Введение. по дисциплине «Элементы электроники»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Элементы электроники»

Могилев, 2011

Введение

Электроника — наука о взаимодействии заряженных частиц с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств, работа которых основана на прохождении электрического тока в твёрдом теле, вакууме и газах.

Если электрический ток протекает в твердом теле, то имеет место полупроводниковая электроника, если в вакууме - вакуумная (ламповая) электроника, если в газе - ионная электроника. Сейчас 99 % составляет полупроводниковая электроника, поэтому уделим именно ей особое внимание.

Этапы развития электроники:

1 этап.К первому этапу относится изобретение в 1873 году русским инженером Ладыгиным лампы накаливания.

Открытие в 1874 году немецким ученым Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл-полупроводник. Использование этого эффекта русским изобретателем Поповым для детектирования радиосигнала позволило создать ему первый радиоприемник. Датой изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г. когда Попов выступил с докладом и демонстрацией на заседании физического отделения русского физико-химического общества в Петербурге. А 24 марта 1896 г. Попов передал первое радиосообщение на расстояние 350 м. Успехи электроники в этот период ее развития способствовали развитию радиотелеграфии. Одновременно разрабатывали научные основы радиотехники с целью упрощения устройства радиоприемника и повышения его чувствительности. В разных странах велись разработки и исследования различных типов простых и надежных обнаружителей высокочастотных колебаний — детекторов.

2 этап. Второй этап развития электроники начался с 1904 г. когда английский ученый Джон Флеминг сконструировал электровакуумный диод.

Основными частями диода являются два электрода находящиеся в вакууме. Металлический анод (А) и металлический катод (К) нагреваемый электрическим током до температуры при которой возникает термоэлектронная эмиссия. Электровакуумный диод обладает односторонней проводимостью, что используется при выпрямлении переменного тока.

В 1907 г. американский инженер Ли де Форест установил, что поместив между катодом (К) и анодом (А) металлическую сетку (с) и подавая на нее напряжение Vc можно управлять анодным током Ia практически без инерционно и с малой затратой энергии. Так появилась первая электронная усилительная лампа — триод.

3 этап. Третий период развития электроники — это период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов.

Идеи создания полевых транзисторов появились раньше, чем биполярных, но практически реализовать эти идеи не удавалось.

Первый полевой транзистор был запатентован в США в 1926/30 гг., 1928/32 гг. и 1928/33 гг. Лилиенфельд — автор этих патентов.

23 декабря 1947 г. сотрудниками лаборатории «Белл Телефон» — Бардиным и Браттейном, под руководством Шокли продемонстрирован работающий точечный биполярный транзистор. В 1956 г. удостоены Нобелевской премии.

4 этап.В 1960 году Роберт Нойс из фирмы Fairchild предложил и запатентовал идею монолитной интегральной схемы (Патент США 2981877) и применив планарную технологию изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы.

В июле 1968 г. Гордон Мур и Роберт Нойс уходят из отделения полупроводников фирмы Fairchild и 28 июня 1968 года организуют крохотную фирму Intel из двенадцати человек, которые арендуют комнатку в Калифорнийском городе Маунтин Вью.

Первый микропроцессор «Интел-4004» 1971 г. 2250 элементов. Складывал два 4-битных числа за 11 мкс.

Развитие серийного производства интегральных микросхем шло ступенями:

1960—1969 гг. — интегральные схемы малой степени интеграции, 10² транзисторов на кристалле размером 0,25 x 0,5 мм (МИС).

1969—1975 гг. — интегральные схемы средней степени интеграций, 10³ транзисторов на кристалле (СИС).

1975—1980 гг. — интегральные схемы с большой степенью интеграции, 10⁴ транзисторов на кристалле (БИС).

1980—1985 гг. — интегральные микросхемы со сверх большой степенью интеграции, 10⁵ транзисторов на кристалле (СБИС).

С 1985 г. — интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции, 10⁷ и более транзисторов на кристалле (УБИС).

Целью преподавания дисциплины «Элементы электроники» является углубление, закрепление, конкретизация и систематизация знаний, полученных при изучении дисциплины «Физические основы электроники». В процессе изучения дисциплины будут рассмотрены полупроводниковые приборы, применяемые в электронных устройствах автомобилей и тракторов, а также простейшие дискретные электронные схемы, являющиеся основой построения различных более сложных электронных схем и микросхем, как аналоговых, так и цифровых.

Эффективное применение электронных приборов и интегральных микросхем невозможно без знания их устройства, принципа действия и основных параметров.

Поэтому основные задачи дисциплины – научить студента глубоко понимать сущность явлений, происходящих в электронных приборах, применять их для создания систем управления автомобилей и тракторов, используя современную вычислительную технику; экспериментально исследовать электронные приборы на лабораторных установках.

Улучшение эксплуатационных свойств автомобиля достигается применением электронных систем, обладающих следующими функциями: управление работой двигателя, агрегатов автомобиля; отображение информации водителю, пассажирам, пешеходам, водителям других автомобилей; хранение информации; приема информации в автомобиль от внешних информационно-управляющих дорожных систем; передачи информации из автомобиля.

Наибольшее распространение получили функции управления и отображения информации. Электронные системы управляют работой двигателя, трансмиссии, ходовой части, рулевого управления, тормозной системы, кузова, системы электропитания и коммуникаций.

Все более популярными становятся электронные системы для отображения информации. Визуальные индикаторы показывают цифровые значения множества разнообразных параметров: от традиционных (например, скорость движения и частота вращения коленчатого вала) до не применявшихся ранее (например, на автомобилях фирмы "Форд" индицируется момент воспламенения смеси в каждом цилиндре). Значение параметра кодируется яркостью, длиной и шириной линии и т.п. После сообщения водителю о наступлении события (например, неисправности в какой либо системе), система "рекомендует" водителю целесообразные действия по устранению неисправности.

В результате быстрого совершенствования параметров полупроводниковых устройств, используемых при разработке микроЭВМ, стали вполне достижимыми высокая надежность, низкая себестоимость и малые размеры систем автомобильной электроники. Сегодня электроника в автомобиле играет роль одного из главных элементов систем управления. Она подразделяется на три части: систему управления двигателем и трансмиссией, систему управления ходовой частью (управление подвеской; стабилизация заданной скоростью движения; регулирование рулевого управления; блокировка колес при торможении) и систему оборудования салона (кондиционер; электронная панель приборов; многофункциональная информационная система; навигационная система).

Кроме перечисленных систем, за последнее время добавились системы предупреждения столкновения (в том числе и локационные системы), системы безопасности (в том числе и управление подушками безопасности), радиотелефоны (в том числе и для сотовой связи) и т.д.