Электронная схема состоит из отдельных электронных компонентов , таких как резисторы , транзисторы , конденсаторы , катушки индуктивности и диодов , соединенных проводящих проводов или следов , через который электрический ток может течь. Следует называть электронным , а не электрическим , как правило, по крайней мере, один активный компонент.должен присутствовать. Комбинация компонентов и проводов позволяет выполнять различные простые и сложные операции: сигналы можно усиливать, выполнять вычисления и перемещать данные из одного места в другое. [1]
Цепи могут быть сконструированы из дискретных компонентов, соединенных отдельными кусками провода, но сегодня гораздо более распространено создание межсоединений фотолитографическими методами на ламинированной подложке ( печатной плате или печатной плате) и припаивание компонентов к этим межсоединениям для создания законченного соединения. схема. В интегральной схеме или ИС компоненты и межсоединения сформированы на одной и той же подложке, обычно на полупроводнике, таком как легированный кремний или (реже) арсенид галлия . [2]
Электронную схему обычно можно разделить на аналоговую схему , цифровую схему или схему со смешанными сигналами (комбинацию аналоговых схем и цифровых схем). Наиболее широко используется полупроводниковый прибор , в электронных схемах является МОП - транзистор (металл-оксид-полупроводник полевой транзистор ). [3]
Макеты , perfboards и stripboards являются общими для тестирования новых конструкций. Они позволяют разработчику быстро вносить изменения в схему во время разработки.
Аналоговые схемы
Аналоговые электронные схемы - это схемы , в которых ток или напряжение могут непрерывно изменяться со временем, чтобы соответствовать представляемой информации. Аналоговая схема состоит из двух основных строительных блоков: последовательной и параллельной схем.
В последовательной цепи один и тот же ток проходит через ряд компонентов. Гирлянда рождественских огней - хороший пример последовательной цепи: если одна погаснет, погаснут все.
В параллельной цепи все компоненты подключены к одинаковому напряжению, и ток делится между различными компонентами в соответствии с их сопротивлением.
Основными компонентами аналоговых схем являются провода, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды и транзисторы . Аналоговые схемы очень часто представлены на схематических диаграммах , на которых провода показаны линиями, а каждый компонент имеет уникальный символ. Аналоговый анализ цепей использует законы Кирхгофа : все токи в узле (месте, где встречаются провода), а напряжение вокруг замкнутого контура проводов равно 0. Провода обычно рассматриваются как идеальные межсоединения при нулевом напряжении; любое сопротивление или реактивное сопротивление определяется явным добавлением паразитного элемента, такого как дискретный резистор или катушка индуктивности. Активные компоненты, такие как транзисторы, часто рассматриваются как контролируемые источники тока или напряжения: например, полевой транзистор можно моделировать как источник тока от истока до стока, при этом ток регулируется напряжением затвор-исток.
Когда размер схемы сравним с длиной волны соответствующей частоты сигнала, необходимо использовать более сложный подход - модель с распределенными элементами . Провода рассматриваются как линии передачи с номинально постоянным характеристическим импедансом , а импедансы в начале и в конце определяют передаваемые и отраженные волны в линии. Схемы, разработанные в соответствии с этим подходом, являются схемами с распределенными элементами . Такие соображения обычно становятся важными для печатных плат на частотах выше ГГц; интегральные схемы меньше по размеру и могут рассматриваться как сосредоточенные элементы для частот менее 10 ГГц или около того.
Цифровые схемы
В цифровых электронных схемах электрические сигналы принимают дискретные значения для представления логических и числовых значений. [4] Эти значения представляют информацию, которая обрабатывается. В подавляющем большинстве случаев используется двоичное кодирование: одно напряжение (обычно более положительное значение) представляет двоичную «1», а другое напряжение (обычно значение около потенциала земли, 0 В) представляет двоичный «0». В цифровых схемах широко используются транзисторы , соединенные между собой для создания логических вентилей, которые обеспечивают функции логической логики : И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ, ИЛИ-ИЛИ и их комбинаций. Транзисторы, соединенные между собой для обеспечения положительной обратной связи, 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 память с произвольным доступом (SRAM). Память, основанная на хранении заряда в конденсаторе, также широко используется динамическая память с произвольным доступом (DRAM).)
Процесс проектирования цифровых схем принципиально отличается от процесса разработки аналоговых схем. Каждый логический вентиль регенерирует двоичный сигнал, поэтому разработчику не нужно учитывать искажения, регулировку усиления, напряжения смещения и другие проблемы, возникающие при аналоговой конструкции. 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. По мере того как цифровые схемы становятся более сложными, проблемы временной задержки, логических скачков , рассеивания мощности, неидеального переключения, внутрикристальной и межкристальной нагрузки, а также токов утечки становятся ограничениями для плотности схемы, скорости и производительности.
Цифровые схемы используются для создания вычислительных микросхем общего назначения, таких как микропроцессоры , и специально разработанных логических схем, известных как специализированные интегральные схемы (ASIC). Программируемые пользователем вентильные матрицы (ПЛИС), микросхемы с логическими схемами, конфигурация которых может быть изменена после изготовления, также широко используются при прототипировании и разработке.
Схемы смешанных сигналов
Смешанные или гибридные схемы содержат элементы как аналоговых, так и цифровых схем. Примеры включают компараторы , таймеры , контуры 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, чтобы они достигли подходящего состояния для преобразования в цифровые значения, после чего дальнейшая обработка сигнала может выполняться в цифровой области.
Смотрите также
- Конструкция электронной схемы
Рекомендации
- ^ Чарльз Александр и Мэтью Садику (2004). «Основы электрических схем». Макгроу-Хилл. Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Ричард Джегер (1997). «Проектирование микроэлектронных схем». Макгроу-Хилл. Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Голио, Майк; Голио, Джанет (2018). ВЧ и СВЧ пассивные и активные технологии . CRC Press . п. 18-2. ISBN 9781420006728.
- ^ Джон Хейс (1993). «Введение в цифровой логический дизайн». Эддисон Уэсли. Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь )
Внешние ссылки
- Учебник по электронным схемам
- Основы электроники