Раздел 1 электронные приборы

Э л е к т р о н н а я т е х н и к а

                     У ч е б н о е п о с о б и е

                                                       Пермь 2020

СОДЕРЖАНИЕ

               ПРЕДИСЛОВИЕ

Содержание настоящего учебного пособия соответствует программе курса «Электронная техника». В основу пособия положен многолетний опыт преподавания курса в Пермском радиотехническом колледже имени Попова А.С. (ПРК).

В пособии  освещаются устройство, физические процессы, характерис-тики, параметры и простейшие схемы применения основных электронных приборов, используемых в различных электронных устрой-ствах. Здесь рассматриваются также электронные приборы для сверх-высоких частот (СВЧ), различные виды усилителей и генераторов, а также некоторые устройства импульсной техники.

Автор выражает глубокую благодарность преподавателям: кандидату технических наук Ширяеву Ю. Н., а также Богданову А.Н. за ценные замечания и полезные советы. Кроме того, автор выражает благодарность товарищам по работе за их критические высказывания, помощь и под-держку.

                                                                                   Автор

   Лекция 1  ВВЕДЕНИЕ

Радиоэлектроника как отрасль науки и техники сформировалась в середине ХХ столетия в результате слияния радиотехники и электроники.

Радиотехника занимается изучением электромагнитных  колебаний и волн, а также их использованием для передачи и приёма сигналов информации. Самостоятельными направлениями радиотехники, основанными на единых методах и технических средствах, являются радиосвязь и телевидение, радиолокация и радионавигация, автоматика и вычислительная техника, радиоуправление и радиотелеметрия.

Электроника  изучает взаимодействие электронов и электромагнитных полей, являющееся физической основой работы электровакуумных, газоразрядных (ионных) и полупроводниковых приборов, интегральных микросхем (ИМС) и операционных усилителей (ОУ).

Развитие радиоэлектроники в ХХ веке было подготовлено трудами нескольких поколений великих учёных – физиков и математиков, работавших во второй половине ХVIII века. Основоположниками радиоэлектроники с полным правом можно считать Кулона (1736 – 1806), Фарадея (1791 – 1867),  Максвелла (1831 – 1879), Герца (1857 – 1894), Попова (1859 – 1906), Маркони (1874 – 1937).

Так, первые радиотехнические эксперименты, выполненные Герцем в 1886 году, полностью согласовывались с теоретическими выводами Максвелла о том, что распространение электромагнитной энергии происходит со скоростью света в виде электромагнитных волн. В 1897 году Попов, осуществив радиосвязь между двумя кораблями, практически подтвердил теорию. При этом используемая Поповым радиоаппаратура имела антенны, элементы настройки приёмника на частоту передатчика и выходные приборы.

В 1904 году для детектирования электрических сигналов был применён, незадолго до этого изобретённый, электровакуумный диод, а в 1906 году в результате введения в диод сетки был создан триод – электронная лампа, способная усиливать электрический сигнал.

В 1924 году был разработан и изготовлен тетрод – электронная лампа с двумя сетками, обладающая более широким частотным диапазоном и лучшими параметрами, чем триод. В 1931 году был создан пентод, прибор, имеющий три сетки.

По современной классификации радиоэлектронную аппаратуру (РЭА),  выполненную на электронных лампах относят к первому поколению.

Большую роль в развитии ламповой техники сыграли русские и советские учёные первой половины ХХ века. Так в 1914 году под руко-водством Папалекси были созданы электронные лампы для усиления и генерирования электрических колебаний, а в 1921 году Бонч – Бруевич впервые в мире разработал мощные генераторные лампы с медным анодом, охлаждаемым водой. Одновременно разрабатывалась теория мощных электронных генераторов и радиопередатчиков, не утратившая своего значения и сегодня. Особые заслуги в этих работах принадлежат Шулейкину и Бергу.

В 1907 году Розинг высказал идеи, лежащие в основе современных систем электронного телевидения, которые были реализованы после разработки и изготовления Рожанским в 1911 году одной из первых электронно-лучевых трубок (ЭЛТ).

В 1931 году под руководством Рожанского был разработан и изготовлен первый клистрон, а в 1935 году Алексеевым и Маляровым был изготовлен магнетрон. До настоящего времени клистроны и маг-нетроны являются основными приборами, используемыми в радиолока-ции для генерирования мощных колебаний в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн.

Новые открытия в радиоэлектронике были сделаны вскоре после второй Мировой войны.

Так в 1948 году американские учёные Бардин и Браттейн открыли транзисторный эффект  и получили первый точечный транзистор, в 1949 – 1950 годах американский физик Шокли разработал и изготовил плоскостной биполярный транзистор, а в 1952 году – полевой (униполярный) транзистор.

Несколько позже были разработаны  и стали широко использоваться тиристоры – полупроводниковые приборы, коммутирующие мощные электрические цепи под действием маломощного сигнала управления, туннельные диоды – приборы предназначенные для усиления и генерирования электрических колебаний, полупроводниковые стабилитроны, превосходящие по многим параметрам газоразрядные стабилитроны, варикапы – полупроводниковые конденсаторы, управляемые электрическим сигналом, варисторы – нелинейные полупроводниковые резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения, оптроны, объединяющие источник и приёмник света, светоизлучающие диоды, преобразующие электрические сигналы в видимое или инфракрасное излучение, а также электровакуумные, газоразрядные и полупроводниковые приборы, служащие для отображения сигналов информации.

Радиоэлектронную аппаратуру, выполненную на транзисторах, относят к аппаратуре второго поколения.

В пятидесятые годы были разработаны ИМС, представляющие собой функционально законченные изделия – усилители, генераторы, логические элементы и другие. Использование ИМС позволило резко сократить габариты и массу РЭА, повысить её надёжность и экономичность по сравнению с РЭА первого и второго поколений.

РЭА, выполненная на ИМС, относится к аппаратуре третьего поколения.

Разработка и производство больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных микросхем   в значительной степени изменили подход к созданию РЭА различного назначения. БИС и СБИС, многократно увеличивающие плотность монтажа РЭА, не могут рассматриваться как совокупность множества полупроводниковых приборов и других элементов, а являются едиными функционально законченными устройствами, возможности которых не ограничены.

РЭА, выполненная на БИС и СБИС, относится к аппаратуре четвёртого поколения.

Дальнейшее развитие радиоэлектроники  обусловлено совершенствованием элементной базы и разработкой на её основе персональных компьютеров (ПК) пятого поколения, быстродействие которых будет достигать сотен миллиардов операций в секунду. Ввод информации в такие ПК на естественном языке значительно упростит общение человека с машиной.

Проектируются сверхвысокопроизводительные ПК и их сети, что в значительной степени расширит возможности коллективного и между-народного пользования базами данных, хранящихся в национальных системах памяти, обмена этими данными и вычислительными мощностями.

Дальнейшим развитием электронных приборов станет применение приборов созданных на основе нанотехнологий. Приборы и аппаратура, созданные на основе нанотехнологий, будут относиться к аппаратуре пятого поколения. Интерес к этой области связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями, так и с перспективами создания на основе открытых уже явлений новых квантовых устройств и систем с широкими функциональными возможностями для оптоэлектроники, измерительной техники и информационных технологий нового поколения, средства связи, и прочее.

Раздел 1   ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ