Electrónica

La electrónica es una rama de la física y la ingeniería eléctrica que se ocupa de la emisión, el comportamiento y los efectos de los electrones que utilizan dispositivos electrónicos. La electrónica usa dispositivos activos para controlar el flujo de electrones por amplificación y rectificación, lo que la distingue de la ingeniería eléctrica clásica, que solo usa efectos pasivos como resistencia, capacitancia e inductancia para controlar el flujo de corriente eléctrica.

Historia y desarrollo

La electrónica ha influido enormemente en el desarrollo de la sociedad moderna. La identificación del electrón en 1897, junto con la posterior invención del tubo de vacío que podía amplificar y rectificar pequeñas señales eléctricas, inauguró el campo de la electrónica y la era del electrón. Las aplicaciones prácticas comenzaron con la invención del diodo por Ambrose Fleming y el triodo por Lee De Forest a principios del siglo XX, lo que hizo posible la detección de pequeños voltajes eléctricos, como señales de radio de una antena de radio, con un dispositivo no mecánico.

Los tubos de vacío (válvulas termoiónicas) fueron los primeros componentes electrónicos activos que controlaban el flujo de corriente al influir en el flujo de electrones individuales. Fueron responsables de la revolución electrónica de la primera mitad del siglo XX. Permitieron la construcción de equipos que utilizaban amplificación de corriente. y rectificación para darnos radio, televisión, radar, telefonía de larga distancia y mucho más. El crecimiento inicial de la electrónica fue rápido y, en la década de 1920, la radiodifusión y las comunicaciones comerciales se estaban generalizando y los amplificadores electrónicos se usaban en aplicaciones tan diversas como la telefonía de larga distancia y la industria de la grabación musical.

El siguiente gran paso tecnológico tardó varias décadas en aparecer, cuando John Bardeen y Walter Houser Brattain en Bell Labs inventaron el primer transistor de contacto puntual en funcionamiento en 1947. Sin embargo, los tubos de vacío desempeñaron un papel destacado en el campo de las microondas y de alta potencia. transmisión y receptores de televisión hasta mediados de la década de 1980. Desde entonces, los dispositivos de estado sólido se han apoderado casi por completo. Los tubos de vacío todavía se utilizan en algunas aplicaciones especializadas, como amplificadores de RF de alta potencia, tubos de rayos catódicos, equipos de audio especializados, amplificadores de guitarra y algunos dispositivos de microondas.

En abril de 1955, la IBM 608 fue el primer producto de IBM en utilizar circuitos de transistores sin tubos de vacío y se cree que es la primera calculadora totalmente transistorizada fabricada para el mercado comercial. El 608 contenía más de 3.000 transistores de germanio. Thomas J. Watson Jr. ordenó que todos los futuros productos de IBM utilizaran transistores en su diseño. A partir de ese momento, los transistores se utilizaron casi exclusivamente para la lógica y los periféricos de las computadoras. Sin embargo, los primeros transistores de unión eran dispositivos relativamente voluminosos que eran difíciles de fabricar en masa, lo que los limitaba a una serie de aplicaciones especializadas.

El MOSFET (transistor MOS) fue inventado por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. El MOSFET fue el primer transistor verdaderamente compacto que se pudo miniaturizar y producir en masa para una amplia gama de usos. Sus ventajas incluyen alta escalabilidad, asequibilidad, bajo consumo de energía y alta densidad. Revolucionó la industria electrónica, convirtiéndose en el dispositivo electrónico más utilizado en el mundo. El MOSFET es el elemento básico en la mayoría de los equipos electrónicos modernos.

A medida que crecía la complejidad de los circuitos, surgían problemas. Un problema era el tamaño del circuito. Un circuito complejo como una computadora dependía de la velocidad. Si los componentes fueran grandes, los cables que los interconectan deben ser largos. Las señales eléctricas tardaron en pasar por el circuito, lo que ralentizó la computadora.La invención del circuito integrado por Jack Kilby y Robert Noyce resolvió este problema al fabricar todos los componentes y el chip del mismo bloque (monolito) de material semiconductor. Los circuitos podrían hacerse más pequeños y el proceso de fabricación podría automatizarse. Esto condujo a la idea de integrar todos los componentes en una oblea de silicio monocristalino, lo que condujo a la integración a pequeña escala (SSI) a principios de la década de 1960 y luego a la integración a mediana escala (MSI) a fines de la década de 1960, seguida de VLSI. En 2008, los procesadores de miles de millones de transistores estuvieron disponibles comercialmente.

Subcampos

• Electrónica analógica
• electrónica de audio
• Bioelectrónica
• Diseño de circuito
• Electrónica digital
• Sistemas embebidos
• Circuitos integrados
• Microelectrónica
• Nanoelectrónica
• Optoelectrónica
• Electrónica de potencia
• Dispositivos semiconductores
• telecomunicaciones

Dispositivos y componentes

Un componente electrónico es cualquier componente de un sistema electrónico, ya sea activo o pasivo. Los componentes se conectan entre sí, generalmente mediante soldadura a una placa de circuito impreso (PCB), para crear un circuito electrónico con una función particular. Los componentes se pueden empaquetar individualmente o en grupos más complejos como circuitos integrados. Los componentes electrónicos pasivos son condensadores, inductores, resistencias, mientras que los componentes activos son dispositivos semiconductores; transistores y tiristores, que controlan el flujo de corriente a nivel de electrones.

Tipos de circuitos

Las funciones de los circuitos electrónicos se pueden dividir en dos grupos de funciones: analógicas y digitales. Un dispositivo en particular puede consistir en circuitos que tienen uno u otro o una combinación de los dos tipos. Los circuitos analógicos son cada vez menos comunes, ya que muchas de sus funciones se están digitalizando.

Circuitos analógicos

La mayoría de los aparatos electrónicos analógicos, como los receptores de radio, se construyen a partir de combinaciones de algunos tipos de circuitos básicos. Los circuitos analógicos usan un rango continuo de voltaje o corriente en lugar de niveles discretos como en los circuitos digitales.

La cantidad de circuitos analógicos diferentes diseñados hasta ahora es enorme, especialmente porque un 'circuito' se puede definir como cualquier cosa, desde un solo componente hasta sistemas que contienen miles de componentes.

Los circuitos analógicos a veces se denominan circuitos lineales, aunque muchos efectos no lineales se utilizan en circuitos analógicos, como mezcladores, moduladores, etc. Buenos ejemplos de circuitos analógicos incluyen amplificadores de válvulas y transistores, amplificadores operacionales y osciladores.

Rara vez se encuentran circuitos modernos que sean completamente analógicos; en estos días, los circuitos analógicos pueden usar técnicas digitales o incluso de microprocesador para mejorar el rendimiento. Este tipo de circuito generalmente se denomina "señal mixta" en lugar de analógico o digital.

A veces puede ser difícil diferenciar entre circuitos analógicos y digitales, ya que tienen elementos de funcionamiento tanto lineal como no lineal. Un ejemplo es el comparador que toma un rango continuo de voltaje pero solo emite uno de dos niveles como en un circuito digital. De manera similar, un amplificador de transistor saturado puede adoptar las características de un interruptor controlado que tiene esencialmente dos niveles de salida. De hecho, muchos circuitos digitales se implementan como variaciones de circuitos analógicos similares a este ejemplo; después de todo, todos los aspectos del mundo físico real son esencialmente analógicos, por lo que los efectos digitales solo se logran al restringir el comportamiento analógico.

Circuitos digitales

Los circuitos digitales son circuitos eléctricos basados ​​en una serie de niveles de voltaje discretos. Los circuitos digitales son la representación física más común del álgebra booleana y son la base de todas las computadoras digitales. Para la mayoría de los ingenieros, los términos "circuito digital", "sistema digital" y "lógica" son intercambiables en el contexto de los circuitos digitales. La mayoría de los circuitos digitales usan un sistema binario con dos niveles de voltaje etiquetados como "0" y "1". A menudo, el "0" lógico será un voltaje más bajo y se denominará "Bajo", mientras que el "1" lógico se denominará "Alto". Sin embargo, algunos sistemas utilizan la definición inversa ("0" es "Alto") o se basan en la corriente. Muy a menudo, el diseñador lógico puede invertir estas definiciones de un circuito al siguiente según lo crea conveniente para facilitar su diseño. La definición de los niveles como "0" o "1" es arbitraria.

Se ha estudiado la lógica ternaria (con tres estados) y se han construido algunos prototipos de computadoras. Los sistemas binarios producidos en masa han causado una menor importancia para el uso de la lógica ternaria. Las computadoras, los relojes electrónicos y los controladores lógicos programables (utilizados para controlar procesos industriales) están construidos con circuitos digitales. Los procesadores de señales digitales, que miden, filtran o comprimen señales analógicas continuas del mundo real, son otro ejemplo. Los transistores como MOSFET se utilizan para controlar estados binarios.

• Puertas lógicas
• sumadores
• Chancletas
• Contadores
• Registros
• Multiplexores
• Disparadores Schmitt

Dispositivos altamente integrados:

• Chip de memoria
• microprocesadores
• Microcontroladores
• Circuito integrado de aplicación específica (ASIC)
• Procesador de señal digital (DSP)
• Matriz de puertas programables en campo (FPGA)
• Matriz analógica programable en campo (FPAA)
• Sistema en chip (SOC)

Diseño

El diseño de sistemas electrónicos se ocupa de los problemas de diseño multidisciplinario de dispositivos y sistemas electrónicos complejos, como teléfonos móviles y computadoras. El tema cubre un amplio espectro, desde el diseño y desarrollo de un sistema electrónico (desarrollo de nuevos productos) hasta asegurar su correcto funcionamiento, vida útil y eliminación. Por lo tanto, el diseño de sistemas electrónicos es el proceso de definición y desarrollo de dispositivos electrónicos complejos para satisfacer los requisitos específicos del usuario.

Debido a la naturaleza compleja de la teoría electrónica, la experimentación en el laboratorio es una parte importante del desarrollo de dispositivos electrónicos. Estos experimentos se utilizan para probar o verificar el diseño del ingeniero y detectar errores. Históricamente, los laboratorios de electrónica consistían en dispositivos y equipos electrónicos ubicados en un espacio físico, aunque en años más recientes la tendencia ha sido hacia el software de simulación de laboratorios de electrónica, como CircuitLogix, Multisim y PSpice.

Diseño asistido por ordenador

Los ingenieros electrónicos de hoy en día tienen la capacidad de diseñar circuitos utilizando bloques de construcción prefabricados, como fuentes de alimentación, semiconductores (es decir, dispositivos semiconductores, como transistores) y circuitos integrados. Los programas de software de automatización de diseño electrónico incluyen programas de captura de esquemas y programas de diseño de placas de circuito impreso. Nombres populares en el mundo del software EDA son NI Multisim, Cadence (ORCAD), EAGLE PCB y Schematic, Mentor (PADS PCB y LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad y muchos otros.

Cualidades negativas

Gestión térmica

El calor generado por los circuitos electrónicos debe disiparse para evitar fallas inmediatas y mejorar la confiabilidad a largo plazo. La disipación de calor se logra principalmente por conducción/convección pasiva. Los medios para conseguir una mayor disipación incluyen disipadores de calor y ventiladores para refrigeración por aire y otras formas de refrigeración de ordenadores, como la refrigeración por agua. Estas técnicas utilizan la convección, la conducción y la radiación de la energía térmica.

Ruido

El ruido electrónico se define como perturbaciones no deseadas superpuestas a una señal útil que tienden a oscurecer su contenido de información. El ruido no es lo mismo que la distorsión de la señal causada por un circuito. El ruido está asociado con todos los circuitos electrónicos. El ruido puede generarse electromagnética o térmicamente, lo que puede reducirse bajando la temperatura de funcionamiento del circuito. No se pueden eliminar otros tipos de ruido, como el ruido de disparo, ya que se deben a limitaciones en las propiedades físicas.

Métodos de embalaje

A lo largo de los años se han utilizado muchos métodos diferentes para conectar componentes. Por ejemplo, la electrónica temprana a menudo usaba cableado punto a punto con componentes conectados a tableros de pruebas de madera para construir circuitos. La construcción con cordwood y la envoltura de alambre fueron otros métodos utilizados. La mayoría de los productos electrónicos modernos ahora usan placas de circuito impreso hechas de materiales como FR4, o el Papel adherido con resina sintética (SRBP, también conocido como Paxoline/Paxolin (marcas registradas) y FR2) más barato (y menos resistente), caracterizado por su color marrón. Las preocupaciones sobre la salud y el medio ambiente asociadas con el ensamblaje de productos electrónicos han ganado una mayor atención en los últimos años, especialmente para los productos destinados a los mercados europeos.

Los componentes eléctricos generalmente se montan de las siguientes maneras:

• Agujero pasante (a veces denominado 'agujero pasante')
• Montaje superficial
• Montaje en chasis
• Montaje en rack
• Zócalo LGA/BGA/PGA

Industria

La industria electrónica consta de varios sectores. La fuerza impulsora central detrás de toda la industria electrónica es el sector de la industria de semiconductores, que tiene ventas anuales de más de $ 481 mil millones a partir de 2018. El sector industrial más grande es el comercio electrónico, que generó más de $ 29 billones en 2017. El dispositivo electrónico más fabricado es el transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal (MOSFET), con un estimado de 13 sextillones de MOSFET fabricados entre 1960 y 2018.En la década de 1960, los fabricantes estadounidenses no podían competir con empresas japonesas como Sony e Hitachi, que podían producir productos de alta calidad a precios más bajos. Sin embargo, en la década de 1980, los fabricantes estadounidenses se convirtieron en líderes mundiales en el desarrollo y montaje de semiconductores.

Sin embargo, durante la década de 1990 y posteriormente, la industria se desplazó abrumadoramente hacia el este de Asia (un proceso que comenzó con el movimiento inicial de producción en masa de microchips allí en la década de 1970), a medida que la mano de obra abundante y barata y la creciente sofisticación tecnológica estaban ampliamente disponibles allí.

Durante tres décadas, la participación global de Estados Unidos en la capacidad de fabricación de semiconductores cayó, del 37 % en 1990 al 12 % en 2022. El principal fabricante de semiconductores de Estados Unidos, Intel Corporation, quedó muy por detrás de su subcontratista Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) en tecnología de fabricación.

En ese momento, Taiwán se había convertido en la principal fuente mundial de semiconductores avanzados, seguida de Corea del Sur, Estados Unidos, Japón, Singapur y China.

También existen importantes instalaciones de la industria de semiconductores (que a menudo son subsidiarias de un productor líder con sede en otro lugar) en Europa (en particular, los Países Bajos), el sudeste de Asia, América del Sur e Israel.