Электронная схема состоит из отдельных электронных компонентов , таких как резисторы , транзисторы , конденсаторы , индукторы и диоды , соединенных проводящими проводами или дорожками , по которым может протекать электрический ток . Это тип электрической схемы. Чтобы схема называлась электронной , а не электрической , в ней обычно должен присутствовать по крайней мере один активный компонент . Сочетание компонентов и проводов позволяет выполнять различные простые и сложные операции: сигналы могут усиливаться, вычисления могут выполняться, а данные могут перемещаться из одного места в другое. [1]
Схемы могут быть построены из дискретных компонентов, соединенных отдельными кусками провода, но сегодня гораздо более распространено создание взаимосвязей с помощью фотолитографических методов на ламинированной подложке ( печатной плате или PCB) и припаивание компонентов к этим взаимосвязям для создания готовой схемы. В интегральной схеме или ИС компоненты и взаимосвязи формируются на одной и той же подложке, обычно полупроводнике , таком как легированный кремний или (реже) арсенид галлия . [2]
Электронная схема обычно может быть классифицирована как аналоговая схема , цифровая схема или схема со смешанными сигналами (комбинация аналоговых схем и цифровых схем). Наиболее широко используемым полупроводниковым прибором в электронных схемах является МОП-транзистор ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник ). [3]
Аналоговые электронные схемы — это схемы, в которых ток или напряжение могут непрерывно изменяться со временем в соответствии с представляемой информацией.
Базовыми компонентами аналоговых схем являются провода, резисторы, конденсаторы, индукторы, 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. Анализ аналоговых схем использует законы цепей Кирхгофа : все токи в узле (месте, где встречаются провода), а 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 индуктор. Активные компоненты, такие как транзисторы, часто рассматриваются как управляемые источники тока или напряжения: например, полевой транзистор можно смоделировать как источник тока от истока до стока, при этом 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 сопротивления в начале и конце определяют передаваемые и отраженные волны на линии. Схемы, разработанные в соответствии с этим подходом, являются схемами распределенных элементов . Такие соображения обычно становятся важными для печатных плат на частотах выше ГГц; интегральные схемы меньше и могут рассматриваться как сосредоточенные элементы для частот менее 10 ГГц или около того.
В цифровых электронных схемах электрические сигналы принимают дискретные значения, чтобы представлять логические и числовые значения. [4] Эти значения представляют собой обрабатываемую информацию. В подавляющем большинстве случаев используется двоичное кодирование: одно напряжение (обычно более положительное значение) представляет двоичную «1», а другое напряжение (обычно значение, близкое к потенциалу земли, 0 В) представляет двоичный «0». Цифровые схемы широко используют транзисторы , соединенные между собой для создания логических вентилей , которые обеспечивают функции булевой логики : И, НЕ-И, ИЛИ, НЕ-ИЛИ, исключающее ИЛИ и их комбинации. Транзисторы, соединенные между собой таким образом, чтобы обеспечить положительную обратную связь, используются в качестве защелок и триггеров, схем, которые имеют два или более метастабильных состояний 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, что позволяет им выполнять произвольные вычислительные функции. (Память на основе триггеров известна как статическая память с произвольным доступом (SRAM). Память, основанная на хранении заряда в конденсаторе, — динамическая память с произвольным доступом (DRAM) — также широко используется.)
Процесс проектирования цифровых схем принципиально отличается от процесса проектирования аналоговых схем. Каждый логический вентиль регенерирует двоичный сигнал, поэтому проектировщику не нужно учитывать искажения, управление усилением, напряжения смещения и другие проблемы, с которыми приходится сталкиваться в аналоговой конструкции. Как следствие, чрезвычайно сложные цифровые схемы с миллиардами логических элементов, интегрированных на одном кремниевом кристалле, могут быть изготовлены с низкой стоимостью. Такие цифровые интегральные схемы повсеместно используются в современных электронных устройствах, таких как калькуляторы, мобильные телефоны и компьютеры. По мере того, как цифровые схемы становятся более сложными, проблемы временной задержки, логических гонок , рассеивания мощности, неидеального переключения, нагрузки на кристалле и между кристаллами, а также токов утечки становятся ограничениями для плотности схемы, скорости и производительности.
Цифровые схемы используются для создания универсальных вычислительных чипов, таких как микропроцессоры , и специально разработанных логических схем, известных как специализированные интегральные схемы (ASIC). Программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA), чипы с логическими схемами, конфигурация которых может быть изменена после изготовления, также широко используются в прототипировании и разработке.
Схемы смешанных сигналов или гибридные схемы содержат элементы как аналоговых, так и цифровых схем. Примерами являются компараторы , таймеры , контуры фазовой автоподстройки частоты , аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи . Большинство современных радио- и коммуникационных схем используют схемы смешанных сигналов. Например, в приемнике аналоговые схемы используются для усиления и преобразования частоты сигналов, 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 построение фактической схемы по теоретическому проекту для проверки его работоспособности и предоставления физической платформы для отладки, если он не работает. Прототип часто конструируется с использованием таких методов, как накрутка проводов или использование макетной платы , полосовой платы или перфорированной платы , в результате чего получается схема, которая электрически идентична проекту, но физически не идентична конечному продукту. [5]
Инструменты с открытым исходным кодом, такие как Fritzing, существуют для документирования электронных прототипов (особенно на основе макетных плат) и перехода к физическому производству. Платформы прототипирования, такие как Arduino, также упрощают задачу программирования и взаимодействия с микроконтроллером . [6] Разработчик может выбрать развертывание своего изобретения как есть с помощью платформы прототипирования или заменить его только микросхемой микроконтроллера и схемой, которая имеет отношение к его продукту.
Техник может быстро построить прототип (и внести дополнения и изменения), используя эти методы, но для массового производства гораздо быстрее и обычно дешевле массово изготавливать индивидуальные печатные платы , чем производить эти другие виды прототипных плат. Распространение компаний по быстрому изготовлению и сборке печатных плат позволило применить концепции быстрого прототипирования к проектированию электронных схем. Теперь возможно, даже с самыми маленькими пассивными компонентами и самыми большими мелкошаговыми корпусами, изготавливать, собирать и даже тестировать платы в течение нескольких дней.{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )