電子 でんし 工学 こうがく (でんしこうがく、英 えい : electronics [ 1] )は、電気 でんき 工学 こうがく の一部 いちぶ ないし隣接 りんせつ 分野 ぶんや である。
電子 でんし 部品 ぶひん の表面 ひょうめん 実装 じっそう
様々 さまざま な領域 りょういき の範囲 はんい にまたがるものであるため定義 ていぎ は緩 ゆる やかだが、概 おおむ ね電子 でんし の真空 しんくう 中 ちゅう や固体 こたい 物質 ぶっしつ 中 ちゅう の挙動 きょどう から生 しょう じる現象 げんしょう を工学 こうがく 的 てき に利用 りよう するものと言 い える。これらは電子 でんし デバイス と呼 よ ばれ、例 たと えば次 つぎ のようなものである。
通信 つうしん 、計算 けいさん 機 き 工学 こうがく ・情報処理 じょうほうしょり 、計測 けいそく 、制御 せいぎょ など、応用 おうよう 分野 ぶんや を技術 ぎじゅつ 的 てき に担保 たんぽ する技術 ぎじゅつ 分野 ぶんや である。
電気 でんき 工学 こうがく と対比 たいひ させた場合 ばあい 、電気 でんき 工学 こうがく が電気 でんき 現象 げんしょう 全般 ぜんぱん を対象 たいしょう とするのに対 たい し、[ 2] 電子 でんし 工学 こうがく は能動 のうどう 素子 そし による増幅 ぞうふく 動作 どうさ 、スイッチング動作 どうさ をはじめ、前述 ぜんじゅつ のような部分 ぶぶん に焦点 しょうてん を当 あ てている点 てん が特徴 とくちょう である。[ 1]
歴史 れきし 的 てき 経緯 けいい から電子 でんし 工学 こうがく の起点 きてん は小 しょう 電力 でんりょく の通信 つうしん 、信号 しんごう 処理 しょり が対象 たいしょう 領域 りょういき であったが、大 だい 電力 でんりょく 用 よう 素子 そし のパワーエレクトロニクス の発展 はってん により電力 でんりょく 制御 せいぎょ 用途 ようと にも利用 りよう 範囲 はんい が拡大 かくだい している。
半導体 はんどうたい 、磁性 じせい 体 たい 、誘電 ゆうでん 体 からだ 等 とう の物性 ぶっせい を利用 りよう するため物性 ぶっせい 物理 ぶつり 学 がく 、材料 ざいりょう 科学 かがく と関係 かんけい が深 ふか い。また製造 せいぞう 技術 ぎじゅつ においては物理 ぶつり 化学 かがく が応用 おうよう される。
応用 おうよう 面 めん では回路 かいろ の構成 こうせい において電子 でんし 回路 かいろ 学 がく が存在 そんざい する。[ 3] [ 4] [ 5]
能動 のうどう 素子 そし をはじめとする前述 ぜんじゅつ 各 かく 分野 ぶんや を電子 でんし 工学 こうがく の領域 りょういき として扱 あつか うとするならば、その起源 きげん は後述 こうじゅつ の通 とお り20世紀 せいき 初頭 しょとう に求 もと めることが出来 でき る。
日本語 にほんご の語 かたり としての「電子 でんし 工学 こうがく 」は、1940年 ねん の日本 にっぽん 工学 こうがく 大会 たいかい における電気 でんき 学会 がっかい 会長 かいちょう 八木 やぎ 秀次 しゅうじ の講演 こうえん 題目 だいもく 「電子 でんし 工学 こうがく の躍進 やくしん 」が初出 しょしゅつ とみられる。この講演 こうえん で八木 はちぼく は「今後 こんご 、電子 でんし 管 かん の応用 おうよう は目覚 めざ ましく発展 はってん する。無線 むせん ・電話 でんわ ・ラジオ・写真 しゃしん 伝送 でんそう ・テレビジョンをはじめとして、国民 こくみん の日常 にちじょう 生活 せいかつ にまで侵入 しんにゅう すると予期 よき される」と述 の べており、電子 でんし 管 かん (真空 しんくう 管 かん )による能動 のうどう 素子 そし を念頭 ねんとう に置 お いていたものと考 かんが えられる[ 6] 。
リー・ド・フォレスト が機械 きかい 的 てき でなく電気 でんき 的 てき に増幅 ぞうふく 可能 かのう な能動 のうどう 素子 そし の真空 しんくう 管 かん である三極 さんきょく 管 かん を発明 はつめい した1906年 ねん ごろ、電気 でんき 工学 こうがく から電子 でんし 工学 こうがく が派生 はせい 的 てき に出現 しゅつげん した。[ 7]
1950年 ねん 頃 ごろ まで通信 つうしん 工学 こうがく とほぼ同義 どうぎ であり、通信 つうしん 用途 ようと での送信 そうしん 機 き と受信 じゅしん 機 き の回路 かいろ 構成 こうせい 、それらに使用 しよう する真空 しんくう 管 かん についての研究 けんきゅう が中心 ちゅうしん であった。
固体 こたい 増幅 ぞうふく 素子 そし としては1920年代 ねんだい からの先駆 せんく 的 てき 研究 けんきゅう に続 つづ き、1947-48年 ねん にトランジスタ が発明 はつめい されている。[ 8] [ 9] [ 10]
1959年 ねん にはシリコンでのプレーナー技術 ぎじゅつ が開発 かいはつ され、[ 11] 集積 しゅうせき 回路 かいろ 開発 かいはつ への道 みち が開 ひら かれた。
集積 しゅうせき 回路 かいろ はデジタル型 がた の論理 ろんり 演算 えんざん による電子 でんし 計算 けいさん 機 き の発展 はってん につながり、今日 きょう の情報 じょうほう 社会 しゃかい の基 もと となった。
高周波 こうしゅうは 発振 はっしん については、電子 でんし 管 かん による高周波 こうしゅうは 大 だい 出力 しゅつりょく 発信 はっしん 分野 ぶんや の利用 りよう のほか、1950年代 ねんだい にメーザー、レーザーが開発 かいはつ され、量子力学 りょうしりきがく による電子 でんし のエネルギー準 じゅん 位 い 間 あいだ の遷移 せんい を基 もと にしたデバイスが登場 とうじょう した。
またスイッチング動作 どうさ の周波数 しゅうはすう 源 げん としての水晶 すいしょう 振動 しんどう 子 こ (1921年 ねん )、圧 あつ 電 でん 素子 そし による周波数 しゅうはすう フィルタ (1960年代 ねんだい ~)等 とう も電子 でんし 工学 こうがく の範疇 はんちゅう と考 かんが えられる。
パワーエレクトロニクス 分野 ぶんや [ 12] ではサイリスタ (1957年 ねん )の登場 とうじょう により、[ 13] 小 しょう 電力 でんりょく 信号 しんごう で大 だい 電力 でんりょく 電流 でんりゅう が制御 せいぎょ 可能 かのう となったことが起源 きげん である。
超電導 ちょうでんどう 材料 ざいりょう を絶縁 ぜつえん 体 たい を挟 はさ んで接合 はぎあわ したジョセフソン素子 そし は1962年 ねん に発明 はつめい されている。[ 14] 高速 こうそく スイッチング動作 どうさ 、磁気 じき 検出 けんしゅつ への利用 りよう が可能 かのう である。[ 15]
表示 ひょうじ 装置 そうち の分野 ぶんや では1897年 ねん にブラウン が 陰極線管 いんきょくせんかん を発明 はつめい し、それを元 もと に1907年 ねん にロージング が映像 えいぞう 表示 ひょうじ 装置 そうち を発明 はつめい した。1968年 ねん に液晶 えきしょう ディスプレイ が、[ 16] 1970年代 ねんだい 初頭 しょとう にプラズマディスプレイ が開発 かいはつ された。[ 17] [ 18] 21世紀 せいき に入 はい り有機 ゆうき ELディスプレイの開発 かいはつ が進 すす められ、実用 じつよう 化 か した。
電磁 でんじ 的 てき 情報 じょうほう 記録 きろく では磁気 じき 記録 きろく としてポールセン のワイヤーレコーダー (1898年 ねん )が登場 とうじょう し、1907年 ねん には直流 ちょくりゅう バイアス方式 ほうしき が発明 はつめい され、情報 じょうほう 記録 きろく への利用 りよう はこの頃 ころ に起源 きげん を求 もと めることが出来 でき る。[ 19]
その後 ご 記録 きろく 媒体 ばいたい が磁気 じき テープ (1940年代 ねんだい 前半 ぜんはん 実用 じつよう 化 か )、[ 20] [ 21] ハードディスク (1956年 ねん 登場 とうじょう [ 22] )に移 うつ っている。
磁気 じき 記録 きろく は当初 とうしょ は電子 でんし 工学 こうがく の分野 ぶんや とは意識 いしき されなかったが、記録 きろく 容量 ようりょう の拡大 かくだい に伴 ともな って磁区 じく が微細 びさい 化 か して磁性 じせい 体 たい の微視的 びしてき な挙動 きょどう に研究 けんきゅう の関心 かんしん が移 うつ ったことから、次第 しだい に電子 でんし 工学 こうがく の範疇 はんちゅう と認識 にんしき されるようになった。
情報 じょうほう 記録 きろく 方式 ほうしき としては交流 こうりゅう バイアス方式 ほうしき (1938年 ねん )、垂直 すいちょく 磁気 じき 記録 きろく 方式 ほうしき (1975年 ねん )が登場 とうじょう している。[ 23] [ 24]
この他 た 情報 じょうほう 記録 きろく デバイスとして半導体 はんどうたい 素子 そし から発展 はってん したフラッシュメモリー (NOR型 がた 1980年 ねん 、NAND型 がた 1986年 ねん 発明 はつめい [ 25] )も存在 そんざい する。[ 26] [ 27]
情報 じょうほう 記録 きろく 媒体 ばいたい 自体 じたい は物理 ぶつり 的 てき なものであるが、読 よ み出 だ しに前述 ぜんじゅつ のレーザーを用 もち いるものとしてレーザーディスク (LD)、コンパクトディスク (CD)、DVD 、ブルーレイディスク (BD)[ 28] がある。
以下 いか では電子 でんし 工学 こうがく の応用 おうよう としての電子 でんし 回路 かいろ と電子 でんし 機器 きき について述 の べる。
電子 でんし 機器 きき はその機能 きのう を実現 じつげん する機能 きのう ブロックとしての電子 でんし 回路 かいろ の集 あつ まりとして構成 こうせい されている。
電子 でんし 回路 かいろ は増幅 ぞうふく 回路 かいろ 、発振 はっしん 回路 かいろ 、フィルタ回路 かいろ など意図 いと した機能 きのう を果 は たすように構成 こうせい されている。
電子 でんし 回路 かいろ は回路 かいろ 素子 そし が個別 こべつ の部品 ぶひん として何 なん らかの配線 はいせん 部品 ぶひん (プリント基板 きばん にはんだ 付 つ けするなど)で相互 そうご 接続 せつぞく され実装 じっそう される場合 ばあい と、集積 しゅうせき 回路 かいろ の形 かたち で複 ふく 合 あい 的 てき に実現 じつげん される場合 ばあい がある。
個別 こべつ 部品 ぶひん としてよく見 み られる電子 でんし 部品 ぶひん としては、コンデンサ 、抵抗 ていこう 器 き 、ダイオード 、トランジスタ などがある。
電子 でんし 部品 ぶひん はトランジスタやサイリスタ などの能動 のうどう 素子 そし と、抵抗 ていこう 器 き やコンデンサなどの受動 じゅどう 素子 そし に分類 ぶんるい される。
個別 こべつ 部品 ぶひん と集積 しゅうせき 回路 かいろ は排他 はいた 的 てき な物 もの ではなく、機能 きのう として必要 ひつよう に応 おう じて使 つか い分 わ けられる。同 おな じ基板 きばん 上 じょう に併存 へいそん することもある。
電子 でんし 機器 きき ・システムは次 つぎ の部分 ぶぶん に分 わ けられる。
入力 にゅうりょく - 電子 でんし 的 てき ・機械 きかい 的 てき なセンサ (または変換 へんかん 器 き )で、温度 おんど 、圧力 あつりょく 、電磁場 でんじば 等 とう の物理 ぶつり 量 りょう をシステムの外部 がいぶ から取得 しゅとく し、電流 でんりゅう 信号 しんごう や電圧 でんあつ 信号 しんごう に変換 へんかん する。
信号 しんごう 処理 しょり 回路 かいろ - 組 く み合 あ わされた電子 でんし 素子 そし により信号 しんごう を操作 そうさ し、解釈 かいしゃく したり、変換 へんかん したりする。
出力 しゅつりょく - アクチュエータ や他 た の素子 そし (変換 へんかん 器 き も含 ふく む)により、電流 でんりゅう ・電圧 でんあつ 信号 しんごう をシステム外 がい の利用 りよう 者 しゃ にとって有用 ゆうよう な形態 けいたい に再 さい 変換 へんかん する。
テレビ受像 じゅぞう 機 き を例 れい に挙 あ げると、入力 にゅうりょく はアンテナ やケーブルテレビ から得 え られた放送 ほうそう 信号 しんごう である。テレビ受像 じゅぞう 機 き 内部 ないぶ の信号 しんごう 処理 しょり 回路 かいろ は、放送 ほうそう 信号 しんごう から輝度 きど や色 いろ や音声 おんせい の情報 じょうほう を取 と り出 だ す。出力 しゅつりょく は、電気 でんき 信号 しんごう をブラウン管 ぶらうんかん やスピーカー によって映像 えいぞう や音声 おんせい の形態 けいたい に変換 へんかん することによって実現 じつげん される。
電子 でんし 回路 かいろ や装置 そうち は、アナログとデジタルに分類 ぶんるい される。両者 りょうしゃ の橋渡 はしわた しを担当 たんとう するアナログ-デジタル変換 へんかん 回路 かいろ と、デジタル-アナログ変換 へんかん 回路 かいろ もある。
周波数 しゅうはすう 可変 かへん インバータ J100(日立 ひたち )
ラジオ 受信 じゅしん 機 き などのアナログ 電子 でんし 機器 きき の多 おお くは、数種類 すうしゅるい の基本 きほん 回路 かいろ の組 く み合 あ わせで構成 こうせい されている。アナログ回路 かいろ は連続 れんぞく 的 てき な範囲 はんい の電圧 でんあつ を使 つか う。[ 29]
電子 でんし 回路 かいろ は1個 いっこ から数 すう 千 せん 個 こ の部品 ぶひん で構成 こうせい されるため、これまでに考案 こうあん されたアナログ回路 かいろ は使用 しよう している部品 ぶひん の違 ちが いを考慮 こうりょ すれば膨大 ぼうだい な数 かず になる。
アナログ回路 かいろ には線型 せんけい 回路 かいろ もあるが、[ 30] 非 ひ 線型 せんけい な効果 こうか を持 も つミキサ回路 かいろ 、変調 へんちょう 回路 かいろ なども多数 たすう 存在 そんざい する。アナログ回路 かいろ の典型 てんけい 例 れい として、真空 しんくう 管 かん やトランジスタを使用 しよう した増幅 ぞうふく 回路 かいろ 、演算 えんざん 増幅 ぞうふく 回路 かいろ 、[ 31] [ 32] [ 33] 発振 はっしん 回路 かいろ などがある。
最近 さいきん では完全 かんぜん にアナログだけの回路 かいろ は滅多 めった にない。アナログ回路 かいろ であっても性能 せいのう を改善 かいぜん するためにデジタル回路 かいろ やマイクロプロセッサ 技術 ぎじゅつ を利用 りよう していることが多 おお い。そのような回路 かいろ は一般 いっぱん に "Mixed Signal" と呼 よ ばれる。
アナログ回路 かいろ もデジタル回路 かいろ も線型 せんけい な素子 そし と非 ひ 線型 せんけい な素子 そし を使 つか っているため、区別 くべつ の難 むずか しい場合 ばあい もある。例 たと えばコンパレータ は連続 れんぞく 的 てき に変化 へんか する電圧 でんあつ を入力 にゅうりょく としながら、デジタル回路 かいろ のような2つの電圧 でんあつ レベルのどちらかを出力 しゅつりょく する。
デジタル回路 かいろ はいくつかの離散 りさん 的 てき な電圧 でんあつ レベルをとる電子 でんし 回路 かいろ である。デジタル回路 かいろ はブール論理 ろんり を物理 ぶつり 的 てき に実装 じっそう した最 もっと も一般 いっぱん 的 てき な形態 けいたい であり、すべてのデジタルコンピュータ の基盤 きばん である。[ 34] ほとんどのデジタル回路 かいろ は2つの電圧 でんあつ レベルをとり、"Low"(0) と "High"(1) として使用 しよう する。"Low" は0V付近 ふきん ということが多 おお く、"High" は電源 でんげん 電圧 でんあつ に依存 いぞん して決 き まる。
コンピュータ 、デジタル クォーツ時計 とけい 、プログラマブルロジックコントローラ (生産 せいさん 工程 こうてい の制御 せいぎょ で使用 しよう [ 35] )などはすべてデジタル 回路 かいろ で構成 こうせい されている。他 た にはデジタルシグナルプロセッサ もある。[ 36] [ 37] [ 38]
基本 きほん 回路 かいろ としては以下 いか が挙 あ げられる。
高 こう 集積 しゅうせき 部品 ぶひん としては以下 いか が挙 あ げられる。
熱 ねつ 設計 せっけい 支援 しえん ソフトウェア (FloTherm)[ 39] によるヒートシンクのシミュレーション
電子 でんし 回路 かいろ は熱 ねつ を発生 はっせい するため、誤動作 ごどうさ を防 ふせ ぎ長期間 ちょうきかん の信頼 しんらい 性 せい を確保 かくほ するには放熱 ほうねつ が重要 じゅうよう となる。放熱 ほうねつ 技法 ぎほう としてはヒートシンク やファン による空冷 くうれい 、コンピュータの放熱 ほうねつ に見 み られる水冷 すいれい などがある。放熱 ほうねつ システムの設計 せっけい にあたっては、対流 たいりゅう 、熱 ねつ 伝導 でんどう 、熱 ねつ エネルギー放射 ほうしゃ などを利用 りよう する。
電子 でんし 回路 かいろ にはノイズが付 つ き物 もの である。この場合 ばあい のノイズとは、電気 でんき 信号 しんごう に重 かさ なっている好 この ましくない変動 へんどう で、電気 でんき 信号 しんごう の内容 ないよう である情報 じょうほう を不明瞭 ふめいりょう にする傾向 けいこう がある[ 40] 。ノイズは回路 かいろ に起因 きいん する信号 しんごう の歪 ゆが みとは異 こと なる。ノイズは電磁気 でんじき や熱 ねつ によって発生 はっせい し、回路 かいろ の温度 おんど を低 ひく く保 たも てば低減 ていげん させることができる。その他 た のノイズとしてはショットノイズ などがあるが、これは電子 でんし 回路 かいろ の物理 ぶつり 特性 とくせい の限界 げんかい に起因 きいん するため、除去 じょきょ できない。
プリント基板 きばん 設計 せっけい 用 よう EDAソフトの例 れい (FreePCB)[ 41]
今日 きょう のエレクトロニクス設計 せっけい 技師 ぎし は、電源 でんげん 回路 かいろ 、半導体 はんどうたい 素子 そし (トランジスタ など)、集積 しゅうせき 回路 かいろ といった既存 きそん の要素 ようそ を組 く み合 あ わせて電子 でんし 回路 かいろ を設計 せっけい する。その際 さい に使用 しよう するEDA (電子 でんし 設計 せっけい 自動 じどう 化 か )ソフトウェアは、回路 かいろ エディタ機能 きのう やプリント基板 きばん 設計 せっけい 機能 きのう を備 そな えている。[ 42] [ 43]
コードウッド型 がた 配線 はいせん
電子 でんし 部品 ぶひん を相互 そうご 接続 せつぞく するに当 あ たっては、さまざまな技法 ぎほう が長年 ながねん 使 つか われてきた。例 たと えば、初期 しょき の電子 でんし システムでは部品 ぶひん を木製 もくせい の板 いた (ブレッドボード )に固定 こてい し、それらを空中 くうちゅう 配線 はいせん することで回路 かいろ を構成 こうせい していた。他 ほか にもコードウッド型 がた 配線 はいせん (図 ず 参照 さんしょう )やワイヤラッピング などが古 ふる くから使 つか われてきた。現在 げんざい ではガラスエポキシ基板 きばん などのプリント基板 きばん が主流 しゅりゅう で、より安価 あんか な紙 かみ フェノール基板 きばん (黄色 おうしょく から茶色 ちゃいろ の色 いろ が特徴 とくちょう )も使 つか われている。近年 きんねん 、電子 でんし 機器 きき は処分 しょぶん 時 じ のリサイクルや健康 けんこう ・環境 かんきょう への配慮 はいりょ から、有害 ゆうがい 物質 ぶっしつ の使用 しよう が規制 きせい される流 なが れにあり、欧州 おうしゅう 連合 れんごう (EU) のRoHS 指令 しれい [ 44] やWEEE指令 しれい [ 45] が2006年 ねん 7月 がつ に施行 しこう されたのをはじめ、[ 46] [ 47] 各国 かっこく においても類似 るいじ の制度 せいど が制定 せいてい ・検討 けんとう されている[ 48] 。
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