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電子工学は、 20世紀初頭に登場した電気工学の一分野であり、半導体素子などの能動素子を用いて電流の流れを増幅・制御する点が特徴です。それ以前の電気工学では、機械式スイッチ、抵抗器、インダクタ、コンデンサなどの受動素子のみが用いられていました。
アナログエレクトロニクス、デジタルエレクトロニクス、民生用電子機器、組み込みシステム、パワーエレクトロニクスといった分野を網羅しています。また、固体物理学、無線工学、電気通信、制御システム、信号処理、システム工学、コンピュータ工学、計測工学、電力制御、フォトニクス、ロボット工学など、多くの関連分野にも関わっています。
米国電気電子学会（IEEE）は、米国における電子技術者にとって最も重要な専門機関の一つであり、英国における同等の機関は英国工学技術学会（IET）である。国際電気標準会議（IEC）は、電子工学に関する規格を含む電気規格を発行している。
電子工学は、1874年にカール・フェルディナント・ブラウンが最初の半導体デバイスである結晶検出器を開発し、1897 年に電子が発見され、その後、小さな電気信号を増幅および整流できる真空管が発明され、電子工学の分野が始まったことから、職業として出現しました。 [ 1 ] [ 2 ]実用的な応用は、1900 年代初頭にアンブローズ・フレミングがダイオードを、リー・デ・フォレストが三極管を発明したことから始まり、無線アンテナからの無線信号などの小さな電気電圧を非機械的なデバイスで検出することが可能になりました。電子工学は急速に発展しました。1920 年代初頭までに、商業ラジオ放送と通信が普及し、電子増幅器は長距離電話や音楽録音業界などさまざまな用途で使用されるようになりました。
この分野は、第二次世界大戦中のレーダーやソナーなどの電子システム開発の隆盛、そしてウィリアム・ショックレー、ジョン・バーディーン、ウォルター・ブラッテンによるトランジスタの発明に続く平時の消費者革命によってさらに発展した。
電子工学には多くの下位分野があります。このセクションでは、最も一般的な分野のいくつかについて説明します。
電子信号処理とは、信号の解析と操作を扱う分野である。信号は、情報に応じて連続的に変化するアナログ信号と、情報を表す一連の離散値に応じて変化するデジタル信号に分けられる。
アナログ信号の場合、信号処理には、オーディオ機器向けの音声信号の増幅とフィルタリング、および電気通信向けの無線周波数信号の変調と復調が含まれる。デジタル信号の場合、信号処理には、圧縮、エラーチェック、エラー検出、およびエラー訂正が含まれる。
電気通信工学は、同軸ケーブル、光ファイバー、自由空間などの媒体を介した情報の伝送を扱います。自由空間を介した伝送では、情報を搬送波に符号化して送信する必要があり、これは変調と呼ばれます。一般的なアナログ変調技術には、振幅変調と周波数変調があります。
システムの伝送特性が決定されると、通信技術者はそのようなシステムに必要な送信機と受信機を設計します。これら2つは、双方向通信装置であるトランシーバーを構成するために組み合わされることもあります。送信機の設計において重要な考慮事項は、消費電力です。これは信号強度と密接に関係しているためです。送信機の信号強度が不十分な場合、信号の情報はノイズによって劣化します。
航空電子工学と航空通信工学は、航空宇宙アプリケーションに関係しています。航空通信エンジニアには、航空機の航空電子機器や地上機器を扱う専門家が含まれます。この分野の専門家は主に、コンピュータ、ネットワーク、IT、センサーに関する知識を必要とします。これらのコースは、民間航空技術大学などで提供されています。[ 3 ] [ 4 ]
制御工学は、商用航空機の飛行・推進システムから、多くの現代自動車に搭載されているクルーズコントロールまで、幅広い電子工学分野に応用されています。また、産業オートメーションにおいても重要な役割を果たしています。制御エンジニアは、制御システムを設計する際にフィードバックを頻繁に利用します。
計測工学は、圧力、流量、温度などの物理量を測定する装置の設計を扱います。このような計測装置の設計には、電子工学と物理学に関する深い理解が必要です。例えば、レーダー銃はドップラー効果を利用して接近する車両の速度を測定します。同様に、熱電対はペルティエ・ゼーベック効果を利用して2点間の温度差を測定します。
計測機器は単独で使用されることは少なく、むしろ大規模な電気システムのセンサーとして使用されることが多い。例えば、熱電対は炉の温度を一定に保つために使用されることがある。このため、計測工学は制御工学の対極にあるものとみなされることが多い。[ 5 ]
コンピュータ工学は、コンピュータおよびコンピュータシステムの設計を扱います。これには、新しいコンピュータハードウェアの設計、 PDAの設計、あるいは産業プラントの制御にコンピュータを使用することなどが含まれます。組み込みシステム（特定のタスク向けに作られたシステム、例えば携帯電話）の開発もこの分野に含まれます。この分野には、マイクロコントローラとその応用も含まれます。コンピュータエンジニアは、システムのソフトウェア開発にも携わることがあります。しかし、複雑なソフトウェアシステムの設計は、多くの場合、コンピュータサイエンスに属するソフトウェア工学の領域であり、通常は独立した学問分野とみなされます。
VLSI設計工学 VLSIとは、超大規模集積回路（Very Large-Scale Integration）の略です。集積回路（IC）や様々な電子部品の製造を扱います。集積回路の設計において、電子技術者はまず、電気部品を指定し、それらの相互接続を記述した回路図を作成します。回路図が完成すると、VLSI技術者は、回路の構築に必要な様々な導体材料や半導体材料の層をマッピングした実際のレイアウトに変換します。
電子工学は、より広範な電気工学という学問分野の下位分野です。電子工学では、セラミックスは電子部品を作るために使用される材料です。セラミックスは、コネクタ、封止用要素、多層コンデンサ、抵抗器、センサーの作成に使用されます。[ 6 ]電子エンジニアは通常、電子工学を専攻とする学位を取得しています。このような学位の学習期間は通常3年または4年で、取得した学位は、大学によって工学士、理学士、応用科学士、または技術学士と指定される場合があります。学士課程では、学生は通常、学位の最後にキャップストーンコースを完了します。キャップストーンプロジェクトには、以前のコースの知識を使用して、現実世界のプロジェクトを設計して完了することが含まれます。[ 7 ] [ 8 ]英国の多くの大学は、大学院レベルで工学修士（MEng ）の学位も提供しています。
電子工学エンジニアの中には、理学修士、工学博士、工学博士号などの大学院学位取得を目指す人もいます。修士号は欧米の一部の大学で学士号として導入されており、大学院課程と博士課程を修了したエンジニアを区別することはしばしば困難です。このような場合、経験が考慮されます。修士号は、研究、講義、またはその両方を組み合わせたものから構成されます。博士号は研究要素がかなり多く、学術界への入り口と見なされることが多いです。
ほとんどの国では、工学の学士号は資格取得への第一歩であり、学位プログラム自体が専門機関によって認定されています。資格により、エンジニアは公共の安全に影響を与えるプロジェクトの計画に法的に署名することができます。[ 9 ]認定された学位プログラムを修了した後、エンジニアは認定を受ける前に、実務経験要件を含むさまざまな要件を満たす必要があります。認定されると、エンジニアは、プロフェッショナルエンジニア（米国、カナダ、南アフリカ）、チャータードエンジニアまたはインコーポレーテッドエンジニア（英国、アイルランド、インド、ジンバブエ）、チャータードプロフェッショナルエンジニア（オーストラリアとニュージーランド）、または欧州エンジニア（欧州連合の多くの国）の称号が与えられます。
電子工学の学位取得には、一般的に物理学、化学、数学、プロジェクトマネジメント、および電気工学の特定分野を網羅する科目が含まれます。当初は、電子工学のほとんどすべての分野を網羅する内容となっています。その後、学生は学位取得の終盤で、1つまたは複数の専門分野を選択します。
この分野の根幹を成すのは物理学と数学であり、これらはシステムの動作原理を定性的にも定量的にも記述する上で役立ちます。今日では、ほとんどのエンジニアリング業務にコンピュータが用いられており、電子システムの設計においてはコンピュータ支援設計（CAD）やシミュレーションソフトウェアプログラムの使用が一般的です。ほとんどの電子エンジニアは基本的な回路理論を理解していますが、エンジニアが用いる理論は一般的に、彼らの業務内容によって異なります。例えば、量子力学や固体物理学はVLSIを扱うエンジニアには関連性がありますが、組み込みシステムを扱うエンジニアにはほとんど関係ありません。
電磁気学とネットワーク理論の他に、シラバスには電子工学コース特有の項目があります。電気工学コースには、機械、発電、配電などの他の専門分野があります。このリストには、学位取得の前提条件である広範な工学数学カリキュラムは含まれていません。 [ 10 ] [ 11 ]
さまざまな大学が、再生可能エネルギーのコースを組み込むために電気・電子工学プログラムを改訂しました。これらのコースは、世界がよりエネルギー効率の高い方向へ移行しているために作成されています。[ 12 ] [ 13 ]
電子工学において実験は不可欠であり、学生は実践的な経験を積むことで、他の電子工学の授業内容を理解することができます。実験活動には以下のようなものが含まれます。
ブレッドボード：LED、ダイオード、抵抗器などの部品記号を学ぶための基本的な回路を構築する。[ 14 ]
マイクロコントローラ：Arduinoボードなどのハードウェアデバイスをプログラミングして、他のコンポーネントを制御する。[ 15 ] [ 16 ]
はんだ付け：プリント基板上に部品を配置し、はんだを使用して固定すること。[ 17 ]
再生可能エネルギー研究所には以下が含まれる可能性があります: [ 18 ]
太陽光発電：パネルシミュレーターを使用して、太陽エネルギー変換の特性を学ぶ。
風力発電：空気力学、ローターの力学、発電特性を応用して、風力エネルギーシステムを設計・改良する。
水エネルギー：タービンを用いた水流シミュレーションにより、水エネルギー利用の理解を深める。
スマートグリッド：スマートテクノロジーを活用して電力システムを進化させる。太陽光発電や風力タービンなどの再生可能エネルギー源による電力網のシミュレーションとハードウェア開発を含む。
電子工学の分野は非常に広範であるため、各知識分野を支える多数の専門家が必要とされている。
ベクトル解析の要素：発散と回転、ガウスの定理とストークスの定理、マクスウェル方程式：微分形式と積分形式。波動方程式、ポインティングベクトル。平面波：さまざまな媒体での伝搬、反射と屈折、位相速度と群速度、表皮深さ。伝送線路：特性インピーダンス、インピーダンス変換、スミスチャート、インピーダンス整合、パルス励起。導波管：矩形導波管のモード、境界条件、カットオフ周波数、分散関係。アンテナ：ダイポールアンテナ、アンテナアレイ、放射パターン、相反定理、アンテナ利得。[ 19 ] [ 20 ]
ネットワークグラフ：グラフに関連付けられた行列。接続行列、基本カットセット、および基本回路行列。解法：節点解析とメッシュ解析。ネットワーク定理：重ね合わせ、テブナンとノートンの最大電力伝送、Y-Δ変換。[ 21 ]フェーザを使用した定常状態正弦波解析。線形定数係数微分方程式。単純なRLC回路の時間領域解析、ラプラス変換を使用したネットワーク方程式の解法：RLC回路の周波数領域解析。2ポートネットワークパラメータ：駆動点と伝達関数。ネットワークの状態方程式。[ 22 ]
電子デバイス：シリコンのエネルギーバンド、真性シリコンと不純物シリコン。シリコン中のキャリア輸送：拡散電流、ドリフト電流、移動度、抵抗率。キャリアの生成と再結合。pn接合ダイオード、ツェナーダイオード、トンネルダイオード、BJT、JFET、MOSキャパシタ、MOSFET、LED、ピンおよびアバランシェフォトダイオード、レーザー。デバイス技術：集積回路製造プロセス、酸化、拡散、イオン注入、フォトリソグラフィ、nタブ、pタブ、ツインタブCMOSプロセス。[ 23 ] [ 24 ]
アナログ回路：ダイオード、BJT、JFET、MOSFETの等価回路（大信号および小信号）。単純なダイオード回路、クリッピング、クランピング、整流。トランジスタおよびFETアンプのバイアスとバイアス安定性。アンプ：単段および多段、差動、演算、フィードバック、電力。アンプの解析、アンプの周波数応答。単純なオペアンプ回路。フィルタ。正弦波発振器、発振の基準、単一トランジスタおよびオペアンプ構成。関数発生器および波形整形回路、電源。[ 25 ]
デジタル回路：ブール関数（NOT、AND、OR、XORなど）。論理ゲート、デジタルICファミリ（DTL、TTL、ECL、MOS、CMOS）。組み合わせ回路：算術回路、コードコンバータ、マルチプレクサ、デコーダ。順序回路：ラッチとフリップフロップ、カウンタ、シフトレジスタ。サンプルホールド回路、ADC、DAC。半導体メモリ。マイクロプロセッサ8086：アーキテクチャ、プログラミング、メモリ、I/Oインターフェース。[ 26 ] [ 27 ]
信号とシステム:ラプラス変換、連続時間および離散時間フーリエ級数、連続時間および離散時間フーリエ変換、z変換の定義と特性。サンプリング定理。線形時不変 (LTI) システム: 定義と特性、因果性、安定性、インパルス応答、畳み込み、極と零点、周波数応答、群遅延、位相遅延。LTI システムによる信号伝送。ランダム信号とノイズ:確率、ランダム変数、確率密度関数、自己相関、パワースペクトル密度、ベクトルと関数間の関数類似性。[ 28 ] [ 29 ]
基本的な制御システム構成要素、ブロック図による説明、ブロック図の簡略化 （メイソンの法則）。開ループシステムと閉ループ（負の単位フィードバック）システム、およびこれらのシステムの安定性解析。信号フロー図と、システムの伝達関数を決定する際の信号フロー図の使用法。LTI制御システムの過渡状態および定常状態解析、ならびに周波数応答。定常状態における外乱抑制とノイズ感度の解析。
LTI制御システムの解析と設計のためのツールとテクニック：ルート軌跡、ラウス・フルヴィッツ安定判別法、ボード線図とナイキスト線図。制御システムの補償器：進み補償と遅れ補償の要素、比例積分微分（PID）制御の要素。ゼロ次ホールドとADCを使用した連続時間システムの離散化によるデジタルコントローラの実装。デジタルコントローラの制限：エイリアシング。LTI制御システムのステート変数表現と状態方程式の解法。周波数領域と時間領域の両方における状態空間実現による非線形動的システムの線形化。MIMO LTIシステムの可制御性と可観測性の基本概念。状態空間実現：可観測および可制御の標準形。状態フィードバック極配置のためのアッカーマンの公式。フルオーダーおよび縮小オーダー推定器の設計。[ 30 ] [ 31 ]
アナログ通信システム：振幅変調および角度変調・復調システム、これらの動作のスペクトル解析、スーパーヘテロダイン雑音条件。
デジタル通信システム：パルス符号変調（PCM）、差動パルス符号変調（DPCM）、デルタ変調（DM）、デジタル変調 - 振幅、位相、周波数シフトキーイング方式（ASK、PSK、FSK）、マッチドフィルタ受信機、これらの方式の帯域幅の考慮と誤り確率の計算、GSM、TDMA。[ 32 ] [ 33 ]
電気技術者にとって重要な専門機関としては、米国の電気電子学会（IEEE）と英国の工学技術学会（IET）が挙げられます。IET会員（MIET）は、ヨーロッパでは電気・コンピュータ技術者として専門的に認められています。IEEEは、世界の電気・電子工学分野の文献の30%を執筆していると主張しており、43万人以上の会員を擁し、毎年世界中で450以上のIEEE主催または共催の会議を開催しています。IEEEの上級会員は、米国では認められた専門資格です。
システム設計や開発の最先端に携わっていないほとんどのエンジニアにとって、技術的な業務は仕事全体のほんの一部に過ぎません。顧客との提案内容の協議、予算の作成、プロジェクトスケジュールの決定といった業務にも多くの時間を費やしています。多くのシニアエンジニアは技術者や他のエンジニアのチームを率いており、そのためプロジェクト管理スキルが重要になります。ほとんどのエンジニアリングプロジェクトには何らかの文書作成が伴うため、優れた文書作成能力は非常に重要です。
電子技術者の職場は、彼らが従事する仕事の種類と同様に多種多様です。電子技術者は、製造工場の清潔な実験室環境、コンサルティング会社のオフィス、あるいは研究室など、様々な場所で活躍しています。また、電子技術者は、科学者、電気技師、プログラマー、その他の技術者など、幅広い人材を監督する立場になることもあります。
技術スキルの陳腐化は、電子技術者にとって深刻な懸念事項です。そのため、技術協会への加入と参加、当該分野の定期刊行物の購読、継続的な学習の習慣は、熟練度を維持するために不可欠であり、これは民生用電子機器の分野ではさらに重要です。[ 34 ]
回路設計や回路テストの知識などの技術スキルは、LTSpiceやEagleなどのソフトウェアに組み込まれています。[ 35 ] LTSpiceは電子回路のシミュレーションと検査に使用されます。[ 36 ] Eagleはプリント基板の表示と設計に使用されます。[ 37 ]
{{citation}}: CS1メンテナンス: 場所 (リンク)