Électronique - Electronics

Composants électroniques montés en surface

L'électronique comprend la physique , l' ingénierie , la technologie et les applications qui traitent de l'émission, du flux et du contrôle des électrons dans le vide et la matière . Il utilise des dispositifs actifs pour contrôler le flux d'électrons par amplification et rectification , ce qui le distingue de l' électrotechnique classique qui utilise des effets passifs tels que la résistance , la capacité et l' inductance pour contrôler le flux de courant .

L'électronique a eu un effet majeur sur le développement de la société moderne. L'identification de l'électron en 1897, ainsi que l'invention ultérieure du tube à vide qui pouvait amplifier et rectifier les petits signaux électriques, inaugurèrent le domaine de l'électronique et l'ère des électrons. Cette distinction a commencé vers 1906 avec l'invention par Lee De Forest de la triode , qui a rendu possible l' amplification électrique des signaux radio faibles et des signaux audio avec un dispositif non mécanique. Jusqu'en 1950, ce domaine était appelé « technologie radio » parce que sa principale application était la conception et la théorie des émetteurs radio , des récepteurs et des tubes à vide .

Le terme « électronique à semi-conducteurs » est apparu après que le premier transistor fonctionnel a été inventé par William Shockley , Walter Houser Brattain et John Bardeen aux Bell Labs en 1947. Le MOSFET ( transistor MOS ) a ensuite été inventé par Mohamed Atalla et Dawon Kahng aux Bell Labs. en 1959. Le MOSFET était le premier transistor vraiment compact qui pouvait être miniaturisé et produit en série pour un large éventail d'utilisations, révolutionnant l' industrie électronique et jouant un rôle central dans la révolution microélectronique et la révolution numérique . Le MOSFET est depuis devenu l'élément de base de la plupart des équipements électroniques modernes et est l'appareil électronique le plus utilisé dans le monde.

L'électronique est largement utilisée dans le traitement de l'information , les télécommunications et le traitement du signal . La capacité des appareils électroniques à agir comme des commutateurs rend possible le traitement de l'information numérique. Les technologies d'interconnexion telles que les cartes de circuits imprimés , la technologie d'emballage électronique et d'autres formes variées d'infrastructure de communication complètent les fonctionnalités du circuit et transforment les composants électroniques mixtes en un système de travail normal , appelé système électronique ; des exemples sont les ordinateurs ou les systèmes de contrôle . Un système électronique peut être un composant d'un autre système technique ou un appareil autonome. Depuis 2019, la plupart des appareils électroniques utilisent des composants semi-conducteurs pour effectuer le contrôle des électrons. Généralement, les appareils électroniques contiennent des circuits constitués de semi-conducteurs actifs complétés par des éléments passifs ; un tel circuit est qualifié de circuit électronique . L'électronique traite des circuits électriques qui impliquent des composants électriques actifs tels que des tubes à vide , des transistors , des diodes , des circuits intégrés , de l' optoélectronique et des capteurs , des composants électriques passifs associés et des technologies d'interconnexion. Le comportement non linéaire des composants actifs et leur capacité à contrôler les flux d'électrons rendent possible l'amplification de signaux faibles.

L'étude des dispositifs à semi - conducteurs et de la technologie connexe est considérée comme une branche de l'électronique à l'état solide .

Branches de l'électronique

L'électronique a des branches comme suit:

  1. Electronique numérique
  2. Electronique analogique
  3. Microélectronique
  4. Conception de circuits
  5. Circuits intégrés
  6. Electronique de puissance
  7. Optoélectronique
  8. Dispositifs semi-conducteurs
  9. Systèmes embarqués
  10. Électronique audio
  11. Télécommunications
  12. Nanoélectronique
  13. Bioélectronique

Appareils et composants électroniques

L'un des premiers récepteurs radio Audion , construit par De Forest en 1914.
Technicien en électronique effectuant un contrôle de tension sur une carte de circuit d'alimentation dans la salle d'équipement de navigation aérienne à bord du porte-avions USS Abraham Lincoln (CVN-72) .

Un composant électronique est toute entité physique dans un système électronique utilisée pour affecter les électrons ou leurs champs associés d'une manière compatible avec la fonction prévue du système électronique. Les composants sont généralement destinés à être connectés entre eux, généralement en étant soudés à une carte de circuit imprimé (PCB), pour créer un circuit électronique avec une fonction particulière (par exemple un amplificateur , un récepteur radio ou un oscillateur ). Les composants peuvent être emballés individuellement ou en groupes plus complexes sous forme de circuits intégrés . Certains composants électroniques courants sont les condensateurs , les inductances , les résistances , les diodes , les transistors , etc. Les composants sont souvent classés comme actifs (par exemple, transistors et thyristors ) ou passifs (par exemple, résistances , diodes , inductances et condensateurs ).

Histoire des composants électroniques

Les tubes à vide (vannes thermoioniques) ont été parmi les premiers composants électroniques. Ils étaient presque les seuls responsables de la révolution électronique de la première moitié du vingtième siècle. Ils ont permis des systèmes beaucoup plus compliqués et nous ont donné la radio , la télévision , les phonographes , le radar , la téléphonie longue distance et bien plus encore. Ils ont joué un rôle de premier plan dans le domaine des micro-ondes et de la transmission à haute puissance ainsi que des récepteurs de télévision jusqu'au milieu des années 1980. Depuis lors, les appareils à semi-conducteurs ont presque complètement pris le relais. Les tubes à vide sont encore utilisés dans certaines applications spécialisées telles que les amplificateurs RF haute puissance , les tubes à rayons cathodiques , les équipements audio spécialisés, les amplificateurs de guitare et certains appareils à micro-ondes .

Le premier transistor de point de contact fonctionnel a été inventé par John Bardeen et Walter Houser Brattain aux Bell Labs en 1947. En avril 1955, l' IBM 608 a été le premier produit IBM à utiliser des circuits de transistor sans tubes à vide et est considéré comme le premier tout -transistorized calculatrice à fabriquer pour le marché commercial. Le 608 contenait plus de 3 000 transistors au germanium . Thomas J. Watson Jr. a ordonné à tous les futurs produits IBM d'utiliser des transistors dans leur conception. A partir de cette époque, les transistors ont été presque exclusivement utilisés pour la logique informatique et les périphériques. Cependant, les premiers transistors à jonction étaient des dispositifs relativement volumineux qui étaient difficiles à fabriquer en série , ce qui les limitait à un certain nombre d'applications spécialisées.

Le MOSFET (transistor MOS) a été inventé par Mohamed Atalla et Dawon Kahng aux Bell Labs en 1959. Le MOSFET a été le premier transistor vraiment compact qui pouvait être miniaturisé et produit en série pour un large éventail d'utilisations. Ses avantages incluent une évolutivité élevée , un prix abordable, une faible consommation d'énergie et une densité élevée . Il a révolutionné l' industrie électronique , devenant l'appareil électronique le plus utilisé au monde. Le MOSFET est l'élément de base de la plupart des équipements électroniques modernes et a été au cœur de la révolution électronique, de la révolution microélectronique et de la révolution numérique . Le MOSFET a donc été crédité comme la naissance de l'électronique moderne, et peut-être l'invention la plus importante en électronique.

Types de circuits

Les circuits et composants peuvent être divisés en deux groupes : analogiques et numériques. Un dispositif particulier peut être constitué de circuits qui ont l'un ou l'autre ou un mélange des deux types. Une technique électronique importante dans l'électronique analogique et numérique implique l'utilisation de la rétroaction . Entre autres choses, cela permet de fabriquer des amplificateurs très linéaires à gain élevé et des circuits numériques tels que des registres, des ordinateurs et des oscillateurs.

Circuits analogiques

Châssis de variateur de fréquence Hitachi J100

La plupart des appareils électroniques analogiques , tels que les récepteurs radio , sont construits à partir de combinaisons de quelques types de circuits de base. Les circuits analogiques utilisent une plage continue de tension ou de courant par opposition aux niveaux discrets comme dans les circuits numériques.

Le nombre de circuits analogiques différents conçus jusqu'à présent est énorme, en particulier parce qu'un «circuit» peut être défini comme n'importe quoi, d'un seul composant à des systèmes contenant des milliers de composants.

Les circuits analogiques sont parfois appelés circuits linéaires bien que de nombreux effets non linéaires soient utilisés dans les circuits analogiques tels que les mélangeurs, les modulateurs, etc. De bons exemples de circuits analogiques incluent les amplificateurs à tube à vide et à transistors, les amplificateurs opérationnels et les oscillateurs.

On trouve rarement des circuits modernes entièrement analogiques. De nos jours, les circuits analogiques peuvent utiliser des techniques numériques ou même des microprocesseurs pour améliorer les performances. Ce type de circuit est généralement appelé « signal mixte » plutôt qu'analogique ou numérique.

Parfois, il peut être difficile de faire la différence entre les circuits analogiques et numériques car ils ont des éléments de fonctionnement à la fois linéaire et non linéaire. Un exemple est le comparateur qui prend une plage continue de tension mais ne sort qu'un des deux niveaux comme dans un circuit numérique. De même, un amplificateur à transistors saturé peut adopter les caractéristiques d'un commutateur commandé ayant essentiellement deux niveaux de sortie. En fait, de nombreux circuits numériques sont en fait implémentés sous forme de variantes de circuits analogiques similaires à cet exemple - après tout, tous les aspects du monde physique réel sont essentiellement analogiques, de sorte que les effets numériques ne sont réalisés qu'en contraignant le comportement analogique.

Circuits numériques

Les circuits numériques sont des circuits électriques basés sur un certain nombre de niveaux de tension discrets. Les circuits numériques sont la représentation physique la plus courante de l'algèbre booléenne et constituent la base de tous les ordinateurs numériques. Pour la plupart des ingénieurs, les termes « circuit numérique », « système numérique » et « logique » sont interchangeables dans le contexte des circuits numériques. La plupart des circuits numériques utilisent un système binaire avec deux niveaux de tension étiquetés "0" et "1". Souvent, le « 0 » logique sera une tension inférieure et sera appelé « Bas » tandis que le « 1 » logique est appelé « Élevé ». Cependant, certains systèmes utilisent la définition inverse ("0" est "Élevé") ou sont basés sur le courant. Très souvent, le concepteur logique peut inverser ces définitions d'un circuit à l'autre comme il l'entend pour faciliter sa conception. La définition des niveaux comme "0" ou "1" est arbitraire.

La logique ternaire (à trois états) a été étudiée et quelques prototypes d'ordinateurs ont été fabriqués.

Les ordinateurs , les horloges électroniques et les contrôleurs logiques programmables (utilisés pour contrôler les processus industriels) sont constitués de circuits numériques . Les processeurs de signaux numériques sont un autre exemple.

Blocs de construction:

Appareils hautement intégrés :

Dissipation thermique et gestion thermique

La chaleur générée par les circuits électroniques doit être dissipée pour éviter une défaillance immédiate et améliorer la fiabilité à long terme. La dissipation thermique est principalement réalisée par conduction/convection passive. Les moyens d'obtenir une plus grande dissipation comprennent des dissipateurs thermiques et des ventilateurs pour le refroidissement par air, ainsi que d'autres formes de refroidissement des ordinateurs telles que le refroidissement par eau . Ces techniques utilisent la convection , la conduction et le rayonnement de l'énergie thermique .

Bruit

Le bruit électronique est défini comme des perturbations indésirables superposées à un signal utile qui tendent à obscurcir son contenu informationnel. Le bruit n'est pas la même chose que la distorsion du signal causée par un circuit. Le bruit est associé à tous les circuits électroniques. Le bruit peut être généré électromagnétiquement ou thermiquement, ce qui peut être diminué en abaissant la température de fonctionnement du circuit. D'autres types de bruit, tels que le bruit de grenaille, ne peuvent pas être supprimés car ils sont dus à des limitations des propriétés physiques.

Théorie de l'électronique

Les méthodes mathématiques font partie intégrante de l'étude de l'électronique. Pour maîtriser l'électronique, il est également nécessaire de maîtriser les mathématiques de l'analyse des circuits.

L'analyse de circuit est l'étude des méthodes de résolution de systèmes généralement linéaires pour des variables inconnues telles que la tension à un certain nœud ou le courant à travers une certaine branche d'un réseau . Un outil analytique courant pour cela est le simulateur de circuit SPICE .

L'étude et la compréhension de la théorie des champs électromagnétiques sont également importantes pour l'électronique .

Laboratoire d'électronique

En raison de la nature complexe de la théorie électronique, l'expérimentation en laboratoire est une partie importante du développement des dispositifs électroniques. Ces expériences sont utilisées pour tester ou vérifier la conception de l'ingénieur et détecter les erreurs. Historiquement, les laboratoires d'électronique se composaient d'appareils et d'équipements électroniques situés dans un espace physique, bien que ces dernières années, la tendance ait été aux logiciels de simulation de laboratoire d'électronique, tels que CircuitLogix , Multisim et PSpice .

Conception Assistée par Ordinateur (CAO)

Les ingénieurs en électronique d'aujourd'hui ont la capacité de concevoir des circuits à l' aide de blocs de construction préfabriqués tels que des alimentations , des semi - conducteurs (c'est-à-dire des dispositifs à semi-conducteurs, tels que des transistors ) et des circuits intégrés . Les programmes logiciels d' automatisation de la conception électronique comprennent des programmes de capture de schémas et des programmes de conception de cartes de circuits imprimés . Les noms populaires dans le monde des logiciels EDA sont NI Multisim, Cadence ( ORCAD ), EAGLE PCB and Schematic, Mentor (PADS PCB et LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA , KiCad et bien d'autres.

Méthodes d'emballage

De nombreuses méthodes différentes de connexion des composants ont été utilisées au fil des ans. Par exemple, les premiers appareils électroniques utilisaient souvent un câblage point à point avec des composants attachés à des planches à pain en bois pour construire des circuits. La construction en bois de corde et l' enroulement de fil étaient d'autres méthodes utilisées. La plupart des appareils électroniques modernes utilisent maintenant des cartes de circuits imprimés constituées de matériaux tels que le FR4 ou le papier collé à base de résine synthétique moins cher (et moins résistant) ( SRBP , également connu sous le nom de Paxoline/Paxolin (marques déposées) et FR2) - caractérisé par son Couleur marron. Les problèmes de santé et d'environnement associés à l'assemblage électronique ont suscité une attention accrue ces dernières années, en particulier pour les produits destinés à l'Europe.

Conception de systèmes électroniques

La conception de systèmes électroniques traite des problèmes de conception multidisciplinaires d'appareils et de systèmes électroniques complexes, tels que les téléphones portables et les ordinateurs . Le sujet couvre un large spectre, allant de la conception et du développement d'un système électronique ( développement de nouveaux produits ) à la garantie de son bon fonctionnement, de sa durée de vie et de son élimination . La conception de systèmes électroniques est donc le processus de définition et de développement de dispositifs électroniques complexes pour satisfaire les exigences spécifiées de l'utilisateur.

Options de montage

Les composants électriques sont généralement montés de la manière suivante :

Industrie électronique

L' industrie électronique se compose de divers secteurs. Le principal moteur de l'ensemble de l'industrie électronique est le secteur de l' industrie des semi - conducteurs , qui a réalisé un chiffre d'affaires annuel de plus de 481 milliards de dollars en 2018. Le plus grand secteur industriel est le commerce électronique , qui a généré plus de 29 000 milliards de dollars en 2017. L' appareil électronique le plus fabriqué. est le transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET), avec environ 13 sextillions de MOSFET fabriqués entre 1960 et 2018. Dans les années 1960, les fabricants américains étaient incapables de rivaliser avec des sociétés japonaises telles que Sony et Hitachi qui pouvaient produire produits de haute qualité à des prix inférieurs. Dans les années 1980, cependant, les fabricants américains sont devenus les leaders mondiaux du développement et de l'assemblage de semi-conducteurs.  

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes