la electrónica analógica prácticamente se detuvo. Dado que, en realidad, todos los consumidores de microelectrónica requieren, por regla general, señales o acciones no digitales, sino analógicas continuas, los dispositivos digitales están equipados con DAC en sus entradas y salidas.

La miniaturización de los circuitos electrónicos estuvo acompañada de un aumento en la velocidad de los dispositivos. Entonces, los primeros dispositivos digitales de tecnología TTL requerían microsegundos para cambiar de un estado a otro y consumían una gran corriente, lo que requería medidas especiales para eliminar el calor.

A principios del siglo XXI, la evolución de la electrónica de estado sólido en la dirección de la miniaturización de los elementos se detuvo gradualmente y ahora está prácticamente parada. Esta parada estaba predeterminada por el logro de los tamaños mínimos posibles de transistores, conductores y otros elementos en un cristal semiconductor que todavía son capaces de eliminar el calor liberado durante el flujo de corriente y no se destruyen. Estos tamaños han llegado a unidades de nanómetros y por ello la tecnología para la fabricación de microchips se denomina nanotecnología .

La próxima etapa en la evolución de la electrónica será probablemente la optoelectrónica, en la que el elemento portador será un fotón, que es mucho más móvil, menos inercial que un electrón/“agujero” en un semiconductor de electrónica de estado sólido.

Dispositivos básicos de estado sólido

Los principales dispositivos activos de estado sólido utilizados en dispositivos electrónicos son:

  • Un diodo  es un conductor con conducción unilateral del ánodo al cátodo. Variedades: diodo de túnel, diodo de avalancha-span, diodo de Gunn , diodo de Schottky , etc.;
  • Transistores bipolares : transistores con dos uniones pn  físicas , cuya corriente de colector-emisor está controlada por la corriente de base-emisor;
  • Transistor de efecto de campo  : un transistor, cuya corriente de fuente-drenaje está controlada por el voltaje en la unión pn o np. Gate-Drain o el potencial en él en transistores sin una transición física, con una puerta aislada galvánicamente de la canal de drenaje-fuente;
  • Diodos con dinistores y tiristores de conductividad controlada usados ​​como interruptores, diodos emisores de luz y fotodiodos usados ​​como convertidores de radiación e/m en señales eléctricas o energía eléctrica o viceversa;
  • Un circuito integrado  es una combinación de elementos de estado sólido activos y pasivos en uno o más cristales en un paquete, utilizado como un módulo, un circuito electrónico en microelectrónica analógica y digital.

Ejemplos de uso

Ejemplos del uso de dispositivos de estado sólido en electrónica:

  • Multiplicador de voltaje en un diodo rectificador;
  • Multiplicador de frecuencia en un diodo no lineal;
  • Seguidor de emisor (voltaje) en un transistor bipolar;
  • Amplificador de colector (potencia) en un transistor bipolar;
  • Emulador de inductancias en circuitos integrados, capacitores y resistencias;
  • Convertidor de resistencia de entrada en un campo o transistor bipolar, en un circuito integrado de un amplificador operacional en microelectrónica analógica y digital;
  • Generador de señales eléctricas en un diodo de campo, diodo Schottky, transistor o circuito integrado en generadores de señales de CA;
  • Rectificador de voltaje en un diodo rectificador en circuitos de corriente eléctrica alterna en una variedad de dispositivos;
  • Una fuente de voltaje estable en un diodo zener en estabilizadores de voltaje;
  • Una fuente de voltaje estable en un diodo rectificador en los circuitos de polarización de voltaje base-emisor de un transistor bipolar;
  • Elemento emisor de luz en un dispositivo de iluminación en un LED ;
  • Elemento emisor de luz en optoelectrónica basado en LED ;
  • Elemento receptor de luz en optoelectrónica en un fotodiodo ;
  • Elemento receptor de luz en paneles solares de plantas de energía solar;
  • Amplificador de potencia en un transistor bipolar o de efecto de campo, en un circuito integrado, Amplificador de potencia en las etapas de salida de los amplificadores de potencia de señal, AC y DC;
  • Elemento lógico en un transistor, diodos o en un circuito integrado de electrónica digital;
  • Celda de memoria en uno o más transistores en chips de memoria;
  • Amplificador de alta frecuencia en un transistor;
  • Procesador de señales digitales en un circuito integrado de un microprocesador digital;
  • Procesador de señal analógica basado en transistores, circuito integrado de microprocesador analógico o amplificadores operacionales ;
  • Periféricos informáticos basados ​​en circuitos integrados o transistores;
  • La etapa de entrada de un amplificador operacional o diferencial en un transistor;
  • Llave electrónica en circuitos de conmutación de señal en un transistor de efecto de campo con puerta aislada;
  • Llave electrónica en esquemas con memoria en el diodo Schottky.

Principales diferencias entre electrónica analógica y digital

Dado que los circuitos analógicos y digitales codifican la información de manera diferente, también tienen diferentes procesos de procesamiento de señales. Cabe señalar que todas las operaciones que se pueden realizar sobre una señal analógica (en particular, amplificación, filtrado, limitación de rango, etc.) también se pueden realizar utilizando métodos de simulación de software y electrónica digital en microprocesadores.

La principal diferencia entre la electrónica analógica y la digital se puede encontrar en las formas más características de codificar la información para una electrónica en particular.

La electrónica analógica utiliza la codificación unidimensional proporcional más simple: el reflejo de los parámetros físicos de la fuente de información en parámetros físicos similares del campo eléctrico o voltaje (amplitudes en amplitudes, frecuencias en frecuencias, fases en fases, etc.).

La electrónica digital utiliza la codificación n-dimensional de los parámetros físicos de la fuente de datos. Como mínimo en electrónica digital, se utiliza codificación bidimensional: voltaje (corriente) y momentos de tiempo. Esta redundancia se acepta únicamente para transmisión de datos garantizada con cualquier nivel programable de ruido y distorsión añadido en el dispositivo a la señal original. En circuitos digitales más complejos, se utilizan métodos de procesamiento de información por microprocesador de software. Los métodos de transmisión de datos digitales permiten crear canales físicos de transmisión de datos sin ninguna pérdida (sin aumento del ruido y otras distorsiones)

En el sentido físico, el comportamiento de cualquier circuito electrónico digital y de todo el dispositivo no es diferente del comportamiento de un dispositivo o circuito electrónico analógico y puede describirse mediante la teoría y las reglas que describen el funcionamiento de los dispositivos electrónicos analógicos.

Ruido

De acuerdo con la forma en que se codifica la información en los circuitos analógicos, estos son mucho más vulnerables a los efectos del ruido que los circuitos digitales. Un pequeño cambio de señal puede hacer modificaciones significativas a la información transmitida y, en última instancia, provocar su pérdida; a su vez, las señales digitales toman sólo uno de los dos valores posibles, y para que se produzca un error, el ruido debe ser aproximadamente la mitad de su valor total. Esta propiedad de los circuitos digitales se puede utilizar para aumentar la resistencia de las señales a las interferencias. Además, se proporcionan contramedidas de ruido mediante la recuperación de la señal en cada puerta lógica, lo que reduce o elimina la interferencia; tal mecanismo se vuelve posible debido a la cuantificación de señales digitales [16] . Mientras la señal permanezca dentro de un cierto rango de valores, se asocia con la misma información.

El ruido es uno de los factores clave que afectan la precisión de la señal ; es principalmente el ruido presente en la señal original y la interferencia introducida durante su transmisión (ver relación señal/ruido ). Limitaciones físicas fundamentales - por ejemplo, las llamadas. Ruido de disparo en componentes: establece límites en la resolución de señales analógicas . En electrónica digital, se proporciona precisión adicional mediante el uso de bits auxiliares que caracterizan la señal; su número depende del rendimiento del convertidor de analógico a digital (ADC) [17] .

Complejidad del desarrollo

Los circuitos analógicos son más difíciles de diseñar que los circuitos digitales comparables; esta es una de las razones por las que los sistemas digitales se han generalizado más que los sistemas analógicos. El circuito analógico está diseñado a mano, y el proceso de creación ofrece menos margen para la automatización . Sin embargo, cabe señalar que para interactuar con el entorno de una forma u otra, un dispositivo electrónico digital necesita una interfaz analógica [18] . Por ejemplo, una radio digital tiene un preamplificador analógico, que es el primer eslabón de la cadena de recepción.

Tipología de esquemas

Los circuitos electrónicos y sus componentes se pueden dividir en dos tipos principales según los principios generales de su funcionamiento: analógicos (continuos) y digitales (discretos). Un mismo dispositivo puede consistir en circuitos del mismo tipo, o una mezcla de ambos tipos en proporciones variables.

Circuitos analógicos

Básicamente, los dispositivos y dispositivos electrónicos analógicos ( receptores de radio , por ejemplo) son estructuralmente una combinación de varias variedades de circuitos básicos. Los circuitos analógicos usan un rango de voltaje continuo , a diferencia de los niveles discretos que se encuentran en los circuitos digitales. En este momento, se ha desarrollado una cantidad significativa de varios circuitos analógicos; en particular, su número es grande debido al hecho de que por "circuito" se pueden entender muchas cosas: desde un solo componente hasta un sistema completo que consta de miles de elementos. . Los circuitos analógicos a veces también se denominan lineales (aunque debe tenerse en cuenta que en algunos de sus tipos, convertidores , por ejemplo, o moduladores , también se utilizan muchos efectos no lineales). Los ejemplos típicos de circuitos analógicos incluyen tubos de vacío y amplificadores de transistores, amplificadores operacionales y osciladores .

En la actualidad, es difícil encontrar un circuito electrónico de este tipo que sea completamente analógico. Ahora los circuitos analógicos utilizan tecnologías digitales o incluso de microprocesador para aumentar su rendimiento . Tal circuito generalmente no se llama analógico o digital, sino mixto. En algunos casos, es difícil hacer una distinción clara entre circuitos continuos y discretos, debido al hecho de que ambos incluyen elementos tanto de naturaleza lineal como no lineal. Un ejemplo es, digamos, un comparador : al recibir un rango de voltaje continuo en la entrada, al mismo tiempo produce solo uno de los dos niveles de señal posibles en la salida , como un circuito digital. De manera similar, un amplificador de transistor sobrecargado puede asumir las propiedades de un interruptor controlado que también tiene dos niveles de salida.

Circuitos digitales

Los circuitos digitales incluyen circuitos basados ​​en dos o más niveles de tensión discretos [19] . Representan la implementación física más típica del álgebra booleana y forman la base elemental de todas las computadoras digitales. Los términos "circuito digital", "sistema digital" y "circuito lógico" a menudo se consideran sinónimos. Para los circuitos digitales, por regla general, es característico un sistema binario con dos niveles de voltaje, que corresponden a un cero lógico y uno lógico, respectivamente. Muchas veces la primera corresponde a baja tensión, y la segunda a alta, aunque también existen opciones inversas. También se estudiaron los circuitos lógicos ternarios (es decir, con tres estados posibles) y se intentó construir ordenadores basados ​​en ellos. Además de las computadoras, los circuitos digitales forman la base de los relojes electrónicos y los controladores lógicos programables (utilizados para controlar procesos industriales); Otro ejemplo son los procesadores de señales digitales .

Los elementos estructurales básicos de este tipo incluyen:

Dispositivos altamente integrados:

y etc.

Fiabilidad de los dispositivos electrónicos

La fiabilidad de los dispositivos electrónicos consiste en la fiabilidad del propio dispositivo y la fiabilidad de la fuente de alimentación . La confiabilidad del dispositivo electrónico en sí consiste en la confiabilidad de los elementos, la confiabilidad de las conexiones, la confiabilidad del circuito, etc. Gráficamente, la confiabilidad de los dispositivos electrónicos se muestra mediante la curva de falla (dependencia del número de fallas en el funcionamiento). tiempo). Una curva de falla típica tiene tres segmentos con diferentes pendientes. En la primera sección, el número de fallas disminuye, en la segunda sección, la cantidad de fallas se estabiliza y es casi constante hasta la tercera sección, en la tercera sección, la cantidad de fallas crece constantemente hasta que el dispositivo queda completamente inutilizable.

Tecnología de medición

A lo largo del desarrollo de dispositivos y componentes electrónicos de radio, existía la necesidad de una evaluación objetiva de la salud y los parámetros tanto de los componentes de radio individuales como de los productos terminados. Esto llevó y lleva a la necesidad de contar con una flota de instrumentos de medición. Sus características funcionales son muy diversas. Al mismo tiempo, los instrumentos de medición en sí mismos también son un área separada de la electrónica. La precisión del equipo de medición es el factor más importante del que depende directamente la calidad del equipo de radio desarrollado y depurado con su ayuda. Igualmente importante es la observancia de la metodología de medición (ver Metrología ). Los instrumentos más precisos se utilizan para aplicaciones especiales y no están disponibles para la mayoría de los diseñadores. Los dispositivos básicos ( multímetro , fuente de alimentación de laboratorio ) a menudo los fabricaban los entusiastas por su cuenta.

Véase también

Notas

  1. ↑ Gran Enciclopedia Soviética .
  2. ↑ Electrónica y circuitos. Apuntes de clase mediante simulación por ordenador en el entorno "Tina TI". Etapas de surgimiento y desarrollo de la electrónica y la circuitería . bstudy.net . Editorial científica y técnica "Hot Line - Telecom" (2017). Recuperado: 23 Agosto 2021.
  3. ↑ Igor Zajarov. Una breve historia de la electrónica: desde la bombilla hasta la computadora cuántica . postnauka.ru . Editorial PostNauka (6 de noviembre de 2019). Recuperado: 23 Agosto 2021.
  4. ↑ 1 2 Kazakova, 2011 , pág. 77.
  5. ↑ Egon E. Loebner. Subhistorias de los Diodos Emisores de Luz. — Dispositivos electrónicos de transacción IEEE. - 1976. - vol. ED-23, No. 7, julio.
  6. ↑ Aseev AL. et al En memoria de Zhores Ivanovich Alferov  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Academia Rusa de Ciencias , 2019. - T. 189 . - S. 899-900 . - doi : 10.3367/UFNr.2019.07.038603 .
  7. ↑ Kazakova, 2011 , pág. 74.
  8. ↑ Linde, R. Cree sus propios amplificadores de válvula Af: circuitos para instrumentos musicales y de alta fidelidad  . - Elektor Medios Internacionales, 1995. - 252 p. — ISBN 9780905705392 .
  9. ↑ Igor Zajarov .
  10. ↑ Kazakova, 2011 , pág. 80.
  11. ↑ Kazakova, 2011 , pág. 88.
  12. ↑ 1947: Invención del transistor de contacto puntual . Museo de Historia de la Computación . Recuperado: 10 Agosto 2019.
  13. ↑ Thompson, SE; Chau, RS; Ghani, T.; Mistry, K.; Tyagi, S.; Bohr, MT (2005). "En busca de 'Para siempre', el transistor continuó escalando un nuevo material a la vez". Transacciones IEEE sobre fabricación de semiconductores . 18 (1): 26-36. DOI : 10.1109/TSM.2004.841816 . ISSN  0894-6507 . En el campo de la electrónica, el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal plano (MOSFET) es quizás la invención más importante.
  14. ↑ Raymer, Michael G. The Silicon Web: física para la era de Internet . - CRC Press , 2009. - Pág. 365. - ISBN 978-1-4398-0312-7 .
  15. ↑ Wong, Kit Po. Ingeniería Eléctrica - Volumen II . - Publicaciones EOLSS , 2009. - Pág. 7. - ISBN 978-1-905839-78-0 .
  16. ↑ Chen, Wai Kai. El manual de ingeniería eléctrica . - Prensa Académica , 2005. - Pág. 101. - ISBN 0-12-170960-4 . . - "El ruido desde una perspectiva analógica (o de pequeña señal)...".
  17. ↑ Schertz, Paul. Electrónica práctica para inventores . - McGraw-Hill Education , 2006. - P. 730. - ISBN 0-07-145281-8 . . - “Para que los dispositivos analógicos… puedan comunicarse con los circuitos digitales…”.
  18. ↑ Williams, Jim. Diseño de circuitos analógicos . - Newnes, 1991. - Pág. 238. - ISBN 0-7506-9640-0 . . — “Incluso dentro de las empresas que producen productos tanto analógicos como digitales…”.
  19. ↑ Wilkinson B. Fundamentos del diseño de circuitos digitales. - Kyiv: Williams Publishing House, 2014. - 320 p.

Literatura

  • Kazakova I. A. Historia de la tecnología informática . - Penza: Editorial PGU, 2011. - 232 p.
  • Electrónica / A. I. Shokin // Gran Enciclopedia Soviética  : [en 30 volúmenes]  / cap. edición A. M. Projorov . - 3ra ed. - M.  : Enciclopedia soviética, 1969-1978.
  • Malyutin A. E., Filippov I. V. Historia de la electrónica . - Moscú: Libro de texto electrónico - RGRTA, 2006.
  • Titze U., Shenk K. Circuitos semiconductores. Por. con él. - Moscú: Mir, 1982. - 512 p. - ISBN 5-222-00417-1 .
  • Titze U., Shenk K. Circuitos semiconductores. 12ª edición. En 2 tomos. Libro de texto-referencia-enciclopedia. Por. con él. - Moscú: DMK Press, 2008.
  • Gates ED Introducción a la electrónica. - Rostov del Don: Phoenix, 1998. - 396 p. - ISBN 5-222-00417-1 .
  • Gorbachov G. N. Chaplygin E. E. Electrónica industrial / Ed. profe. V. A. Labuntsova. - Moscú: Energoatomizdat , 1988. - 320 p. — ISBN 5-283-00517-8 .
  • Grabowski B. Manual de electrónica. 2ª ed., rev. - Moscú: DMK Press, 2009. - 416 p. — ISBN 978-5-94074-472-6 .
  • Zherebtsov IP Fundamentos de la electrónica. 5ª ed. - L. : Energoatomizdat, 1989. - 352 p. — ISBN 5-283-04448-3 .
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