Elektronikteknik

Elektronikteknik är en underdisciplin av elektroteknik som uppstod i början av 1900-talet och kännetecknas av den ytterligare användningen av aktiva komponenter såsom halvledarenheter för att förstärka och kontrollera elektriskt strömflöde. Tidigare använde elektroteknik endast passiva enheter såsom mekaniska brytare, motstånd, induktorer och kondensatorer.

Det täcker områden som: analog elektronik , digital elektronik , hemelektronik , inbyggda system och kraftelektronik . Det är också involverat i många relaterade områden, till exempel fast tillståndsfysik , radioteknik , telekommunikation , styrsystem , signalbehandling , systemteknik , datorteknik , instrumentteknik , elkraftkontroll , robotik .

Institute of Electrical and Electronics Engineers ( IEEE) är en av de viktigaste yrkesorganisationerna för elektronikingenjörer i USA; motsvarande organ i Storbritannien är Institute of Engineering and Technology (IET). International Electrotechnical Commission (IEC) publicerar elektriska standarder inklusive de för elektronikteknik.

Historia och utveckling

Elektronikteknik som yrke uppstod efter identifieringen av elektronen 1897 och den efterföljande uppfinningen av vakuumröret som kunde förstärka och korrigera små elektriska signaler, som invigde elektronikområdet. Praktiska tillämpningar började med uppfinningen av dioden av Ambrose Fleming och trioden av Lee De Forest i början av 1900-talet, vilket gjorde det möjligt att detektera små elektriska spänningar som radiosignaler från en radioantenn med en icke-mekanisk anordning. Tillväxten av elektronik var snabb. I början av 1920-talet blev kommersiell radiosändning och kommunikation utbredd och elektroniska förstärkare användes i så olika tillämpningar som långdistanstelefoni och musikinspelningsindustrin.

Disciplinen förstärktes ytterligare av den stora mängden elektroniska systemutveckling under andra världskriget, såsom radar och ekolod , och den efterföljande konsumentrevolutionen i fredstid.

Specialistområden

Elektronikteknik har många delområden. Det här avsnittet beskriver några av de mest populära.

Elektronisk signalbehandling handlar om analys och manipulation av signaler . Signaler kan vara antingen analoga , i vilket fall signalen varierar kontinuerligt enligt informationen, eller digitala , i vilket fall signalen varierar enligt en serie diskreta värden som representerar informationen.

För analoga signaler kan signalbehandling innefatta förstärkning och filtrering av ljudsignaler för ljudutrustning och modulering och demodulering av radiofrekvenssignaler för telekommunikation . För digitala signaler kan signalbehandling involvera komprimering , felkontroll och feldetektering och korrigering.

Telekommunikationsteknik handlar om överföring av information över ett medium som en koaxialkabel , en optisk fiber eller ledigt utrymme . Sändningar över ledigt utrymme kräver att information kodas i en bärvåg för att kunna sändas, detta kallas modulering . Populära analoga moduleringstekniker inkluderar amplitudmodulering och frekvensmodulering .

När väl överföringsegenskaperna för ett system har bestämts, konstruerar telekommunikationsingenjörer de sändare och mottagare som behövs för sådana system. Dessa två kombineras ibland för att bilda en tvåvägskommunikationsenhet känd som en transceiver . En viktig faktor vid designen av sändare är deras strömförbrukning eftersom detta är nära relaterat till deras signalstyrka . Om signalstyrkan hos en sändare är otillräcklig kommer signalens information att förvanskas av brus .

Aviation - Electronic Engineering och Aviation-Telecommunications Engineering, sysslar med flyg- och rymdtillämpningar . Flyg- och telekommunikationsingenjörer inkluderar specialister som arbetar med luftburen flygelektronik i flygplanet eller markutrustning. Specialister inom detta område behöver främst kunskap om datorer , nätverk , IT och sensorer . Dessa kurser erbjuds på till exempel Civil Aviation Technology Colleges .

Kontrollteknik har ett brett utbud av elektroniska tillämpningar från flyg- och framdrivningssystem för kommersiella flygplan till farthållaren som finns i många moderna bilar . Det spelar också en viktig roll inom industriell automation . Styringenjörer använder ofta feedback när de designar styrsystem .

Instrumentteknik handlar om design av enheter för att mäta fysiska storheter såsom tryck , flöde och temperatur . Utformningen av sådan instrumentering kräver en god förståelse för elektronisk teknik och fysik ; radarvapen använder till exempel dopplereffekten för att mäta hastigheten på mötande fordon. På liknande sätt använder termoelement Peltier-Seebeck-effekten för att mäta temperaturskillnaden mellan två punkter.

Ofta används inte instrumentering av sig själv, utan istället som sensorer för större elektriska system. Till exempel kan ett termoelement användas för att säkerställa att en ugns temperatur förblir konstant. Av denna anledning ses instrumentteknik ofta som motsvarigheten till kontrollteknik.

Datateknik sysslar med design av datorer och datorsystem. Det kan handla om design av ny datorhårdvara , design av handdatorer eller användning av datorer för att styra en industrianläggning . Utveckling av inbyggda system — system gjorda för specifika uppgifter (t.ex. mobiltelefoner) — ingår också i detta område. Detta fält inkluderar mikrokontrollern och dess applikationer. Datoringenjörer kan också arbeta med ett systems programvara . Utformningen av komplexa mjukvarusystem är dock ofta domänen för mjukvaruteknik , som vanligtvis anses vara en separat disciplin.

VLSI design engineering VLSI står för integration i mycket stor skala . Det handlar om tillverkning av IC:er och olika elektroniska komponenter. Vid utformningen av en integrerad krets konstruerar elektronikingenjörer först kretsscheman som specificerar de elektriska komponenterna och beskriver sammankopplingarna mellan dem. När det är färdigt VLSI- ingenjörer schemat till faktiska layouter, som kartlägger lagren av olika ledare och halvledarmaterial som behövs för att konstruera kretsen.

Utbildning och träning

Elektronik är ett delområde inom det vidare elektrotekniska akademiska ämnet. Elektronikingenjörer har vanligtvis en akademisk examen med huvudämne i elektronikteknik. Studietiden för en sådan examen är vanligtvis tre eller fyra år och den avlagda examen kan betecknas som civilingenjör , kandidatexamen , kandidatexamen i tillämpad naturvetenskap eller kandidatexamen beroende på universitet. Många brittiska universitet erbjuder också Master of Engineering ( MEng ) grader på forskarnivå.

Vissa elektronikingenjörer väljer också att ta en forskarexamen som en magisterexamen , doktor i filosofi i teknik eller en teknisk doktorsexamen . Masterexamen införs vid vissa europeiska och amerikanska universitet som en första examen och differentieringen av en ingenjör med forskar- och forskarutbildning är ofta svårt. I dessa fall beaktas erfarenhet. Magisterexamen kan bestå av antingen forskning, kurser eller en blandning av de två. Filosofidoktorn består av en betydande forskningskomponent och ses ofta som ingången till akademin.

I de flesta länder utgör en civilingenjörsexamen det första steget mot certifiering och själva utbildningsprogrammet är certifierat av ett professionellt organ. Certifiering gör det möjligt för ingenjörer att lagligt skriva av sig på planer för projekt som påverkar den allmänna säkerheten. Efter att ha avslutat ett certifierat utbildningsprogram måste ingenjören uppfylla en rad krav, inklusive krav på arbetslivserfarenhet, innan han blir certifierad. När ingenjören är certifierad utses han till titeln Professional Engineer (i USA, Kanada och Sydafrika), Chartered Engineer eller Incorporated Engineer (i Storbritannien, Irland, Indien och Zimbabwe), Chartered Professional Engineer (i Australien och Nya Zeeland) eller European Engineer (i stora delar av Europeiska unionen).

En examen i elektronik omfattar i allmänhet enheter som täcker fysik , kemi , matematik , projektledning och specifika ämnen inom elektroteknik . Inledningsvis täcker sådana ämnen de flesta, om inte alla, underområdena inom elektronikteknik. Studenterna väljer sedan att specialisera sig inom ett eller flera delområden mot slutet av examen.

Grundläggande för disciplinen är vetenskaperna om fysik och matematik då dessa hjälper till att få både en kvalitativ och kvantitativ beskrivning av hur sådana system kommer att fungera. Idag involverar det mesta ingenjörsarbetet användning av datorer och det är vanligt att använda datorstödda design- och simuleringsprogram när man designar elektroniska system. Även om de flesta elektroniska ingenjörer kommer att förstå grundläggande kretsteori, beror teorierna som används av ingenjörer i allmänhet på det arbete de utför. Till exempel kvantmekanik och fasta tillståndsfysik vara relevanta för en ingenjör som arbetar med VLSI men är i stort sett irrelevanta för ingenjörer som arbetar med inbyggda system .

Förutom elektromagnetik och nätverksteori är andra moment i kursplanen speciella för elektronikingenjörskursen . Elektroteknikkurserna har andra inriktningar såsom maskiner , kraftproduktion och distribution . Denna lista inkluderar inte den omfattande tekniska matematikläroplanen som är en förutsättning för en examen.

Stödja kunskapsområden

Elektronikteknikens enorma bredd har lett till användningen av ett stort antal specialiststödjande kunskapsområden.

Element i vektorkalkyl : divergens och krullning ; Gauss och Stokes satser , Maxwells ekvationer : differential- och integralformer. Våg ekvation , Poynting vektor . Plana vågor : utbredning genom olika medier; reflektion och refraktion ; fas och grupphastighet ; huddjup . Överföringsledningar : karakteristisk impedans ; impedanstransformation; Smith diagram ; impedansmatchning ; pulsexcitation. Vågledare : lägen i rektangulära vågledare; randvillkor ; gränsfrekvenser ; spridningsförhållanden . Antenner: Dipolantenner ; antennuppsättningar ; strålningsmönster; reciprocitetssats, antennförstärkning .

Nätverksgrafer: matriser associerade med grafer; incidens, fundamental cut set och fundamental kretsmatriser. Lösningsmetoder: nodal- och meshanalys. Nätverkssatser: superposition, Thevenin och Nortons maximala kraftöverföring, Wye-Delta-transformation. Steady state sinusformad analys med hjälp av fasorer. Linjär konstant koefficient differentialekvationer; tidsdomänanalys av enkla RLC-kretsar, Lösning av nätverksekvationer med Laplace-transform : frekvensdomänanalys av RLC-kretsar. 2-ports nätverksparametrar: körpunkt och överföringsfunktioner. Tillståndsekvationer för nätverk.

Elektroniska enheter : Energiband i kisel, inre och yttre kisel. Bärartransport i kisel: diffusionsström, driftström, mobilitet, resistivitet. Generering och rekombination av bärare. pn-övergångsdiod , Zenerdiod , tunneldiod , BJT , JFET , MOS-kondensator , MOSFET , LED , stift och lavinfotodioder , LASER. Enhetsteknologi: tillverkningsprocess för integrerade kretsar , oxidation, diffusion, jonimplantation , fotolitografi, n-tub, p-tub och twin-tub CMOS-process.

Analoga kretsar : Ekvivalenta kretsar (stor och liten signal) av dioder, BJT, JFET och MOSFET. Enkla diodkretsar, klippning, fastspänning, likriktare. Förspännings- och förspänningsstabilitet för transistor- och FET-förstärkare. Förstärkare: en- och flerstegs, differential, drift, återkoppling och effekt. Analys av förstärkare; frekvensgång hos förstärkare. Enkla op-amp kretsar. Filter. Sinusformade oscillatorer; kriterium för oscillation; enkeltransistor och op-amp konfigurationer. Funktionsgeneratorer och vågformande kretsar, Strömförsörjning.

Digitala kretsar : Booleska funktioner ( INTE , OCH , ELLER , XOR ,...). Logik grindar digitala IC-familjer ( DTL , TTL , ECL , MOS , CMOS ). Kombinationskretsar: aritmetiska kretsar, kodomvandlare, multiplexorer och avkodare . Sekventiella kretsar : spärrar och vippor, räknare och skiftregister. Sampla och håll kretsar, ADC , DAC . Halvledarminnen . Mikroprocessor 8086 : arkitektur, programmering, minne och I/O-gränssnitt.

Signaler och system: Definitioner och egenskaper för Laplace-transform , kontinuerlig-tid och diskret-tids Fourier-serier , kontinuerlig-tid och diskret-tid Fourier-transform , z-transform . Samplingssatser . Linjära tidsinvarianta (LTI) system : definitioner och egenskaper; kausalitet, stabilitet, impulssvar, faltning, poler och nollor frekvenssvar, gruppfördröjning, fasfördröjning. Signalöverföring genom LTI-system. Slumpsignaler och brus: sannolikhet , slumpvariabler , sannolikhetstäthetsfunktion , autokorrelation, effektspektraltäthet , funktionsanalogi mellan vektorer & funktioner.

Elektroniska styrsystem

Grundläggande styrsystemkomponenter; blockschematisk beskrivning, reduktion av blockdiagram — Mason's rule . Open loop och closed loop (negativ enhetsåterkoppling) system och stabilitetsanalys av dessa system. Signalflödesdiagram och deras användning för att bestämma överföringsfunktioner hos system; transient och steady-state analys av LTI styrsystem och frekvenssvar. Analys av steady-state störningsavvisning och bruskänslighet.

Verktyg och tekniker för analys och design av LTI-styrsystem: rotloki, Routh–Hurwitz stabilitetskriterium , Bode och Nyquist plots . Kontrollsystemkompensatorer: element av bly- och eftersläpningskompensation, element av proportionell–integral–derivativ ( PID) kontroll. Diskretisering av kontinuerliga system med hjälp av nollordningshållning och ADC:er för implementering av digital styrenhet. Begränsningar för digitala kontroller: aliasing. Tillståndsvariabelrepresentation och lösning av tillståndsekvationen för LTI-styrsystem. Linjärisering av icke-linjära dynamiska system med realiseringar av tillstånd och rum i både frekvens- och tidsdomäner. Grundläggande begrepp om kontrollerbarhet och observerbarhet för MIMO LTI-system. Statliga rymdförverkliganden: observerbar och kontrollerbar kanonisk form. Ackermanns formel för state-feedback polplacering. Design av fullorder och reducerad orderuppskattning.

Kommunikationer

Analoga kommunikationssystem: amplitud- och vinkelmodulations- och demodulationssystem, spektralanalys av dessa operationer, superheterodyna brusförhållanden.

Digitala kommunikationssystem: pulskodmodulering (PCM), differentiell pulskodmodulering (DPCM), deltamodulering (DM), digital modulering – amplitud-, fas- och frekvensskiftnyckelscheman ( ASK , PSK , FSK ), matchade- filtermottagare, bandbreddsövervägande och sannolikhet för felberäkningar för dessa scheman, GSM , TDMA .

Professionella kroppar

Professionella organisationer för elektroingenjörer inkluderar USA Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) och UK Institution of Engineering and Technology eller IET. Medlemmar av Institutionen för teknik och teknik (MIET) är professionellt erkända i Europa, som el- och dator(teknik)ingenjörer. IEEE hävdar att de producerar 30 procent av världens litteratur inom elektro-/elektronikteknik, har över 430 000 medlemmar och håller mer än 450 IEEE-sponsrade eller samsponsrade konferenser över hela världen varje år. SMIEEE är en erkänd yrkesbeteckning i USA.

Projektteknik

För de flesta ingenjörer som inte är involverade i framkanten av systemdesign och utveckling, står tekniskt arbete för endast en bråkdel av det arbete de utför. Mycket tid läggs även på uppgifter som att diskutera förslag med kunder, utarbeta budgetar och fastställa projektscheman. Många seniora ingenjörer leder ett team av tekniker eller andra ingenjörer och av denna anledning är projektledningsförmåga viktiga. De flesta ingenjörsprojekt involverar någon form av dokumentation och en stark skriftlig kommunikationsförmåga är därför mycket viktig.

Elektronikingenjörernas arbetsplatser är lika varierande som de typer av arbete de utför. Elektronikingenjörer kan hittas i den orörda laboratoriemiljön i en tillverkningsanläggning, på ett konsultföretags kontor eller i ett forskningslaboratorium. Under sitt yrkesverksamma liv kan elektronikingenjörer finna sig i att övervaka ett brett spektrum av individer, inklusive forskare, elektriker, dataprogrammerare och andra ingenjörer.

Föråldrade tekniska färdigheter är ett allvarligt problem för elektronikingenjörer. Medlemskap och deltagande i tekniska föreningar, regelbundna genomgångar av tidskrifter inom området och en vana av fortsatt lärande är därför väsentliga för att upprätthålla kompetensen. Och dessa används mest inom området hemelektronikprodukter.

Se även

externa länkar