導入
エレクトロニクスは応用物理学の分野であり、その動作が電子の流れに依存する「低電流デバイス」を扱います。
「電子」という形容詞は、電子に関連するものを指します。
エレクトロニクス応用の始まりは、一般に 1904 年の電子管の発明に遡ります。
エレクトロニクスを利用したデバイスの成功とその日常生活への影響により、一般の人々はエレクトロニクスをコンピューティングだけでなくサイバネティクス(自動化の科学) と混同することがよくあります。
意味
エレクトロニクスは技術科学または工学科学であり、情報やエネルギーを運ぶ電気信号、つまり電流や電圧の処理を実行する構造を研究および設計します。
この定義では、情報の概念は最も広い意味で考慮されます。情報は、以下に応じてリアルタイムで進化できるあらゆる量 (温度、音、速度などの物理的なもの、または画像、コードなどの抽象的なもの) を指します。事前に知られていなかった法律に。
すべてのオートメーション システムと同様に、電子システムは 2 つの部分で設計されることがよくあります。
情報を処理する古典的な電子システムでは、情報は電圧または電流によってコード化されます。電子アプリケーションは、厳密には情報処理か制御かという、目的とする行為の目的に応じて細分化できます。 1 つ目は、IT、電気通信、測定 (情報の収集と保存) などの分野です。
制御アプリケーションの目的は、自然システムまたは技術システムの動作を制御することです。制御には一般に、1 つまたは複数の制御パラメータを測定し、それをモデルまたは目標値と比較し、エラーが発生した場合には修正命令を生成することが含まれます (多くの電子システムの基礎におけるフィードバックの原理)。したがって、コントロールは一連の信号処理操作とみなすことができます。これは、上記の一般的な定義を指します。
エレクトロニクス分野
エレクトロニクスは、処理される信号の種類、アプリケーションの種類、さらにはシステム全体で研究される要素が占める階層レベルによって区別される一連の分野です。
信号の種類
導入
エレクトロニクスの目的は、いわゆる電子信号をハードウェア コンポーネント (場合によっては内部ソフトウェアの実装を伴う) で処理することです。信号は、与えられた物理量を十分に満足に表すと考えられ、処理される情報を運ぶ量です。一般的には電圧や電流ですが、電界や磁界の場合もあります。
従来、信号は主に 3 つのタイプに分類されます。
- アナログ信号
- デジタル信号
- 電力信号
この信号をどのように考慮するか、そしてそれをどのように使用したいかによって異なります。
信号を 2 つのコンポーネントに分解することも一般的です。
信号 = 有用な信号 +ノイズ有用な信号は、求められる情報を含む信号の一部であり、ノイズは、この有用な部分を変更するすべての外乱です。したがって、この分割は任意であり、目的の用途に関連付けられています。
アナログ信号
この分野は、アナログ信号の連続処理、つまり、時間の経過とともに継続的に進化し、そのようにみなされる信号 (有限数の状態のみを考慮する離散化またはデジタル化された信号とは対照的) に興味を持っています。したがって、それらは連続 (または区間連続) 値空間に属する値を取ることができます。ほとんどの物理システムは、物理量 (温度など) が継続的に変化することが多いためです。
アナログの分野は伝統的にいくつかのサブフィールドに分割されています。
後者では、情報の保存や変数による積や除算の実行は許可されません。このため、処理遅延が発生しますが、デジタル信号処理がアナログ処理に置き換わることもあります。
デジタル信号
対照的に、デジタル エレクトロニクスは、値空間が離散的である信号の処理に関係します。したがって、これらの信号が取り得る値の数は限られています。これらは 2 進数でエンコードされます。最も単純なケースでは、デジタル信号は 1 と 0 の 2 つの値のみを取ることができます。デジタル電子機器は、特にマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラーを含むシステムで使用されます。たとえば、コンピュータは主にデジタル電子機器で構成されるデバイスです。
現在、回路の開発を容易にし、より良い統合とより大きな使用の柔軟性を提供するために、デジタル信号処理がアナログ信号処理にますます置き換えられています。民生用アプリケーションでは、この発展は、アナログ電子機器が長い間普及していたオーディオおよびビデオ (ビデオカメラ、テレビ) の分野で特に顕著です。写真の場合は、信号取得が以前は電子的ではなく化学的であったという点で少し異なります。一方で、離散値は物理的に存在しないため、特に高周波ではアナログ電子現象がデジタル回路で発生する可能性があることを忘れてはなりません。さらに、測定や増幅などの特定の機能は本質的にアナログであり、デジタルになることはありません。センサーは圧倒的にアナログです。
デジタル信号も時間的には離散的な信号であるため、回路のさまざまな部分を相互に同期させるために、一般に水晶発振器（クロック）が使用されます。 1 つ (または複数) のクロックによって制御される回路は、同期回路と呼ばれます。デジタル回路の周波数(またはクロック周波数) はヘルツ(Hz) で表され、 1 秒あたりの値の可能な状態変化の数を表します。ただし、回路のさまざまな部分が制御信号の交換 (「ハンドシェイク」と呼ばれます) によって相互に同期されるように回路の動作を構成すれば、非同期(クロックから独立して) 動作することは完全に可能です。次に、非同期エレクトロニクスについて話します。
混合エレクトロニクス
また、混合エレクトロニクスについても説明します。これは、デジタル信号とアナログ信号が共存するシステムです。この分野に特有のモジュールは、アナログ – デジタル コンバーター (ADC) とデジタル – アナログ コンバーター (DAC) です。これらにより、アナログ信号からデジタル信号への変換、またはその逆の変換が可能になり、純粋なアナログ モジュール (センサーなど) と純粋なデジタル モジュール間のインターフェイスが作成されます。
たとえば、デジタル表示温度計は、温度 (アナログ量) を取得し、その値を測定し、それをデジタル シーケンスにエンコードして、画面に表示します。したがって、最初の 2 つの操作はアナログ電子モジュールによって実行され、3 番目の操作にはアナログ – デジタル変換が必要で、最後の操作にはデジタル処理が含まれます。
電力信号
パワー エレクトロニクスは、電気信号に含まれる情報に主に関心を持つ他の電子分野とは異なり、電気信号に含まれるエネルギーに焦点を当てる一連の技術です。目的は、電気エネルギーの制御または変換です。パワー エレクトロニクスで処理される電力範囲は、数マイクロワットから数メガワットまで変化します。
パワー エレクトロニクスは、電気エネルギーの形式を変更するデバイス (コンバーター) とトランスデューサー デバイス (最も一般的にはタービンと電気モーター) に依存しています。パワー エレクトロニクスの応用分野は家庭用および産業用電気工学であり、古い電気機械ソリューションに取って代わります。
研究対象の階層
アプリケーションとは独立して、特定のエレクトロニクス分野は、電子システムの階層内で研究対象が占める位置に応じて定義されます。
コンポーネントの物理学
最下位レベルにはコンポーネント、つまり電子デバイスがあります。基本的な電子部品の設計と研究に関係する分野は「部品物理学」と呼ばれます。これは、コンポーネントの製造に必要なすべての知識とツールをまとめた技術的なノウハウに関連しています。したがって、私たちは「電子技術」について話します。電子部品の技術および物理の分野では、主に固体物理学や化学プロセスなどの基礎科学のスキルが求められます。これらの活動はエレクトロニクスにとって不可欠ですが、信号処理工学としてのエレクトロニクスとはほとんど関係がありません。むしろ基礎物理学の世界からエレクトロニクスの応用科学への入り口として考える必要があります。電子機器の基本部品は、トランジスタ、抵抗、コンデンサ、ダイオードなどです。
電子工学
電子回路はエレクトロニクス科学の主な研究対象です。電子回路は、関連するいくつかの電子コンポーネントを含むシステムです。回路という言葉は、相互接続されたコンポーネント内を循環する電流によって処理が実行されるという事実に由来しています。電子回路の性質を研究する分野は「回路理論」と呼ばれます。回路に基づいて特定の処理機能を実現する方法論を研究する学問を「電子回路設計」といいます。現代の電子システムは、何億もの基本コンポーネントで構成されています。このため、電子回路工学は、数十のコンポーネントを必要とする比較的単純な機能 (またはモジュール) の作成にのみ関心があります。
電子回路の規模
前の分類は、考慮する電子回路のサイズに応じた分類と重複します。
真空管エレクトロニクス
その名前が示すように、基本的な能動部品 (真空ダイオード、三極管、四極管、五極管など) として真空管、または電子管を使用します。現在、テレビ受信機の陰極線管や非常に高出力の無線送信機の特定の部品の形で残っているものはほとんどなく、これらの陰極線管も消滅しつつあります。しかし、オーディオ、特にギターアンプには真空管の技術が残っています。
最も単純な構成 (ダイオード) の真空管は、真空が作られたガラス管内に設置されたカソードとアノードと呼ばれる 2 つの電極で構成されています。カソードは発熱体によって加熱され、カソードの近くに電子の「雲」が形成されます。管が接続されている電子回路がカソードに対してアノードに正の電位を生成すると、カソードとアノードの間に電流（電子）が発生します（カソード電流と呼ばれます）。カソードとアノードの間に金属グリッドを組み込むことが可能です。これらのグリッドに印加されるさまざまな電位は、カソード電流を制御する効果があります。グリッドを備えた真空管は三極管（3 つの電極）と呼ばれます。
真空管設計により、過負荷に対する耐性が非常に高くなります。この特殊性により、真空管は現在でも電力無線送信機 (MA および MF) や X 線放射管などの極端な用途の重要な候補として位置づけられています。
最後に、カソードに向けられた光(単一光子) は、加熱素子を使用しなくても、カソード電流を生成するのに十分です。 「ダイノード」は、このカスケード原理を使用して、特定の医療画像アプリケーションで光子を検出します。
個々の電子機器
これは、ほとんどの場合、電子カード上に組み立てられた個別の、または（統合されたものではなく）「個別の」基本コンポーネントを使用します。このタイプの電子設計は、マイクロエレクトロニクスに取って代わられたため、実験装置やレジャーエレクトロニクスの文脈以外にはほとんど使用されていません。現在の電子カードでは、集積回路が主な機能を実行しますが、その実装には依然として個別のコンポーネント (主に抵抗器とコンデンサ) が必要です。
マイクロエレクトロニクス
この用語は、電子部品の小型化の過程から生まれました。この微細化は半導体の誕生とともに 1950 年代に始まり、現在ではほぼ極限の段階に達しています。実際、60 年間にわたり、基本コンポーネントのサイズは減少し続け、数十ナノメートルのオーダーの寸法に達しました。この進歩は、半導体材料、特にシリコンの処理プロセスの進歩のおかげで可能となり、数平方ミリメートルの表面積に数百万個の基本部品を製造できるようになりました。したがって、マイクロエレクトロニクスは、マイクロメートルおよびナノメートル寸法のコンポーネントを使用する電子システムに関係します。 「集積エレクトロニクス」という表現は、この用語の同義語です。この言葉は、一般に集積回路と呼ばれる、単一の半導体チップ上に「統合された」一連のコンポーネントを連想させます。
ナノエレクトロニクスと分子エレクトロニクス
さらに、現代の電子システムについて語るとき、「マイクロ」という接頭辞は時代遅れになり始めており、そのサイズがナノメートル単位で測定され、場合によっては分子に匹敵するコンポーネントも登場しています。したがって、私たちはナノエレクトロニクス、ナノテクノロジー、分子エレクトロニクスについて話します。最近の技術の進歩により、電子とそのスピンの特性、つまりスピントロニクスに基づいてコンポーネントの設計を検討することも可能になりました。
マイクロシステム
マイクロテクノロジー、ナノテクノロジーの進歩に伴い、電子回路やシステムを中心に、異なる技術分野（機械、熱、光学など）に属するシステムの融合が見られます。これらの融合は、「マルチドメイン信号処理システム」または「マルチドメイン システム」と呼ばれることがよくあります。この進歩の根源となっているのは、高度に進歩したシリコン加工プロセスであり、これにより、同じシリコン結晶上に電子回路を備えた三次元構造を製造することが可能になります。この近接性により、従来異なる分野で行われてきた治療の相互浸透と、異なる物理的性質 (熱、機械、光学など) の信号が同じシステム内に共存することが可能になります。したがって、1990 年代以来、微小電気機械システム (MEMS) が大量に製造され、使用されてきました。