Электронная схема состоит из отдельных электронных компонентов , таких как резисторы , транзисторы , конденсаторы , катушки индуктивности и диоды , соединенных проводящими проводами или дорожками , по которым может течь электрический ток . Это тип электрической цепи. Чтобы цепь называлась электронной , а не электрической , обычно должен присутствовать хотя бы один активный компонент . Комбинация компонентов и проводов позволяет выполнять различные простые и сложные операции: усиливать сигналы, выполнять вычисления и перемещать данные из одного места в другое. [1]
Схемы могут быть построены из дискретных компонентов, соединенных отдельными кусками проводов, но сегодня гораздо чаще создаются межсоединения с помощью фотолитографических методов на ламинированной подложке ( печатной плате или печатной плате) и припаиваются компоненты к этим межсоединениям для создания готового изделия. схема. В интегральной схеме или ИС компоненты и межсоединения формируются на одной и той же подложке, обычно это полупроводник , такой как легированный кремний или (реже) арсенид галлия . [2]
Электронную схему обычно можно разделить на аналоговую схему , цифровую схему или схему смешанных сигналов (комбинацию аналоговых и цифровых схем). Наиболее широко используемым полупроводниковым устройством в электронных схемах является MOSFET ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник ). [3]
Макеты , перфорированные и стрипборды обычно используются для тестирования новых проектов. Они позволяют разработчику быстро вносить изменения в схему во время разработки.
Аналоговые электронные схемы — это те, в которых ток или напряжение могут непрерывно изменяться со временем в соответствии с представляемой информацией.
Основными компонентами аналоговых схем являются провода, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды и транзисторы . Аналоговые схемы очень часто представляются в виде принципиальных схем , на которых провода показаны в виде линий, а каждый компонент имеет уникальный символ. В анализе аналоговых цепей используются законы Кирхгофа : все токи в узле (месте соединения проводов) и напряжение вокруг замкнутого контура проводов равно 0. Провода обычно рассматриваются как идеальные соединения с нулевым напряжением; любое сопротивление или реактивное сопротивление фиксируется путем явного добавления паразитного элемента, такого как дискретный резистор или катушка индуктивности. Активные компоненты, такие как транзисторы, часто рассматриваются как управляемые источники тока или напряжения: например, полевой транзистор можно смоделировать как источник тока от истока к стоку, причем ток контролируется напряжением затвор-исток.
Когда размер схемы сопоставим с длиной волны соответствующей частоты сигнала, необходимо использовать более сложный подход — модель распределенных элементов . Провода рассматриваются как линии передачи с номинально постоянным характеристическим сопротивлением , а импедансы в начале и конце определяют передаваемые и отраженные волны в линии. Схемы, спроектированные в соответствии с этим подходом, представляют собой схемы с распределенными элементами . Такие соображения обычно становятся важными для печатных плат на частотах выше ГГц; интегральные схемы меньше по размеру и могут рассматриваться как элементы с сосредоточенными параметрами для частот менее 10 ГГц или около того.
В цифровых электронных схемах электрические сигналы принимают дискретные значения для представления логических и числовых значений. [4] Эти значения представляют собой обрабатываемую информацию. В подавляющем большинстве случаев используется двоичное кодирование: одно напряжение (обычно более положительное значение) представляет собой двоичную «1», а другое напряжение (обычно значение, близкое к потенциалу земли, 0 В) представляет собой двоичный «0». В цифровых схемах широко используются транзисторы , соединенные между собой для создания логических элементов , обеспечивающих функции булевой логики : И, НЕ-И, ИЛИ, ИЛИ, исключающее ИЛИ и их комбинации. Транзисторы, соединенные между собой так, чтобы обеспечить положительную обратную связь, используются как защелки и триггеры, схемы, которые имеют два или более метастабильных состояния и остаются в одном из этих состояний до тех пор, пока не будут изменены внешним входом. Таким образом, цифровые схемы могут обеспечивать логику и память, позволяя им выполнять произвольные вычислительные функции. (Память на основе триггеров известна как статическая оперативная память (SRAM). Также широко используется память, основанная на хранении заряда в конденсаторе, динамическая оперативная память (DRAM).)
Процесс проектирования цифровых схем принципиально отличается от процесса проектирования аналоговых схем. Каждый логический элемент восстанавливает двоичный сигнал, поэтому разработчику не нужно учитывать искажения, регулировку усиления, напряжения смещения и другие проблемы, с которыми сталкиваются при аналоговом проектировании. Как следствие, чрезвычайно сложные цифровые схемы с миллиардами логических элементов, интегрированных в один кремниевый чип, могут быть изготовлены с низкими затратами. Такие цифровые интегральные схемы повсеместно используются в современных электронных устройствах, таких как калькуляторы, мобильные телефоны и компьютеры. Поскольку цифровые схемы становятся более сложными, проблемы временной задержки, логических гонок , рассеивания мощности, неидеального переключения, внутрикристальной и межкристальной загрузки, а также токов утечки становятся ограничениями для плотности, скорости и производительности схемы.
Цифровые схемы используются для создания вычислительных микросхем общего назначения, таких как микропроцессоры , и специально разработанных логических схем, известных как интегральные схемы специального назначения (ASIC). Программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA), микросхемы с логическими схемами, конфигурация которых может быть изменена после изготовления, также широко используются при прототипировании и разработке.
Схемы со смешанными сигналами или гибридные схемы содержат элементы как аналоговых, так и цифровых схем. Примеры включают компараторы , таймеры , системы фазовой автоподстройки частоты , аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи . В большинстве современных схем радиосвязи и связи используются схемы со смешанными сигналами. Например, в приемнике аналоговая схема используется для усиления и преобразования частоты сигналов так, чтобы они достигли подходящего состояния для преобразования в цифровые значения, после чего дальнейшая обработка сигнала может быть выполнена в цифровой области.
В электронике прототипирование означает создание реальной схемы на основе теоретического проекта для проверки ее работоспособности и предоставления физической платформы для ее отладки, если она не работает . Прототип часто создается с использованием таких методов, как обмотка проводов или использование макета , картона или перфорированной платы , в результате чего получается схема, которая электрически идентична конструкции, но физически не идентична конечному продукту. [5]
Существуют инструменты с открытым исходным кодом, такие как Fritzing, для документирования электронных прототипов (особенно макетов) и перехода к физическому производству. Платформы прототипирования, такие как Arduino , также упрощают задачу программирования и взаимодействия с микроконтроллером . [6] Разработчик может использовать свое изобретение как есть, используя платформу прототипирования, или заменить его только чипом микроконтроллера и схемой, соответствующей его продукту.
Техник может быстро построить прототип (а также внести дополнения и модификации), используя эти методы, но для массового производства гораздо быстрее и обычно дешевле производить массовое производство печатных плат на заказ , чем производить другие типы плат-прототипов. Распространение компаний, занимающихся быстрым изготовлением и сборкой печатных плат, позволило применить концепции быстрого прототипирования к проектированию электронных схем. Теперь возможно, даже при наличии самых маленьких пассивных компонентов и самых крупных корпусов с мелким шагом, изготовить, собрать и даже протестировать платы за считанные дни.{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )