Электроинженерия - Electronic engineering

Электронная инженерия (также называемая электроникой и коммуникационной техникой ) - это электротехническая дисциплина, которая использует нелинейные и активные электрические компоненты (такие как полупроводниковые устройства , особенно транзисторы и диоды ) для проектирования электронных схем , устройств , интегральных схем и их систем . Дисциплина обычно также разрабатывает пассивные электрические компоненты, обычно на основе печатных плат .

Электроника - это подполе в рамках более широкого академического предмета электротехники, но обозначает широкую инженерную область, которая охватывает такие подполя, как аналоговая электроника , цифровая электроника , бытовая электроника , встроенные системы и силовая электроника . Электронная инженерия занимается реализацией приложений, принципов и алгоритмов, разработанных во многих смежных областях, например, физика твердого тела , радиотехника , телекоммуникации , системы управления , обработка сигналов , системная инженерия , компьютерная инженерия , приборостроение , управление электроэнергией , робототехника , и многие другие.

Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) является одним из самых важных и влиятельных организаций для инженеров электроники , базирующихся в США. На международном уровне Международная электротехническая комиссия (МЭК) разрабатывает стандарты для электронной техники, разработанные на основе консенсуса и благодаря работе 20 000 экспертов из 172 стран мира.

Отношение к электротехнике

Электроника - это подраздел в рамках более широкого учебного предмета по электротехнике . В некоторых университетах можно получить академическую степень со специализацией в области электроники, в то время как другие университеты используют в качестве предмета электротехнику. Термин « инженер-электрик» до сих пор используется в академическом мире для обозначения инженеров- электронщиков. Однако некоторые считают, что термин « инженер-электрик» следует зарезервировать для тех, кто специализируется в области энергетики и техники сильноточных или высоких напряжений, в то время как другие считают, что энергия - это всего лишь одна из подгрупп электротехники, аналогичная технике распределения электроэнергии . Термин « энергетика» используется в этой отрасли как дескриптор. Опять же, в последние годы наблюдается рост числа новых курсов с отдельным входом, таких как системная инженерия и инженерия коммуникационных систем , за которыми часто следуют академические факультеты с аналогичным названием, которые обычно рассматриваются как подфилины не электроники, а электротехники.

История

Электронная инженерия как профессия возникла в результате технологических достижений в телеграфной промышленности в конце 19 века и в радио и телефонной промышленности в начале 20 века. Радио привлекало людей из-за его технического увлечения, сначала в приеме, а затем в передаче. Многие из тех, кто занимался радиовещанием в 1920-х годах, были просто любителями в период до Первой мировой войны .

В значительной степени современная электронная инженерия возникла в результате разработки телефонного, радио и телевизионного оборудования и большого количества разработок электронных систем во время Второй мировой войны, таких как радары , гидролокаторы , системы связи, а также современные боеприпасы и системы вооружения. В межвоенные годы эта тема была известна как радиотехника, и только в конце 1950-х годов начал появляться термин электронная техника.

Первым рабочим транзистором был точечный транзистор, изобретенный Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном в Bell Labs в 1947 году. MOSFET ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник, или МОП-транзистор) был позже изобретен Мохамедом М. Аталлой и Давон Канг из Bell Labs в 1959 году. МОП-транзистор был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и выпускать серийно для широкого спектра применений. MOSFET произвел революцию в электронной промышленности , став самым широко используемым электронным устройством в мире. МОП-транзистор является основным элементом большинства современного электронного оборудования.

Электроника

В области электронной техники инженеры проектируют и тестируют схемы , в которых используются электромагнитные свойства электрических компонентов, таких как резисторы , конденсаторы , катушки индуктивности , диоды и транзисторы, для достижения определенной функциональности. Схема тюнера , которая позволяет пользователю радио отфильтровать все станции, кроме одной, является лишь одним из примеров такой схемы.

При разработке интегральной схемы инженеры-электронщики сначала создают принципиальные схемы, которые определяют электрические компоненты и описывают взаимосвязи между ними. По завершении инженеры СБИС преобразуют схемы в реальные макеты, которые отображают слои различных проводников и полупроводниковых материалов, необходимых для построения схемы. Преобразование схем в макеты может быть выполнено с помощью программного обеспечения (см. Автоматизация проектирования электроники ), но очень часто требует тонкой настройки со стороны человека для уменьшения занимаемого пространства и энергопотребления. После завершения макета его можно отправить на завод- изготовитель для изготовления.

Для систем средней сложности инженеры могут использовать моделирование VHDL для программируемых логических устройств и FPGA .

Интегральные схемы , ПЛИС и другие электрические компоненты затем могут быть собраны на печатных платах для формирования более сложных схем. Сегодня печатные платы используются в большинстве электронных устройств, включая телевизоры , компьютеры и аудиоплееры .

Подполя

Электронная инженерия имеет множество подполей. В этом разделе описаны некоторые из самых популярных подполей электронной техники; Хотя есть инженеры, которые сосредотачиваются исключительно на одном подполе, многие также сосредотачиваются на сочетании подполей.

Обработка сигналов занимается анализом и обработкой сигналов . Сигналы могут быть либо аналоговыми , и в этом случае сигнал непрерывно изменяется в соответствии с информацией, либо цифровыми , и в этом случае сигнал изменяется в соответствии с серией дискретных значений, представляющих информацию.

Для аналоговых сигналов обработка сигналов может включать усиление и фильтрацию аудиосигналов для звукового оборудования или модуляцию и демодуляцию сигналов для телекоммуникаций . Для цифровых сигналов, обработка сигналов может включать сжатие , проверку ошибок и ошибок обнаружения цифровых сигналов.

Телекоммуникационная техника имеет дело с передачей по информации поперек канала , такие как коаксиальный кабель , оптическое волокно или свободного пространство .

Передача через свободное пространство требует, чтобы информация была закодирована в несущей волне , чтобы сдвинуть информацию на несущую частоту, подходящую для передачи, это известно как модуляция . Популярные методы аналоговой модуляции включают амплитудную модуляцию и частотную модуляцию . Выбор модуляции влияет на стоимость и производительность системы, и инженер должен тщательно сбалансировать эти два фактора.

После определения характеристик передачи системы инженеры электросвязи проектируют передатчики и приемники, необходимые для таких систем. Эти два элемента иногда объединяются в устройство двусторонней связи, известное как приемопередатчик . Ключевым моментом при проектировании передатчиков является их энергопотребление, поскольку оно тесно связано с силой их сигнала . Если мощность сигнала передатчика недостаточна, информация о сигнале будет искажена шумом .

Авиация - электроника и авиация и телекоммуникации. Они исследуют и работают над электроникой и аэрокосмической техникой. Инженеры по авиационно- телекоммуникационной связи включают группу специалистов, которые имеют большой объем информации о полете (например, метеорологические данные, некоторую конкретную информацию и т. Д.) Через доступные платформы (такие как AFTN и т. Д.), Находящиеся в распоряжении самого самолета. или части Остальные находятся в аэропортах. Специалистам в этой области в основном необходимы знания в области компьютеров , сетей , информационных технологий и физики. Их работы в организациях и компаниях находятся в воздухе и космосе. До, во время и после полета самолету необходимо оборудование и платформы, которые удовлетворяют многие его потребности, такие как навигационная информация, системы связи и мониторинга (CNS). Конечно, такое оборудование требует установки, ввода в эксплуатацию, обслуживания и ремонта, что является серьезной задачей для специалиста по авиационной электронике в аэропортах. Эти курсы предлагаются в разных университетах, например в Технологическом колледже гражданской авиации .

Электромагнетизм - это глубокое исследование сигналов, которые передаются в канале (проводном или беспроводном). Это включает в себя основы электромагнитных волн, линий передачи и волноводов , антенн, их типов и приложений с радиочастотами (RF) и микроволнами. Его приложения широко используются в других областях, таких как телекоммуникации, управление и приборостроение.

Техника управления имеет широкий спектр применений - от систем полета и силовых установок коммерческих самолетов до круиз-контроля, присутствующего во многих современных автомобилях . Он также играет важную роль в промышленной автоматизации .

Инженеры по контролю часто используют обратную связь при проектировании систем управления . Например, в автомобиле с круиз-контролем скорость автомобиля постоянно контролируется и передается обратно в систему, которая соответствующим образом регулирует выходную мощность двигателя . Там, где есть регулярная обратная связь, можно использовать теорию управления, чтобы определить, как система реагирует на такую ​​обратную связь.

Приборостроение занимается разработкой устройств для измерения физических величин, таких как давление , расход и температура . Эти устройства известны как приборы .

Конструкция таких приборов требует хорошего понимания физики, которое часто выходит за рамки теории электромагнетизма . Например, радары используют эффект Доплера для измерения скорости встречных транспортных средств. Точно так же термопары используют эффект Пельтье – Зеебека для измерения разницы температур между двумя точками.

Часто контрольно-измерительные приборы используются не сами по себе, а как датчики в более крупных электрических системах. Например, можно использовать термопару, чтобы обеспечить постоянную температуру в печи. По этой причине приборостроение часто рассматривается как аналог контрольно-измерительной техники.

Компьютерная инженерия занимается проектированием компьютеров и компьютерных систем. Это может включать разработку нового компьютерного оборудования , разработку КПК или использование компьютеров для управления промышленным предприятием . Разработка встроенных систем - систем, предназначенных для конкретных задач (например, мобильных телефонов) - также входит в эту область. Это поле включает микроконтроллер и его приложения. Компьютерные инженеры также могут работать над программным обеспечением системы . Однако проектирование сложных программных систем часто является областью программной инженерии , которую обычно считают отдельной дисциплиной.

Проектирование СБИС. СБИС означает очень крупномасштабную интеграцию . Он занимается производством микросхем и различных электронных компонентов.

Образование и обучение

Инженеры-электронщики обычно имеют ученую степень по электронной инженерии. Продолжительность обучения для получения такой степени обычно составляет три или четыре года, а полученная степень может быть обозначена как бакалавр технических наук , бакалавр наук , бакалавр прикладных наук или бакалавр технологий в зависимости от университета. Многие университеты Великобритании также предлагают степень магистра инженерии ( MEng ) на уровне выпускников.

Некоторые инженеры-электронщики также предпочитают получать аспирантуру, например, степень магистра наук , доктора философии в области инженерии или степень доктора технических наук . Степень магистра вводится в некоторых европейских и американских университетах в качестве первой степени, и разделение инженеров на аспирантуру и аспирантуру часто затруднено. В этих случаях учитывается опыт. Степень магистра может состоять из исследования, курсовой работы или их комбинации. Доктор философии состоит из значительного исследовательского компонента и часто рассматривается как отправная точка в академических кругах.

В большинстве стран степень бакалавра инженерных наук представляет собой первый шаг к сертификации, а сама программа получения степени сертифицирована профессиональным органом. Сертификация позволяет инженерам на законных основаниях подписывать планы по проектам, затрагивающим общественную безопасность. После завершения сертифицированной программы получения степени инженер должен удовлетворить ряд требований, включая требования к опыту работы, прежде чем будет сертифицирован. После сертификации инженеру присваивается звание профессионального инженера (в США, Канаде и Южной Африке), дипломированного инженера или корпоративного инженера (в Великобритании, Ирландии, Индии и Зимбабве), дипломированного профессионального инженера (в Австралии и Зимбабве). Новая Зеландия) или European Engineer (на большей части территории Европейского Союза).

Диплом по электронике обычно включает разделы, охватывающие физику , химию , математику , управление проектами и конкретные темы в области электротехники . Первоначально такие темы охватывают большинство, если не все, подфилин электронной техники. Затем студенты выбирают специализацию в одном или нескольких подразделах к концу степени.

Основу дисциплины составляют физико-математические науки, поскольку они помогают получить как качественное, так и количественное описание того, как такие системы будут работать. Сегодня большая часть инженерных работ связана с использованием компьютеров, и при проектировании электронных систем обычным делом является использование программ компьютерного моделирования и моделирования . Хотя большинство инженеров-электронщиков понимают основную теорию схем, теории, используемые инженерами, обычно зависят от выполняемой ими работы. Например, квантовая механика и физика твердого тела могут иметь отношение к инженеру, работающему над СБИС, но в значительной степени не имеют отношения к инженерам, работающим со встроенными системами .

Помимо электромагнетизма и теории сетей, другие предметы в программе относятся к курсу электронной инженерии. Курсы по электротехнике имеют другие специальности, такие как машины , производство и распределение электроэнергии . В этот список не входит обширный учебный план по инженерной математике, который является обязательным условием для получения степени.

Электромагнетизм

Элементы векторного исчисления : дивергенция и ротор ; Теоремы Гаусса и Стокса , уравнения Максвелла : дифференциальная и интегральная формы. Волновое уравнение , вектор Пойнтинга . Плоские волны : распространение через различные среды; отражение и преломление ; фазовая и групповая скорость ; глубина кожи . Линии передачи : волновое сопротивление ; преобразование импеданса; Диаграмма Смита ; согласование импеданса ; импульсное возбуждение. Волноводы : моды в прямоугольных волноводах; граничные условия ; частоты среза ; дисперсионные соотношения . Антенны: дипольные антенны ; антенные решетки ; диаграмма направленности; теорема взаимности, усиление антенны .

Сетевой анализ

Сетевые графы: матрицы, связанные с графами; матрицы инцидентности, фундаментальных разрезов и основных схем. Методы решения: узловой и сеточный анализ. Сетевые теоремы: суперпозиция, передача максимальной мощности Тевенина и Нортона, преобразование Уай-Дельта. Синусоидальный анализ в установившемся состоянии с использованием векторов. Линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами; анализ во временной области простых цепей RLC, Решение сетевых уравнений с использованием преобразования Лапласа : анализ в частотной области цепей RLC. Параметры 2-портовой сети: точка движения и передаточные функции. Уравнения состояния сетей.

Электронные устройства и схемы

Электронные устройства : энергетические зоны в кремнии, собственном и внешнем кремнии. Транспорт носителей в кремнии: диффузионный ток, дрейфовый ток, подвижность, удельное сопротивление. Генерация и рекомбинация носителей. диод с pn переходом , стабилитрон , туннельный диод , BJT , JFET , МОП-конденсатор , MOSFET , светодиод , штыревой и лавинный фотодиод, ЛАЗЕРЫ. Технология устройства: процесс изготовления интегральных схем , окисление, диффузия, ионная имплантация , фотолитография, n-ванна, p-ванна и процесс CMOS с двумя ваннами.

Аналоговые схемы : эквивалентные схемы (большой и малосигнальный) диодов, BJT, JFET и MOSFET. Простые диодные схемы, отсечка, зажим, выпрямитель. Стабильность смещения и смещения усилителей на транзисторах и полевых транзисторах. Усилители: одно- и многокаскадные, дифференциальные, операционные, с обратной связью и силовые. Анализ усилителей; АЧХ усилителей. Простые схемы операционного усилителя . Фильтры. Синусоидальные генераторы; критерий колебания; конфигурации с одним транзистором и операционным усилителем. Функциональные генераторы и волновые схемы, Источники питания.

Цифровые схемы : логические функции ( НЕ , И , ИЛИ , XOR , ...). Семейства цифровых ИС с логическими затворами ( DTL , TTL , ECL , MOS , CMOS ). Комбинационные схемы: арифметические схемы, преобразователи кода, мультиплексоры и декодеры . Последовательные схемы : защелки и триггеры, счетчики и регистры сдвига. Цепи выборки и хранения, АЦП , ЦАП . Полупроводниковая память . Микропроцессор 8086 : архитектура, программирование, память и интерфейс ввода-вывода.

Сигналы и системы

Определения и свойства преобразования Лапласа , рядов Фурье с непрерывным и дискретным временем, преобразования Фурье с непрерывным и дискретным временем , z-преобразования . Выборочные теоремы . Линейные инвариантные во времени (LTI) системы : определения и свойства; причинность, стабильность, импульсная характеристика, свертка, полюсы и нули, частотная характеристика, групповая задержка, фазовая задержка. Передача сигнала через системы LTI. Случайные сигналы и шум: вероятность , случайные величины , функция плотности вероятности , автокорреляция, спектральная плотность мощности , аналогия функций между векторами и функциями.

Системы контроля

Основные компоненты системы управления; структурное описание, редукция структурных схем - правило Мейсона . Системы разомкнутого и замкнутого контура (отрицательная обратная связь единицы) и анализ устойчивости этих систем. Графики потоков сигналов и их использование при определении передаточных функций систем; переходный и установившийся анализ систем управления LTI и частотной характеристики. Анализ подавления установившихся помех и шумовой чувствительности.

Инструменты и методы для анализа и проектирования систем управления LTI: корневые локусы, критерий устойчивости Рауса – Гурвица , графики Боде и Найквиста . Компенсаторы системы управления: элементы компенсации опережения и запаздывания, элементы пропорционально-интегрально-производного (ПИД) регулирования. Дискретизация систем с непрерывным временем с использованием удержания нулевого порядка и АЦП для реализации цифрового контроллера. Ограничения цифровых контроллеров: алиасинг. Представление переменных состояния и решение уравнения состояния систем управления LTI. Линеаризация нелинейных динамических систем с реализациями в пространстве состояний как в частотной, так и во временной областях. Основные концепции управляемости и наблюдаемости для систем MIMO LTI. Реализации пространства состояний: наблюдаемая и управляемая каноническая форма. Формула Аккермана для размещения полюсов с обратной связью по состоянию. Разработка оценщиков полного и уменьшенного заказа.

Связь

Аналоговые системы связи: системы амплитудной и угловой модуляции и демодуляции, спектральный анализ этих операций, супергетеродинные шумовые условия.

Системы цифровой связи: импульсно-кодовая модуляция (PCM), дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (DPCM), дельта-модуляция (DM), цифровая модуляция - амплитудная, схемы фазовой и частотной манипуляции ( ASK , PSK , FSK ), согласованные - фильтрация приемников, учет полосы пропускания и расчет вероятности ошибки для этих схем, GSM , TDMA .

Профессиональные органы

Профессиональные организации, примечательные для инженеров-электриков, включают Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и Институт инженеров-электриков (IEE) (теперь переименованный в Институт инженерии и технологий или IET). Члены Института инженерии и технологий (MIET) профессионально признаны в Европе как инженеры-электрики и компьютерные инженеры. IEEE утверждает, что выпускает 30 процентов мировой литературы по электротехнике и электронной технике, насчитывает более 430 000 членов и ежегодно проводит более 450 конференций, спонсируемых или совместно спонсируемых IEEE по всему миру. SMIEEE - это признанное профессиональное обозначение в США.

Инжиниринг проекта

Для большинства инженеров, не вовлеченных в процесс проектирования и разработки систем, техническая работа составляет лишь малую часть той работы, которую они выполняют. Много времени также тратится на такие задачи, как обсуждение предложений с клиентами, подготовка бюджетов и определение графиков проектов. Многие старшие инженеры управляют командой техников или других инженеров, и по этой причине навыки управления проектами важны. Большинство инженерных проектов включают в себя ту или иную форму документации, поэтому очень важны хорошие письменные коммуникативные навыки.

Рабочие места инженеров-электронщиков столь же разнообразны, как и виды работ, которыми они занимаются. Инженеров-электронщиков можно найти в безупречной лабораторной среде производственного предприятия, в офисах консалтинговой фирмы или в исследовательской лаборатории. В течение своей трудовой жизни инженеры-электронщики могут руководить широким кругом лиц, включая ученых, электриков, программистов и других инженеров.

Устаревание технических навыков - серьезная проблема для электронщиков. Таким образом, членство и участие в технических обществах, регулярные обзоры периодических изданий в данной области и привычка к постоянному обучению имеют важное значение для поддержания профессионального уровня. И они в основном используются в области бытовой электроники.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки