エレクトロニクス

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上部に大規模集積回路を備えた、プリント回路基板上の最新の表面実装電子部品。

エレクトロニクスの分野は、電子デバイスを使用して電子放出、動作、および影響を扱う物理学および電気工学の分野です。 [1]エレクトロニクスは、アクティブデバイスを使用して増幅整流によって電子の流れを制御します。これは、電流の流れ を制御するために抵抗静電容量インダクタンスなどの受動的な効果のみを使用する従来の電気工学とは異なります。

エレクトロニクスは現代社会の発展に大きな影響を与えてきました。 1897年の電子の識別は、小さな電気信号を増幅および整流できる真空管のその後の発明とともに、電子工学の分野と電子の時代を開始しました。[2]実用的なアプリケーションは、 1900年代初頭にアンブローズ・フレミングによるダイオードリー・ド・フォレストによる三極真空管の発明から始まり、無線アンテナからの無線信号などの小さな電圧を検出しました。非機械的装置で可能です。エレクトロニクスの成長は急速で、1920年代初頭までに商用ラジオ放送と通信が普及し、電子アンプは長距離電話や音楽録音業界などのさまざまなアプリケーションで使用されていました。

ソリッドステートエレクトロニクスが、1947年にウィリアムショックレーウォルターハウザーブラッテンジョンバーディーンによって発明された最初の実用的な半導体 トランジスタとともに登場したとき、次の大きな技術的ステップが現れるまでに数十年かかりました。真空管はもはや制御の唯一の手段ではありませんでした電子の流れ。その後、MOSFETMOSトランジスタ)は1959年に発明され、小型化と大量生産が可能な最初のコンパクトなトランジスタでした。これは、マイクロエレクトロニクスデジタル革命の出現において重要な役割を果たしました 今日、電子デバイスは、コンピュータ電気通信、および信号処理で広く使用されており、1つのチップ上に数百万のトランジスタを搭載した 集積回路を採用しています。

エレクトロニクスのブランチ

エレクトロニクスには次のような支店があります。

  1. デジタルエレクトロニクス
  2. アナログエレクトロニクス
  3. マイクロエレクトロニクス
  4. 回路設計
  5. 集積回路
  6. パワーエレクトロニクス
  7. オプトエレクトロニクス
  8. 半導体デバイス
  9. 組み込みシステム
  10. オーディオエレクトロニクス
  11. 電気通信
  12. ナノエレクトロニクス
  13. バイオエレクトロニクス

電子機器およびコンポーネント

1914年にDeForestによって建設された最も初期のAudionラジオ受信機の1つ。

電子部品は、電子システムの意図された機能と一致する方法で電子またはそれらの関連する場に影響を与えるために使用される電子システム内の任意の物理的実体です。コンポーネントは一般に、特定の機能(たとえば、増幅器無線受信機、または発振器)を備えた電子回路を作成するために、通常はプリント回路基板(PCB)にはんだ付けすることによって相互に接続することを目的としています。コンポーネントは、単独でパッケージ化することも、集積回路としてより複雑なグループにパッケージ化することもできます。いくつかの一般的な電子部品は、コンデンサインダクタ抵抗器ですダイオードトランジスタなど。コンポーネントは、多くの場合、アクティブ(トランジスタやサイリスタなど)またはパッシブ抵抗ダイオードインダクタコンデンサなど)に分類されます。[3]

電子部品の歴史

真空管(熱電子バルブ)は、最も初期の電子部品の1つでした[4] 。20世紀前半の電子革命のほとんどの責任を負っていました。[5] [6] 非常に複雑なシステムを可能にし、私たちに与えてくれました。ラジオテレビフォノグラフレーダー、長距離電話など。彼らは1980年代半ばまで、マイクロ波や高電力伝送、テレビ受信機の分野で主導的な役割を果たしました。[7] それ以来、ソリッドステートデバイスはほとんど完全に引き継がれています。真空管は、高出力RF増幅器ブラウン管、特殊オーディオ機器、ギターアンプ、一部のマイクロ波デバイスなど、一部の特殊用途で現在も使用されています

最初の動作点接触トランジスタは、1947年にベル研究所のジョンバーディーンウォルターハウザーブラッテンによって発明されました。 [8] 1955年4月、IBM 608は、真空管なしでトランジスタ回路を使用した最初のIBM製品であり、商用市場向けに製造された最初の全トランジスタ計算機。 [9] [10] 608には、3,000個を超えるゲルマニウムトランジスタが含まれていました。 トーマス・J・ワトソン・ジュニア将来のすべてのIBM製品に、設計にトランジスタを使用するように命令しました。それ以来、トランジスタはコンピュータロジックと周辺機器にほぼ独占的に使用されていました。しかし、初期の接合トランジスタは比較的かさばるデバイスであり、大量生産ベースで製造するのは困難であり、多くの特殊なアプリケーションに限定されていました。[11]

MOSFET(MOSトランジスタ)は、1959年にベル研究所でMohamedAtallaとDawonKahngによって発明されました。[ 12 ] [ 13] [14] [15] MOSFETは、小型化および大量生産が可能な最初の真にコンパクトなトランジスタでした。幅広い用途。[11]その利点には、高いスケーラビリティ[16]手頃な価格、[17]低消費電力、および高密度が含まれます。[18]それは電子産業に革命をもたらし[19] [20]世界で最も広く使用されている電子デバイスになりました。[14][21] MOSFETは、ほとんどの最新の電子機器の基本要素であり[22] [23]エレクトロニクス革命、 [24]マイクロエレクトロニクス革命、 [25]およびデジタル革命の中心となっています。[15] [26] [27]このように、MOSFETは現代の電子機器の誕生として認められており[28] [29]、おそらく電子機器における最も重要な発明である。[30]

回路の種類

回路とコンポーネントは、アナログとデジタルの2つのグループに分けることができます。特定のデバイスは、どちらか一方、または2つのタイプが混在する回路で構成されている場合があります。アナログとデジタルの両方の電子機器における重要な電子技術には、フィードバックの使用が含まれます。とりわけ、これにより、非常に線形なアンプを高ゲインで作成したり、レジスタ、コンピューター、発振器などのデジタル回路を作成したりすることができます。

アナログ回路

HitachiJ100可変周波数ドライブシャーシ

ラジオ受信機などのほとんどのアナログ電子機器は、いくつかのタイプの基本回路の組み合わせで構成されています。アナログ回路は、デジタル回路のように離散レベルではなく、連続した範囲の電圧または電流を使用します。

これまでに考案されたさまざまなアナログ回路の数は膨大です。特に、「回路」は単一のコンポーネントから数千のコンポーネントを含むシステムまで、あらゆるものとして定義できるためです。

アナログ回路は線形回路と呼ばれることもありますが、ミキサーや変調器などのアナログ回路では多くの非線形効果が使用されます。アナログ回路の良い例としては、真空管およびトランジスタ増幅器、動作増幅器、発振器などがあります。

完全にアナログである最新の回路を見つけることはめったにありません。最近のアナログ回路は、パフォーマンスを向上させるためにデジタルまたはマイクロプロセッサ技術を使用する場合があります。このタイプの回路は通常、アナログやデジタルではなく「ミックスドシグナル」と呼ばれます。

アナログ回路とデジタル回路は線形動作と非線形動作の両方の要素を持っているため、区別が難しい場合があります。例としては、連続範囲の電圧を取り込むが、デジタル回路のように2つのレベルのうちの1つだけを出力するコンパレータがあります。同様に、オーバードライブされたトランジスタ増幅器は、本質的に2つのレベルの出力を持つ制御されたスイッチの特性を引き継ぐことができます。実際、多くのデジタル回路は、この例と同様のアナログ回路のバリエーションとして実際に実装されています。結局のところ、現実の物理世界のすべての側面は本質的にアナログであるため、デジタル効果はアナログの動作を制限することによってのみ実現されます。

デジタル回路

デジタル回路は、いくつかの個別の電圧レベルに基づく電気回路です。デジタル回路はブール代数の最も一般的な物理的表現であり、すべてのデジタルコンピューターの基礎となっています。ほとんどのエンジニアにとって、「デジタル回路」、「デジタルシステム」、および「ロジック」という用語は、デジタル回路のコンテキストでは交換可能です。ほとんどのデジタル回路はバイナリシステムを使用しています「0」と「1」のラベルが付いた2つの電圧レベル。多くの場合、論理「0」は低電圧で「低」と呼ばれ、論理「1」は「高」と呼ばれます。ただし、一部のシステムは逆の定義を使用するか(「0」は「高」)、または電流ベースです。論理設計者は、設計を容易にするために適切と思われる場合、これらの定義をある回路から次の回路に逆にすることがよくあります。「0」または「1」としてのレベルの定義は任意です。

三元(3つの状態)ロジックが研究され、いくつかのプロトタイプコンピューターが作成されました。

コンピューター、電子時計、およびプログラマブルロジックコントローラー(産業プロセスの制御に使用)は、デジタル回路で構成されています。デジタルシグナルプロセッサは別の例です。

ビルディングブロック:

高度に統合されたデバイス:

放熱と熱管理

電子回路によって生成された熱は、即時の障害を防ぎ、長期的な信頼性を向上させるために放散する必要があります。熱放散は主に受動的な伝導/対流によって達成されます。より大きな散逸を達成するための手段には、空冷用のヒートシンクファン、および水冷などの他の形式のコンピュータ冷却が含まれます。これらの手法では、熱エネルギーの対流伝導、および放射を使用します

ノイズ

電子ノイズは、情報内容を不明瞭にする傾向のある有用な信号に重ね合わされた不要な妨害として定義されています[31] 。ノイズは、回路によって引き起こされる信号の歪みと同じではありません。ノイズはすべての電子回路に関連しています。ノイズは電磁的または熱的に発生する可能性があり、回路の動作温度を下げることで低減できます。ショットノイズなどの他の種類のノイズは、物理的特性の制限により除去できません。

エレクトロニクス理論

数学的方法は、電子工学の研究に不可欠です。電子機器に習熟するには、回路解析の数学にも習熟する必要があります。

回路解析は、特定のノードの電圧やネットワークの特定の分岐流れる電流など、未知の変数について一般的に線形システムを解く方法の研究ですこのための一般的な分析ツールは、SPICE回路シミュレータです。

電磁界理論 の研究と理解もエレクトロニクスにとって重要です。

エレクトロニクス研究室

電子理論の複雑な性質のため、実験室での実験は電子デバイスの開発の重要な部分です。これらの実験は、エンジニアの設計をテストまたは検証し、エラーを検出するために使用されます。歴史的に、電子機器ラボは物理空間に配置された電子機器と機器で構成されていましたが、最近ではCircuitLogixMultisimPSpiceなどの電子機器ラボシミュレーションソフトウェアに向かう傾向があります

コンピューター支援設計(CAD)

今日の電子技術者は、電源半導体(つまり、トランジスタなどの半導体デバイス)、および集積回路などの事前に製造されたビルディングブロックを使用して回路を設計 する能力を持っています。電子設計自動化ソフトウェアプログラムには、回路図キャプチャプログラムとプリント回路基板設計プログラムが含まれます。 EDAソフトウェアの世界で人気のある名前は、NI Multisim、Cadence(ORCAD)、EAGLE PCB and Schematic、Mentor(PADS PCB and LOGIC Schematic)、Altium(Protel)、LabCentre Electronics(Proteus)、gEDAKiCadと他の多く。

梱包方法

コンポーネントを接続する多くの異なる方法が長年にわたって使用されてきました。たとえば、初期の電子機器では、回路を構築するために木製のブレッドボードに取り付けられたコンポーネントを使用したポイントツーポイント配線がよく使用されていました。コードウッド構造ワイヤーラップは、使用された他の方法でした。現在、ほとんどの現代の電子機器は、FR4などの材料で作られたプリント回路基板、またはより安価な(そして耐久性の低い)合成樹脂接着紙(SRBP、パキソリン/パキソリン(商標)およびFR2としても知られています)を使用しています。茶色。電子機器の組み立てに関連する健康と環境への懸念は、特にヨーロッパ向けの製品で、近年ますます注目を集めています。

電子システム設計

電子システム設計は、携帯電話コンピュータなどの複雑な電子デバイスやシステムの学際的な設計問題を扱います主題は、電子システムの設計と開発(新製品開発)から、その適切な機能、耐用年数、廃棄の保証まで、幅広い範囲をカバーしています。[32]したがって、電子システムの設計は、ユーザーの 指定された要件を満たすために複雑な電子デバイスを定義および開発するプロセスです。

取り付けオプション

電気部品は通常、次の方法で取り付けられます。

エレクトロニクス産業

エレクトロニクス業界では、様々な分野から構成されています。エレクトロニクス産業全体の背後にある中心的な原動力は半導体産業セクターであり[33]、2018年の時点で年間売上高は4,810億ドルを超えています[34]最大の産業セクターはeコマースであり、2017年には29兆ドル以上を生み出しました[35]最も広く製造された電子機器がある金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ推定13と、(MOSFET)sextillionのMOSFETは1960年から2018年の間に製造された[36] 1960年代、米国のメーカーは、高品質の商品を低価格で生産できるソニー日立などの日本企業と競争することができませんでした。しかし、1980年代までに、米国のメーカーは半導体の開発と組み立ての世界的リーダーになりました。[37]

も参照してください

参考文献

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さらに読む

外部リンク