電子工学

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電子部品の表面実装

電子工学でんしこうがく)、もしくはエレクトロニクス: Electronics)は、科学およびテクノロジーの一分野であり、様々な媒体や真空における電子の動きを制御して利用する。電子の流れを制御することで、情報を処理し、機器を制御する。弱電とも言う。電気工学と対比させた場合、電気工学は発電送電電力(こういったものを強電と言う)の制御や応用を扱う。リー・ド・フォレスト三極管を発明した1906年ごろ、電気工学から電子工学が派生した。三極管は電気信号増幅可能な初の機械的でない能動素子である。1950年ごろまで、この分野は無線工学とほぼ同義であり、無線送信機受信機、それらに使用する真空管を初めとする電子管についての設計や理論的研究が中心だった。

今日のエレクトロニクス機器のほとんどは半導体素子を使って電子を制御する。半導体素子とそれに関連する工学は物理学と関係が深く、より応用に近い電子回路の設計や構築は電気工学と関係が深い。

電子素子と電子部品[編集]

電子部品は、電子システム内で電子の振る舞いやそれに関わる力場に決まった形で影響を与え、システムが意図した機能を果たすようにするものである。電子部品は一般に何らかの配線部品プリント基板はんだ付けするなど)で相互接続され、増幅回路発振回路フィルタ回路など特定の機能を持った電子回路を構成する。電子部品は個別にパッケージングされる場合と、集積回路の形で複合的にパッケージングされる場合がある。よく見られる電子部品としては、コンデンサ抵抗器ダイオードトランジスタなどがある。電子部品はトランジスタやサイリスタなどの能動素子と、抵抗器やコンデンサなどの受動素子に分類される。

回路の種類[編集]

電子機器・システムは次の部分に分けられる。

  1. 入力: 電子的・機械的なセンサ(または変換器)で、温度圧力、電磁場等の物理量をシステムの外部から取得して、電流信号や電圧信号に変換する。
  2. 信号処理回路: 組み合わされた電子素子により信号を操作し、解釈したり、変換したりする。
  3. 出力: アクチュエータや他の素子(変換器も含む)により、電流・電圧信号をシステム外の利用者にとって有用な形態に再変換する。

テレビ受像機を例にとると、入力はアンテナケーブルテレビから得られた放送信号である。テレビ受像機内部の信号処理回路は、放送信号から輝度音声の情報を取り出す。出力は電気信号をブラウン管スピーカーによって映像や音声の形態に変換することによって実現される。

電子回路や装置はアナログとデジタルに分類される。両者の橋渡しをするアナログ-デジタル変換回路デジタル-アナログ変換回路もある。

アナログ回路[編集]

周波数可変インバータ J100(日立)

ラジオ受信機などのアナログ電子機器の多くは、数種類の基本回路の組み合わせで構成されている。アナログ回路は連続的な範囲の電圧を使う。

電子回路は1個から数千個の部品で構成されるため、これまでに考案されたアナログ回路は使用している部品の違いを考慮すれば膨大な数になる。

アナログ回路には線型回路もあるが、非線型な効果を持つミキサ回路、変調回路なども多数存在する。アナログ回路の典型例として、真空管やトランジスタを使用した増幅回路演算増幅回路発振回路などがある。

最近では完全にアナログだけの回路は滅多にない。アナログ回路であっても性能を改善するためにデジタル回路やマイクロプロセッサ技術を利用していることが多い。そのような回路は一般に "Mixed Signal" と呼ばれる。

アナログ回路もデジタル回路も線型な素子と非線型な素子を使っているため、区別の難しい場合もある。例えばコンパレータは連続的に変化する電圧を入力としながら、デジタル回路のような2つの電圧レベルのどちらかを出力する。

デジタル回路[編集]

デジタル回路はいくつかの離散的な電圧レベルをとる電子回路である。デジタル回路はブール論理を物理的に実装した最も一般的な形態であり、全てのデジタルコンピュータの基盤である。ほとんどのデジタル回路は2つの電圧レベルをとり、"Low"(0) と "High"(1) として使用する。"Low" は0V付近ということが多く、"High" は電源電圧に依存して決まる。

コンピュータデジタルクォーツ時計プログラマブルロジックコントローラ(生産工程の制御で使用)などは全てデジタル回路で構成されている。他にはデジタルシグナルプロセッサもある。

基本回路:

高集積部品:

放熱[編集]

熱設計支援ソフトウェア(FloTherm)によるヒートシンクのシミュレーション

電子回路はを発生するため、誤動作を防ぎ長期間の信頼性を確保するには放熱が重要となる。放熱技法としてはヒートシンクファンによる空冷、コンピュータの放熱に見られる水冷などがある。放熱システムの設計にあたっては、対流熱伝導、熱エネルギー放射などを利用する。

ノイズ[編集]

電子回路にはノイズが付き物である。この場合のノイズとは、電気信号に重なっている好ましくない変動で、電気信号の内容である情報を不明瞭にする傾向がある[1]。ノイズは回路に起因する信号の歪みとは異なる。ノイズは電磁気や熱によって発生し、回路の温度を低く保てば低減させることができる。その他のノイズとしてはショットノイズなどがあるが、これは電子回路の物理特性の限界に起因するため、除去できない。

電子工学と数学[編集]

電子工学には数学が不可欠である。電子工学に熟達するには、回路解析の数学にも熟達する必要がある。

回路解析は、回路内の特定の点の電圧(電位)や特定経路を通る電流といった値を変数として、一般に連立一次方程式から値を求める技法を指す。このための解析ツールとしてSPICE回路シミュレータなどがある。

また電子工学では電磁気学も重要である。

CAD(コンピュータ支援設計)[編集]

プリント基板設計用EDAソフトの例(FreePCB)

今日のエレクトロニクス設計技師は、電源回路半導体素子トランジスタなど)、集積回路といった既存の要素を組み合わせて電子回路設計する。その際に使用するEDA(電子設計自動化)ソフトウェアは、回路エディタ機能やプリント基板設計機能を備えている。

組み立て技法[編集]

コードウッド型配線

電子部品を相互接続するに当たっては、様々な技法が長年使われてきた。例えば、初期の電子システムでは部品を木製の板(ブレッドボード)に固定し、それらを空中配線することで回路を構成していた。他にもコードウッド型配線(図参照)やワイヤラッピングなどが古くから使われてきた。現在ではガラスエポキシ基板などのプリント基板が主流で、より安価な紙フェノール基板(黄色から茶色の色が特徴)も使われている。近年、電子機器の健康や環境への影響が懸念されるようになってきており、特に欧州連合(EU)向けの電子機器についてはRoHS指令やWEEE指令が2006年7月に施行されている。

教育[編集]

日本では、大学高等専門学校工業高校など技術系学校の学科名(の固有名詞)の一つとして「電子工学科」が定着している。電子工学科では、電子工学のみならず、電気工学全般を学ぶが、従来の「電気工学科」に比べて、情報通信関連の教科に重点が置かれる。

団体[編集]

学会

業界団体

脚注・出典[編集]

  1. ^ IEEE Dictionary of Electrical and Electronics Terms ISBN 978-0-471-42806-0

参考文献[編集]

関連項目[編集]

外部リンク[編集]